USE OF RAY TRACING MODELING IN SHALLOW WATER ACOUSTIC SOURCE LOCALIZATION COMBINED WITH MATCHED-FIELD PROCESSING TECHNIQUES

Abstract

ABSTRACT. Underwater source localization based on acoustic modeling has been a subject of intensive research since a long time. In the case of shallow water scenarios (which are characterized by multilayered bottoms) normal-mode based acoustic propagation models are often combined with Matched-Field Processing techniques in order to provide accurate estimates of both source range and depth. This work discusses the use of a ray tracing model for source localization. Accurate predictions of the acoustic field are obtained by replacing the multilayered bottom with an equivalent (single-layer) bottom, to be used by the ray model, where the properties of the equivalent bottom are obtained through parameter optimization based on the comparison between rays (single-layer) andmodes (multilayer) predictions. The accuracy of this approach is tested using data from an experiment performed by the former Undersea Research Centre of the Supreme Allied Commander Atlantic (SACLANT) in the north of the Elba Island, near the Italian coast. The results indicate that the proposed approach allows a ray model to locate an stationary source with the same accuracy as the one achieved with a normal mode model.

Keywords: underwater acoustic modeling, ray-based models, normal mode models.

RESUMO. A localização de fontes submarinas por meio de modelos de propagação acústica é um antigo problema de grande interesse científico. Em cenários de águas rasas, que se caracterizam normalmente por fundos com complexos sistemas multicamadas, os modelos de propagação baseados na teoria de modos normais são geralmente combinados com técnicas de Processamento por Campo Casado para produzirem estimativas acuradas da distância e profundidade de uma fonte acústica. O trabalho aqui apresentado propõe a utilização de um modelo de traçado de raios no problema da localização. De maneira a produzir estimativas acuradas do campo acústico, o modelo de raios recorre a um modelo equivalente do fundo, baseado numa escolha ótima de parâmetros, os quais são obtidos por meio da comparação entre as previsões geradas por um modelo de raios (que considera um ambiente de camada única) e as geradas por um modelo de modos (que considera um ambiente original multicamadas). A acurácia da metodologia é verificada por meio de dados adquiridos ao norte da Ilha de Elba (nas proximidades da costa italiana), oriundos de um experimento realizado pelo então Undersea Research Centre of the Supreme Allied Commander Atlantic (SACLANT). Os resultados alcançados indicam que a metodogia aqui proposta demonstra ser possível um modelo de raios para localizar uma fonte estática com acurácia comparável àquela tradicionalmente obtida por um modelo de modos normais.

Palavras-chave: modelagem acústica submarina, modelos de raios, modelos de modos normais.