Huvudsyftet med denna uppsats är att visa på ett behov av och möjligheterna med hydroakustiskkommunikation mellan ubåtar, ytstridsfartyg och helikoptrar. Ubåtars uppträdande ställer särskilda krav påkommunikationsvägar. Idag sker kommunikation till och från svenska ubåtar huvudsakligen med hjälp avradio vilket begränsar deras taktiska uppträdande. Inom ramen för det nätverksbaserade försvaret kommerdet att bli nödvändigt att utnyttja nya kommunikationsdimensioner.Hydroakustisk kommunikation utnyttjar ljudvågsutbredning i vatten vilket skiljer sig avsevärt frånradiovågsutbredning i luft. Östersjön med sitt bräckta, skiktade vatten ställer särskilda krav på utformningenav ett hydroakustiskt kommunikationssystem men skapar också möjligheter. I ett antal taktiska situationerskulle en kapacitet att kommunicera hydroakustiskt innebära att Marinen skulle erhålla nya eller förbättradeförmågor. Det är även en nödvändig dimension att utnyttja för att inkorporera ubåt i NBF. Andra nationerhar sedan länge haft en förmåga att överföra enklare meddelanden hydroakustiskt i analog form. Svenskforskning inom området visar att det är möjligt ta steget mot att kommunicera digitalt under vattnet. Deresultat som erhållits genom simuleringar och fältförsök pekar på möjligheterna att med hjälp avhydroakustisk kommunikation utöka det taktiska sambandsnätet att omfatta även ubåtar. Uppsatsenbeskriver de krav som bör ställas på ett hydroakustiskt kommunikationssystem utformat för att passaSveriges behov. / The main purpose with this thesis is to show a need of and the possibilities with hydroacousticcommunications between submarines, suface vessels and helos. Submarine actions raises specificdemands regarding communications. Today communications to and from Swedish submarines are carriedout mainly by electromagnetic waves, e.g radio, which restrains their tactical performance. Within the frameof the new network based defence it will be necessary to use new dimensions of communication.Hydroacoustic communications uses soundwave propagation in water which is considerably different fromradiowave propagation in air. The Baltic with its brackish, layered water raises specific demands on thedesign of a hydroacoustic communications system aswell as it creates possibilities. In a number of tacticalsituations a capacity to communicate by hydroacoustic means should imply that the Navy would achievenew or enhanced abilities. It is also a necessary dimension to use to be able to incorporate submarines innetwork based defence. Other nations have since many years had an ability to transmit simple messagesby analougus means. Swedish research within the area shows that it is possible to take a new step towardsdigital communications under water. The results which have been reached by simulations and field trialspoints out the possibilities in extending the tactical communications to comprise submarines by usage ofhydroacoustic measures. The thesis describes the demands that should be posted upon a hydroacousticcommunications system designed for Swedish purposes. / Avdelning: ALB - Slutet Mag 3 C-upps.Hylla: Upps. ChP T 00-02

In this thesis, we explore a novel approach to solving the Helmholtz equation,the WaveHolz iteration method. This method aims to overcome some ofthe difficulties with solving the Helmholtz equation by providing a highlyparallelizable iterative method based on solving the time-dependent Waveequation. If this method proves reliable and computationally feasible it wouldhave great value for future application. Therefore, it is of interest to evaluatethe performance and properties of this method. To fully evaluate this method,the method was implemented and conclusions were based on results fromsimulations of the method. The method was able to solve problems in threedimensions and it seems that the method is very well suited for parallelized computations. To replicate real-world scenarios simulations of problems ininfinite and curvilinear domains were conducted. Based on the result presentedhere it is possible to further refine the method, especially regarding the setupof the domain and the implementation of boundary conditions for infinitedomains. / I detta examensarbete presenteras en ny metod för att lösa Helmholtz ekvation, WaveHoltz iterativa metod. Målet med denna metod är att undkomma vissa problem som uppstår med andra metoder för att lösa Helmholtz ekvation genom att tillhandahålla iterativ metod som baseras på lösningar av den tidsberoende vågekvationen samt kan parallelliseras effektivt. Om denna metod visar sig vara stabil och effektiv beräkningsmässigt skulle detta medföra stor potential för framtida tillämpningar. Av denna anledning undersöks metoden och dess egenskaper. För att fullt ut kunna evaluera denna method implementerades den vartefter simuleringar genomfördes och slutsatser drogs. Med metoden var att det var möjligt att lösa problem i tre dimensioner och metoden visade sig vara lämplig för parallella beräkningar. För att återskapa verklighetstrogna scenarion beräknades problem i oändliga och kroklinjiga domäner. Baserat på resultaten som presenteras i denna rapport är det möjligt att förfina metoden, speciellt vid konstruktionen av komplicerade beräkningsnät och randvillkoren för de oändliga problemen.

Akustiska kanaler för undervattenskommunikation är flervägskanaler där ljudet reflekteras från havets yta och botten och bryts vid ljudhastighetsförändringar. I grunt vatten är impulssvaret långt jämfört med symbolernas tidslängd i ett utskickat meddelande. Detta orsakar intersymbolinterferens, vilket gör det svårt att återskapa meddelandet. Denna avhandling behandlar fysikalisk modellering av kommunikationskanalen. Sådan modellering kan öka insikten om de svårigheter som finns vid design av kommunikationssystem och kan vara till hjälp vid utveckling av lämpliga modulationstekniker och avkodningsalgoritmer. Ljudutbredningen simuleras med en strålgångsmetod med reflektionskoefficienter beräknade för plana vågor. I artikel 4 och 5 utvidgas modellen till en algoritm för gaussisk strålsummation. De viktigaste vetenskapliga bidragen är följande. Artikel 1: Aktuell kunskap om impulssvaret hos kommunikationskanalen gör det betydligt lättare att tolka det mottagna meddelandet. I denna artikel studeras tidsvariabiliteten hos impulssvaret i termer av bitfelssannolikhet när ett gammalt impulssvar används för kanalutjämning. Tidsvariabiliteten visar sig variera avsevärt med mottagarpositionen, inte bara när det gäller avståndet till sändaren, utan även när det gäller placeringen i djupled. Artikel 2: En hybridmetod presenteras, där strålgång i ett avståndsberoende medium kombineras med lokal fullfältsmodellering av interaktionen med havsbottnen. Metoden används för simuleringar av akustisk kommunikation i grunt vatten. Artikel 3: För att kunna göra tillförlitliga simuleringar av ljudutbredning behöver man god kunskap om mediets ljudhastighetsprofil --- information som inte alltid är tillgänglig. I denna artikel används den hybrida strålgångsmetoden från artikel 2 för att skatta ljudhastighetsprofilen från kommunikationsdata. Miljöparametrarna som beräknats genom inversionen minskar avvikelsen mellan simulerade och observerade skattningar av impulssvaret jämfört med avvikelsen då en uppmätt, två dagar gammal ljudhastighetsprofil används vid simuleringen. Miljömodellen används också för en genomgång av alternativa käll- och mottagarpositioner. Artikel 4: Gaussisk strålsummation är en vågutbredningsmodell som liknar strålgång men kan ge korrekta resultat i strålgångens singulära områden, som skuggzoner och kaustikor. I denna artikel diskuteras hur några olika val av den komplexa strålparametern $\epsilon$ fungerar i grunda vågledare. Bäst resultat erhålls om man väljer $\epsilon$ så att strålen blir smal i punkten närmast mottagaren och får en plan vågfront där. Artikel 5: En adaptiv metod för gaussisk strålsummation i grunda vågledare presenteras. Algoritmen ger en noggrannhet som är bättre än eller minst lika bra som strålgångens, även i grunda vågledare med en starkt djupberoende ljudhastighet. / Acoustic underwater communication channels are multipath channels where sound is reflected from the surface and the bottom of the sea and refracted by sound speed variations. In shallow water, the impulse response is typically long compared to the time length of the symbols in a transmitted message. This causes inter-symbol interference, which makes the message difficult to decode. This thesis deals with physical modelling of the communication channel. Such modelling can provide insight into the difficulties of communication system design and may serve as an aid in the development of appropriate modulation techniques and decoding algorithms. The sound propagation is simulated by a ray tracing method with plane-wave reflection coefficients, in papers 4 and 5 expanded to a Gaussian beam summation algorithm. The main scientific contributions are the following. Paper 1: Up-to-date knowledge of the impulse response of the communication channel considerably simplifies the extraction of information from a detected signal. In this paper the time variability of the impulse response is studied in terms of the bit-error rate, when an old impulse response is used for channel equalisation. The time variability is found to vary significantly with the receiver position, not only in range, but also in depth. Paper 2: A hybrid raytrace method is presented, combining ray tracing in a range-dependent water column with local full-field modelling of the seabed interaction. The method is applied to simulations of acoustic communication in shallow water. Paper 3: To be able to make reliable simulations of sound propagation, one needs to know, quite accurately, the sound speed profile of the medium --- information which is not always available. In this paper the hybrid raytrace method from paper 2 is used to estimate the sound speed profile from communication data. The environmental model obtained by the inversion reduces the mismatch between the modelled and the observed impulse response estimates, compared to the mismatch with a two-days-old sound speed profile. The model is also used to investigate alternative source-receiver configurations. Paper 4: Gaussian beam summation is a wave propagation model similar to ray tracing, which can yield correct results in singular regions like shadow zones and caustic points. In this paper some different choices of the complex beam parameter $\epsilon$ are discussed for shallow waveguides. Best results are observed when $\epsilon$ is chosen so that each beam is narrow at the point where it is closest to the receiver and has a plane wavefront there. Paper 5: An adaptive method for Gaussian beam summation in shallow waveguides is presented. The algorithm yields better or at least as good accuracy as ray tracing, even in shallow waveguides with a strongly depth-dependent sound speed profile. / QC 20100819

In this report, we study how finite differences can be used to simulate acoustic wave propagation originating from a point source in the ocean using the Helmholtz equation. How to model sediment layers and the vast size of the ocean is studied in particular. The finite differences are implemented with summation by parts operators with boundary conditions enforced with simultaneous approximation terms and projection. The numerical solver is combined with the WaveHoltz method to improve the performance. Sediment layers are handled with interface conditions and the domain is artificially expanded using absorbing layers. The absorbing layer is implemented with an alternative approach to the super-grid method where the domain expansion is accomplished by altering the wave speed rather than with coordinate transformations. To isolate these issues, other parameters such as variations in the ocean floor are neglected. With this simplification, cylindrical coordinates are used and the angular variation is assumed to be zero. This reduces the problem to a quasi-three-dimensional system. We study how the parameters of the alternative absorbing layer approach affect its quality. The numerical solver is verified on several test cases and appears to work according to theory. Finally, a semi-realistic simulation is carried out and the solution seems correct in this setting.