A Study Of Using Communication Signals As Sonar Pulses In Underwater Sensor Systems

Underwater communication within underwater sensor network is crucial for surveillance of coast and ocean areas. The aim of this report was to examine whether it is realistic to use the communication signal which is sent from one node to another as a sonar pulse, and in such case at what distances. To examine the problem, a system consisting of two nodes and one approaching target was simulated in Matlab. At first, the system tries to detect the target by using a generalized likelihood ratio test, which calculates the probability of a present target from the surrounding sounds. When a target is detected by a node, it estimates the bearing to the target by using beamforming and sends out a communication signal to the other node. The communication signal spreads out in the water, and bounces on the target before it is received by the second node. To calculate the distance, the second node decodes the signal to get the time difference, from which the distance is calculated. In the end, the target's position was estimated with a weighted least square estimator with measurements of the bearing and distance. The result shows that the distance to the target could be estimated with high precision in the given scenario, and that the width of the Cramér-Rao lower bound depends mainly on the variance of the beamforming algorithm. The maximum distance reached up to two kilometers but was mainly restricted by the detection algorithm. In conclusion, the result shows that the communication pulse can be used as a sonar pulse at the tested distances. However, the simulated scenario is a simplified version of the real world so more testing should be performed before a final conclusion can be made.För övervakning av kust- och havsområden, vid exempelvis militära operationer eller för oceanografska observationer, används ofta ett undervattenssystem som är uppbyggt av flera noder som finns utplacerade på botten. Noderna lyssnar efter mål såsom ubåtar, fartyg etc, med syftet att kunna detektera och lokalisera dessa. Om en nod lyckas detektera ett mål så skickar den ut en akustisk kommunikationssignal till övriga noder i systemet. Målet med detta examensarbete var att undersöka om den kommunikationssignal som skickas mellan noderna också kan användas som en sonarpuls för att bestämma avståndet till målet, och därmed förbättra lokaliseringen av målets position. Under antagandet att kommunikationssignalen kan användas som sonarpuls, så undersöktes dessutom vid vilka avstånd mellan noden och målet som det var möjligt att använda signalen som sonarpuls. Resultatet visar att det är möjligt att använda kommunikationssignalen som en sonarpuls. Bäst funkar det på nära avstånd, då är den estimerade positionen i stort sett lika med det riktiga positionen. I takt med att avståndet till målet ökar så ökar även osäkerheten i vilken rikting målet befinner sig, estimeringen av avståndet höll sig däremot väldigt nära den faktiska distansen i alla simuleringar som gjordes. Simuleringen som gjordes var dock en förenkling av verkligheten, och flera av de störningsmoment som finns ute i naturen har inte tagits med i beräkningarna. För att undersöka detta så simulerades ett sensorsystem bestående av två noder tillsammans med ett mål som närmade sig noderna. Noderna försöker detektera målet genom att lyssna efter ljud som tillhör målet. Genom att mäta energinivåer i de ljudsignaler som noderna hör, så kan man utifrån sannolikhetslära bestämma hur troligt det är att det finns ett mål i närheten. När sannolikheten är tillräckligt hög säger man att ett mål detekterats. För att bestämma positionen så uppskattades målets riktning och avstånd i förhållande till noderna, som i sin tur användes för att beräkna målets position