Μελέτη διάδοσης θαλάσσιων σημάτων σε υποθαλάσσιο περιβάλλον

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη και η υπολογιστική προσομοίωση της υποβρύχιας ακουστικής διάδοσης σε περιβάλλοντα μέσου βάθους, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της επικοινωνίας σε υποβρύχια δίκτυα αισθητήρων. Η μετάδοση ήχου στο θαλάσσιο περιβάλλον παρουσιάζει σημαντικές προκλήσεις, όπως η μεταβολή της ταχύτητας διάδοσης ανάλογα με το βάθος, τη θερμοκρασία και την πίεση, προκαλώντας έντονα φαινόμενα διάθλασης. Παράλληλα, οι ανακλάσεις στον πυθμένα και την επιφάνεια εισάγουν απώλειες ενέργειας και φαινόμενα πολυδιαδρομικότητας που δυσχεραίνουν τη λήψη των δεδομένων. Για την υλοποίηση της έρευνας χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο ιχνηλάτησης ακτινών (ray tracing) BELLHOP, μέσω της βιβλιοθήκης arlpy σε περιβάλλον Python. Η προσομοίωση εστίασε σε ένα θαλάσσιο κανάλι βάθους 1000 μέτρων, όπου εξετάστηκαν τρία διαφορετικά σενάρια τοποθέτησης του πομπού σε βάθη 50m, 150m, 200m και 300m. Τα αποτελέσματα αναλύθηκαν μέσω διαγραμμάτων ακουστικών διαδρομών (Ray Plots) και χαρτών απωλειών μετάδοσης (Transmission Loss). Η ανάλυση των δεδομένων έδειξε ότι η ύπαρξη ενός ακουστικού αγωγού στο βάθος των 300 μέτρων, όπου η ταχύτητα είναι ελάχιστη, αποτελεί τον κρισιμότερο παράγοντα για αποδοτική επικοινωνία. Οι ακουστικές ακτίνες παγιδεύονται στον αγωγό λόγω διάθλασης, αποφεύγοντας τις ανακλάσεις στον πυθμένα και διατηρώντας την ισχύ του σήματος σε μεγάλες αποστάσεις. Αντίθετα, η εκπομπή από ρηχότερα βάθη οδηγεί σε ταχεία εξασθένηση και δημιουργία ζωνών σκιών. Τα ευρήματα της εργασίας παρέχουν πολύτιμες κατευθύνσεις για τον γεωμετρικό σχεδιασμό υποβρύχιων δικτύων, επισημαίνοντας τη σημασία της βελτιστοποίησης της ενεργειακής αυτονομίας και της αξιοπιστίας της ζεύξης για την αποτελεσματική υποβρύχια επικοινωνία.