I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b er   20 24 ,   p p .   6 1 4 8 ~ 6 1 5 9   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 14 i 6 . pp 6 1 4 8 - 6 1 5 9           6148       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   A  pa ss iv e so na r b a sed underwa t er  a co ustic channel  mo del f o r  impro v ed sea rch  a nd rescue ope ra t io ns in deep  sea       Af s a r  Ali   M o ha m ed  Abba s 1 ,  K a j a   M o hid ee n   Su lt a n M o h ideen 1 ,  Veda cha la m   Na ra y a na s wa m y 2   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o m mu n i c a t i o n   En g i n e e r i n g ,   B . S .   A b d u r   R a h ma n   C r e sc e n t   I n st i t u t e   o f   S c i e n c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   C h e n n a i ,   I n d i a   2 D e e p   S e a   T e c h n o l o g y ,   N a t i o n a l   I n st i t u t e   o f   O c e a n   T e c h n o l o g y ,   C h e n n a i ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ap r   1 9 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Au g   1 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Au g   6 ,   2 0 2 4       Ac ti v e   a n d   p a ss iv e   so n a r  a re   th e   two   ty p e s  o f  e m p iri c a l  u n d e rwa ter  a c o u stic  c h a n n e l  m o d e ls  (UWACMs).   P a s siv e   so n a r  UWACMs  h a v e   a p p li c a ti o n s  in   m il it a ry ,   o c e a n   e x p lo ra ti o n ,   a n d   se a rc h   a n d   re sc u e   (S AR)   a c ti v it ies .   Ho we v e r,   h ig h   tra n sm issio n   lo ss   (TL ),   m u lt ip a th   p r o p a g a ti o n ,   a n d   a m b ien t   n o ise   p o se   sig n ifi c a n t   c h a ll e n g e s  to   si g n a l - to - n o ise   ra ti o   ( S NR)  a n d   c o m m u n ica ti o n   e ffe c ti v e n e ss .   To   a d d re ss   th e se   c h a ll e n g e s,  th is  p a p e r   d e v e lo p s  a   UWACM  b a se d   o n   th e   p a ss iv e   so n a r  e q u a ti o n   m e th o d   t o   d e term in e   S NR  i n   d e e p - se a   e n v i ro n m e n ts,  s p e c ifi c a ll y   f o r  S AR  o p e ra ti o n s.   De term in in g   S NR   in v o l v e s  c h a ra c teriz in g   sig n a l  p r o p a g a ti o n   i n   ter m s  o f  TL .   Ex isti n g   m o d e ls  lac k   a n a l y sis  o f   TL   a n d   S NR  fo r   v a ri o u s d e e p - se a   m u lt ip a t h   p ro p a g a ti o n   sc e n a rio s  re lev a n t  t o   S AR  a p p li c a ti o n s.  Th e re fo re ,   th is  p a p e r   a n a ly se s  TL   a n d   S NR  fo r  b o th   d irec t  a n d   v a ri o u s  m u lt ip a th   p ro p a g a ti o n   m o d e s,  in c l u d i n g   s u rfa c e   re flec ti o n   (S R) ,   su rfa c e   d u c t  ( S D),  b o tt o m   b o u n c e   (BB),   c o n v e r g e n c e   z o n e   (CZ),   d e e p   so u n d   c h a n n e l  (DSC),   a n d   re li a b le  a c o u stic  p a th s   (RAPs)  in   th e   d e e p   se a .   Th is  wo r k   a ims   to   q u a n ti fy   t h e   d e tec ti o n   c a p a b il it ies   o f  u n d e rwa ter  lo c a ti o n   b e a c o n s  (ULBs)  u n d e r  v a rio u s  d e e p - se a   sc e n a rio s  a n d   c o n fi g u ra ti o n s.   By   a n a ly z i n g   UL B  sig n a l  p ro p a g a ti o n   c h a ra c teristics ,   th is   re se a rc h   se e k s  to   a d d re ss   k e y   c h a ll e n g e s  re late d   to   ULB  p e rf o rm a n c e   a n d   u lt ima tely   imp r o v e   S AR  o p e ra t io n s.  T h e   re su lt s  o f  th e   p ro p o se d   m o d e l  sig n ifi c a n tl y   c o rre late   with   e x isti n g   li tera tu re ,   c o n firmin g   it s a c c u ra c y .   K ey w o r d s :   Dee p   s ea   d ir ec t a n d   m u ltip ath   p r o p ag atio n   Pas s iv e  s o n ar   Sear ch   an d   r escu e   Sig n al - to - n o is e - r atio   Un d er wate r   ac o u s tic  ch an n el  m o d el   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Kaja   Mo h id ee n   Su ltan   Mo h id ee n   Dep ar tm en t  o f   E lectr o n ics  a n d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r i n g ,   B . S.  Ab d u r   R ah m an   C r escen t  I n s titu te  o f   Scien ce   an d   T ec h n o lo g y   C h en n ai,   T am il Na d u ,   I n d ia   E m ail:  k ajam o h id ee n @ cr escen t.e d u ca tio n       1.   I NT RO D UCT I O N   Un d er wate r   ac o u s tic  co m m u n icatio n   ( UAC)  f in d s   ap p lica tio n s   in   v ar io u s   f ield s   s u ch   a s   m ar itime   n av ig atio n ,   o f f s h o r e  o il a n d   g a s   ex p lo r atio n ,   e n v ir o n m en tal  m o n ito r in g ,   u n d er wate r   r o b o ti cs,  an d   m ilit ar y   an d   s ea r ch   an d   r escu e  ( SAR )   o p e r atio n s   [ 1 ] – [1 1 ] .   R eliab le  u n d er wate r   co m m u n icatio n   is   c r itical  f o r   ef f ec tiv e   SAR   o p er atio n s   in   th e   v ast  a n d   c h allen g in g   e n v ir o n m en t   o f   th e   d ee p   s ea .   H o wev er ,   h ig h   tr an s m is s io n   lo s s   ( T L ) ,   m u ltip ath   p r o p ag atio n ,   an d   am b ien t  n o is e  s ig n if ic an tly   h in d e r   s ig n al  q u ality   a n d   co m m u n icatio n   ef f ec tiv en ess   in   UAC  f o r   S AR   ap p licatio n s   [ 1 2 ] – [ 1 6 ] .   Dee p - s ea   SAR   m is s io n s   f o r   d o wn ed   air cr af t  ar e   cr itical  b u t  f ac e   s ig n if ican t   c h allen g es.  Desp ite  th e   cr u cial   r o le  o f   u n d er wate r   b ea co n s ,   v ast  d is tan ce s   an d   lim ited   b atter y   life   h in d er   th eir   d etec tio n .   Un d er s tan d in g   T L ,   wh ich   wea k en s   th e  s ig n al  o v er   d is tan ce ,   an d   SNR ,   wh ich   d eter m in es  h o w  well  th e  b ea c o n ' s   m ess ag e  s tan d s   o u t  f r o m   b ac k g r o u n d   n o is e,   is   cr itical  f o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A   p a s s ive  s o n a r   b a s ed   u n d erw a ter a co u s tic  ch a n n el  mo d el  fo r   imp r o ve d   …   ( A fs a r   A li Mo h a med   A b b a s )   6149   d ev elo p in g   ef f ec ti v e  d ee p - s ea   r escu e  s tr ateg ies.  I n   c o m p lex   d ee p - s ea   e n v ir o n m en ts ,   cu r r en t  u n d e r wate r   ac o u s tic  ch an n el  m o d els  ( UW AC Ms)   s tr u g g le  to   p r ed ict  s ig n al  b eh av io r .   Var iatio n s   in   s o u n d   s p ee d   d u e  to   tem p er atu r e,   s alin ity ,   a n d   p r ess u r e,   co u p le d   with   s ca tter in g   f r o m   th e  r o u g h   s ea b ed ,   c o m p li ca te  th e  m o d ellin g   p r o ce s s .   Mu ltip ath   p r o p ag ati o n ,   wh er e  s ig n als  tr av el  v ia   m u ltip le  p ath s ,   ca n   f u r t h er   d is r u p t  th e  s ig n al.   Ad d itio n ally ,   v ar io u s   n o is e  s o u r ce s ,   s u ch   as  an im als,   h u m an   ac tiv ity ,   an d   n at u r al  p h en o m en a ,   ad d   co m p lex ity .   Hig h   s ig n al  atten u atio n ,   lim ited   b a n d wid th ,   an d   s lo w  s o u n d   s p ee d   f u r th er   r estrict  co m m u n icatio n   r an g e  a n d   in tr o d u ce   d elay s .   T h ese  ch allen g es  n ec ess itate  ad v a n ce d   tec h n iq u es  f o r   ac cu r ate  UW AC M   d ev elo p m e n t,  u ltima tely   im p r o v in g   d ee p - s ea   SAR   s u cc ess   r ates  [ 1 7 ] – [ 2 4 ] .   T h e  ex is tin g   ch an n el  m o d els  a d d r ess   th ese  ch allen g es  in   m o d elin g   u n d er wate r   ac o u s tic  ch an n els  in   a  v ar iety   o f   wa y s .   On asam i   et   a l.   [ 2 5 ]   e x p lo r e   r eser v o ir   co m p u tin g   as  a   m ac h in e  lea r n in g   ( ML )   tech n i q u e   f o r   UW A C M,   p o ten tially   ac h iev i n g   b etter   p er f o r m a n ce   th an   tr ad itio n al  m eth o d s .   I n   [ 2 6 ] ,   d e ep   n eu r al  n etwo r k s   ( DNN)   an d   l o n g   s h o r t - ter m   m em o r y   ( L STM )   n etwo r k s   a r e  u tili ze d   in   UW AC M  to   en h an ce   p e r f o r m an ce .   Ho wev er ,   a   n o tab le   ch allen g e  in   ap p ly in g   m ac h in e  lear n i n g   an d   d ee p   lear n in g   tech n i q u es  to   u n d e r wate r   ac o u s tic  co m m u n icatio n s   is   t h e  r is k   o f   o u td ated   ch an n el  s tate  in f o r m atio n   d u e  to   s ig n if ican t  p r o p ag atio n   d elay s   an d   d y n am ic   u n d er wate r   en v ir o n m e n ts .   T o   s im u late  r ea lis tic  u n d er wate r   ac o u s tic  c h an n els,   r esear ch er s   o f ten   r ely   o n   s p ec ialized   b ea m - tr ac in g   s o f tw ar e  s u ch   as  B E L L HOP  [ 2 7 ] .   R esear ch er s   h av e  p r o p o s ed   m ath em atica l  m o d el s   to   ad d r ess   in ac cu r ac ies  in   s o u n d   v elo city   esti m atio n .   T h ese  m o d els  p r o v id e  a   co n v er s io n   f r am ewo r k   b etwe en   atm o s p h er ic  p r ess u r e  an d   d ep th ,   aid in g   in   s o u n d   s p e ed   d eter m in atio n .   Ad v an ce d   m o d elin g   tech n i q u es  lik e  m o d e  th eo r y ,   p ar a b o li c  eq u atio n s ,   an d   f in ite  elem e n t  m eth o d s   ar e  also   em p lo y ed   to   s im u late  t h e  p r o p ag atio n   o f   s o u n d   u n d er wate r ,   in co r p o r atin g   f ac to r s   s u ch   a s   r an g e  d ep en d en ce   an d   th e   in f lu e n ce   o f   s u r f ac e   an d   b o tto m   co n d itio n s   [ 2 8 ] .   T h ese  m eth o d s   h elp   to   b etter   u n d e r s tan d   th e   u n d er wate r   ac o u s tic  ch an n el  an d   d esig n   ef f ec tiv e  u n d er wa ter   co m m u n icatio n   s y s tem s   f o r   SAR   o p er atio n s .   Desp ite  th e  ap p licatio n   o f   th ese  m o d els  as   UW AC M,   a   u n iv er s al  UW A C M  th at  ca ter s   to   all  ap p licatio n s   an d   d iv er s e  o ce an   en v ir o n m en ts   r em ain s   u n d e f in ed .   Ho wev er ,   o n e  o f   th e   ex is tin g   UW AC M  f o r   SAR   o p er atio n   m o d el  [ 2 4 ]   p r im ar ily   ad d r ess es d ir ec t p ath   p r o p ag atio n ,   leav in g   a  g ap   in   u n d er s tan d in g   th e   im p ac ts   o f   v ar io u s   m u ltip ath s   in   d ee p - o ce a n   en v ir o n m en ts .   T h u s ,   f o r   SAR   m is s io n s   in   th e  d ee p   s ea ,   th e r e  is   a  n ee d   f o r   a  m o r e   ac cu r ate  an d   less   co m p le x   U W AC M.   Hen ce ,   to   o p tim ize   s ea r ch   ef f o r ts ,   th is   r esear ch   f o c u s es  o n   d e v elo p in g   a   m o d el  to   ac cu r ately   d eter m in e  b o th   T L   an d   SNR   f o r   d ir ec t  an d   v ar io u s   m u ltip ath s   o f   d ee p - s ea ,   u ltima tely   im p r o v in g   th e  s u cc ess   r ate  o f   r escu e  m is s io n s .     T h is   r esear ch   wo r k ' s   p r im ar y   co n tr ib u tio n s   ar e:   −   I n itially ,   th e  m o d el  g ets  v ar i o u s   en v ir o n m en tal  p a r am eter s   lik e  ch an n el  d ep t h ,   tr an s m it ter   an d   r ec eiv e r   d is tan ce ,   tem p er atu r e,   s alin ity ,   p H,   an d   o p er atin g   f r eq u en cy   as  in p u ts   to   ca lc u late  th e  ab s o r p tio n   co ef f icien t.   −   T h en ,   f o r   v a r io u s   r an g es,  th e  p r o p o s ed   m o d el  ca lcu lates T L   f o r   d ir ec t  p ath   p r o p ag atio n .   −   Nex t,  th e  m o d el  ca lcu lates  th e  T L   f o r   v ar io u s   m u ltip ath   p r o p ag atio n   m o d es  in   th e  d ee p   s ea ,   s u ch   as  S R ,   SD,  B B ,   C Z ,   DSC ,   an d   R AP.   −   T h is   m o d el  u s es  a  p ass iv e  s o n ar   eq u atio n   to   p r o v id e  a   m o r e  ac cu r ate  p ictu r e   o f   u n d er wate r   b ea co n   s ig n al  b eh av io r   in   th e  d ee p   s ea   b y   d eter m in in g   SNR   f o r   b o t h   d ir ec t  an d   v ar i o u s   m u ltip ath s .   Fo r   SN R   d eter m in atio n ,   th e   s o u r ce   lev e l  ( SL) ,  n o is e  lev el  ( NL ) ,   a n d   d ir ec tiv ity   in d e x   ( DI )   v alu es  ca n   b e   co n s id er ed   f r o m   th e   ex is tin g   liter atu r e,   w h er ea s   th e  p r o p o s ed   m o d el  f o c u s es p r im ar ily   o n   T L   an d   SNR   ca lcu latio n .   −   T h is   p ap er   co m p ar es  th e   r esu lts   with   ex is tin g   m o d els  to   en s u r e  ac cu r ac y .   T h is   is   cr itical   f o r   o p tim izin g   SAR   s tr ateg ies,  th er eb y   en h an cin g   th e  s u cc ess   r ate  o f   d ee p - s ea   r escu e  m is s io n s .     T h e  r est  o f   th e   p ap e r   is   s tr u ct u r ed   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   p r e s en ts   th e  p r o p o s ed   UW AC M  s y s tem   f o r   d ee p - s ea   SAR   o p er atio n s .   Sectio n   3   d is cu s s es th e  r esu lts   o f   SNR   f o r   d ir ec t a n d   v ar io u s   m u ltip ath s   in   th e  d ee p   s ea .   Sectio n   4   co n clu d es th e  p r im ar y   o u tco m es a n d   p r o v id es   th e  s co p e  f o r   f u t u r e  wo r k .       2.   P RO P O SE D  P ASS I V E   UW ACM F O R  DE E P   S E A  SAR   O P E RAT I O N   Fig u r e  1   p r esen ts   an   o v e r v iew   o f   UW AC M  f o r   d etec tin g   u n d er wate r   lo ca t o r   ac o u s tic  b ea c o n s   u s in g   p ass iv e  s o n ar   eq u atio n s .   T h e  d eter m in atio n   o f   SNR   is   cr itic al  in   d etec tin g   ac o u s tic  b ea co n s   f r o m   u n d er wate r   lo ca tio n   b ea c o n s   ( UL B s )   in   co m p lex   o ce an   en v ir o n m e n ts .   T h e   m u ltip ath   p r o p ag atio n   an d   am b ien t  n o is e  af f ec t  th e  esti m atio n   o f   SNR   as  s h o wn   in   Fig u r e  1 .   Acc u r ate  SNR   esti m atio n   is   ess e n tial  to   en s u r e   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th e  d etec tio n   p r o ce s s   in   v ar io u s   o ce an   c o n d i tio n s .   Fig u r e  2   p r o v i d es  th e  f lo w  d iag r am   f o r   th e  p r o p o s ed   UW AC M  f o r   SAR   o p er atio n ,   u s in g   a  p ass iv e  s o n ar   eq u atio n   to   d eter m in e  th e  SNR   o f   b o th   d ir ec t  an d   v ar io u s   m u ltip ath s   in   th e  d ee p   s ea .   T h is   r esear ch   co n ce n tr ates  o n   th e  d ee p - s ea   en v ir o n m en t  f o r   SAR   o p er ati o n s .   As  a  r esu lt,  th is   p ap er   p r o p o s es  a   UW AC M   f o r   d ir ec t  a n d   v ar io u s   m u ltip a th s   in   th e   d ee p   s ea   b ased   o n   a  p ass iv e  s o n ar   eq u atio n .   T h e   m o d el   lev er a g es  a   p ass iv e  s o n ar   eq u atio n   to   esti m ate  th e  SNR   [ 2 9 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 1 4 8 - 6 1 5 9   6150       Fig u r e  1 .   Pro p o s ed   UW AC M  f o r   SAR   o p er atio n   i n   d ee p   s ea           Fig u r e  2 .   W o r k   f lo w  d ia g r am   f o r   th e  p r o p o s ed   UW AC M   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A   p a s s ive  s o n a r   b a s ed   u n d erw a ter a co u s tic  ch a n n el  mo d el  fo r   imp r o ve d   …   ( A fs a r   A li Mo h a med   A b b a s )   6151   E q u atio n   ( 1 )   d ep icts   th is   r elatio n s h ip      =  −  −  +    ( 1 )     wh er e   (       1   µ    @   1   )   d en o tes  th e  s o u r ce   lev el,   in d icatin g   th e  s o u n d   p o we r   em itted   b y   th e  UL B .   T L   ( d B )   s ig n if ies  th e   tr an s m is s io n   lo s s ,   q u an tify i n g   th e  wea k en in g   o f   t h e  UL B   s ig n al  as  it  tr av els  th r o u g h   th e   wate r .    (       1   µ  )   d en o tes  th e  am b ien t  n o is e  lev el,   r ef lectin g   th e  b ac k g r o u n d   n o is e  p r esen t  in   th e  u n d er wate r   e n v ir o n m en t.  DI   ( d B )   r ep r esen ts   th e  d ir ec tiv ity   i n d ex   o f   th e  UL B   an d   r ec eiv er   s y s tem ,   ac co u n tin g   f o r   th e  f o c u s in g   o r   s p r ea d in g   o f   th e  ac o u s tic  s ig n al.   T h is   r esear ch   p r io r ities   d eter m in in g   T L   an d   SNR   f o r   b o th   d ir ec t  an d   v ar io u s   m u ltip ath   p r o p ag atio n   s ce n ar io s   in   th e   d e ep   s ea .   T ab le  1   p r o v id es  s p ec if ic  r ef er en ce   v alu es   th at  wer e  ad o p te d   b ased   o n   r e s ea r ch   [ 2 4 ]   f o r   th e  d eter m in atio n   o f   T L   an d   SNR   in   th is   r esear ch .       T ab le  1 .   R ef er en ce   v alu es f o r    ,   ,   DI   an d   o p e r atin g   f r eq u e n cy   P a r a me t e r   R e f e r e n c e   V a l u e s     1 6 0 . 5   d B   r e   1   µ P a   @   1   m      6 1   d B   r e   1   µ P a   DI   0   d B   O p e r a t i n g   f r e q u e n c y   o f   U L B   3 7 . 5   k H z       2 . 1 .     Det er m ina t io n o f   t ra ns m is s io n lo s s     I n   th e   d ee p - s ea   en v i r o n m e n t,   th e  d eter m in atio n   o f   tr an s m i s s io n   lo s s   ( T L )   p la y s   a  v ital  r o le  in   th e  ca lcu latio n   o f   SNR .   Hig h   T L   r estricts  th e  m ax im u m   d is tan ce   th at  en ab les  r eliab le  co m m u n icatio n .   T L   wea k en s   th e  s ig n al,   wh ile  b a ck g r o u n d   n o is e  r em ain s   r elati v ely   co n s tan t.  T h is   r ed u ce s   th e  SNR ,   m ak in g   it  h ar d er   t o   d em o d u late  th e  tr an s m itted   in f o r m atio n .   T h u s ,   T L   d eter m in atio n   u s in g   th e  ch a n n el  m o d el  h elp s   to   en s u r e  r eliab le  co m m u n icatio n .     I n   th e  d ee p   s ea ,   T L   is   p r im ar ily   r esp o n s ib le  f o r   ab s o r p ti o n   an d   s p r ea d in g   lo s s es.  T h e  s p h er ical   ex p an s io n   o f   t h e  ac o u s tic  wav e  as  it  tr av els  awa y   f r o m   th e  t r an s m itter   ca u s es  s p r ea d in g   lo s s   in   th e  d ee p   s ea .   Ho wev er ,   ab s o r p tio n   lo s s   p lay s   a  m o r e  cr itical  r o le,   co n v e r tin g   s o u n d   in te n s ity   in to   h ea t  en er g y .   T h is   lo s s   o cc u r s   in   b o t h   d ir ec t  an d   m u ltip ath   p r o p ag atio n   p ath s .   E q u atio n   ( 2 )   g i v es  th e  ab s o r p tio n   co ef f icien t  co n s id er ed   in   th is   p ap er   as  [ 3 0 ] ,     = 0 . 106 1 2 1 2 + 2 (  − 8 ) 0 . 56 + 0 . 52 ( 1 + 43 ) 35 2 2 2 2 + 2 − 6 + 4 . 9 ∗ 10 − 4 2 − ( 27 ⁄ + 17 ⁄ )   ( 2 )     wh er e      1 = 0 . 78 ( 35 ⁄ ) 1 2 26 ⁄     ( 3 )     a nd     2 = 42 17 ⁄     ( 4 )     T h is   eq u atio n   is   v alid   f o r     − 6 < < 35 0   ( = 35  ,  = 8 , = 0       7 . 7 <  < 8 . 3   ( = 10 0 , = 35  , = 0   5 < < 50    ( = 10 0 ,  = 8 , = 0   0 < < 7    ( = 10 0 , = 35    ,  = 8     T h e  f ir s t,  s ec o n d ,   an d   th ir d   ter m s   in   ( 2 )   r ep r esen t  th e  atten u atio n   r esu ltin g   f r o m   b o r i c  ac id   r elax atio n ,   m ag n esiu m   s u lp h ate  r elax atio n ,   an d   v is co u s   an d   co m p r ess iv e  lo s s es  in   p u r e  wate r .   T h e  eq u atio n   u s es  th e  v ar iab les    ( °C ) ,   wh ich   is   th e  wate r   tem p er atu r e,     ( p p t) ,   wh ich   is   th e  s al in ity   o f   th e  wate r ,     ( m ) ,   wh ich   is   th e  d ep th   o f   th e  u n d e r wate r   ch an n el,   an d     ( k Hz) ,   wh ich   is   th e   o p er atin g   f r eq u en cy   o f   t h e  U L B .   Giv en   th e  co m p lex   a n d   tim e - v ar y in g   n atu r e  o f   th e   o ce an ,   tem p er atu r e,   s alin ity ,   an d   p H  v a lu es  d if f er   s ig n if ican tly   ac r o s s   v a r io u s   r eg io n s .   T h e r ef o r e,   th is   r esear ch   f o c u s es  o n   a n aly zin g   th e   d ee p   I n d ian   Oce an   with   s p ec if ic  p ar am eter s   [ 3 1 ]   g iv en   in   T ab le  2 .   T h is   r e s ea r ch   ca lcu lates  th e  ab s o r p t io n   co ef f icie n t  as    6 . 5 7   d B /k m   f o r   d ee p - s ea   an aly s is   at  a  d ep th   o f   =3 , 0 0 0   m eter s   b y   s u b s titu tin g   th ese  v alu es  in to   ( 2 ) .   I n   th i s   r esear ch ,   b o th   d ir ec t  an d   v ar io u s   m u ltip ath s   o f   d ee p   wate r   u s e  th is   ab s o r p tio n   co e f f i cien t  v alu e.   I n   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 1 4 8 - 6 1 5 9   6152   f o llo win g   an aly s is ,     an d     d en o te  th e  a b s o r p tio n   co e f f icien t  i n   d B /k m   an d   th e   tr an s m is s io n   r an g e  in   m eter s ,  r esp ec tiv ely .       T ab le  2 .   Simu latio n   p ar am eter s   f o r   d ee p - wate r   T L   ca lcu latio n   P a r a me t e r s   V a l u e s   Te mp e r a t u r e   ( T)   2   ° C   S a l i n i t y   ( S )   3 4   p p t   pH   8       2 . 1 . 1 .   T L   f o r  direct   pa t h pro pa g a t io n in dee p wa t er     I n   UAC,  th e  d ir ec t  p ath   r ef er s   to   th e  s tr aig h t - lin e  tr ajec to r y   th r o u g h   wh ich   s o u n d   wav es  tr av el  f r o m   th e  s o u r ce   t o   th e   r ec eiv er .   De s p ite  ap p ea r in g   to   b e  th e   m o s t  ef f icien t  p ath ,   T L   s till   o cc u r s   alo n g   t h e  d ir ec t  p ath   as  a  r esu lt  o f   s p r ea d in g   l o s s .   I n   d ee p   wate r ,   s p h e r ical  s p r ea d in g   an d   ab s o r p tio n   p r o v i d e  th e  T L   f o r   d ir ec t   p ath   p r o p ag atio n   [ 3 2 ]   as   ( 5 ) .      = 20 l og 10   +         10 − 3   ( 5 )     T h e  d ir e ct  p at h   r e p r esen ts   th e   id ea l  s ce n ar i o   with   m in im al   r ef lectio n s   an d   in ter ac tio n s   with   th e   en v i r o n m e n t.   W h en   th e  T L   o n   th e   d ir ec t  p a th   is   co m p ar e d   with   th e   o v e r a ll  r ec eiv ed   s ig n al  s tr en g th ,   t h e  ad d itio n al  l o s s e s   d u e  to   m u ltip ath   p r o p ag ati o n   a n d   o th e r   f ac to r s   ca n   b e  esti m ated .     2 . 1 . 2 .   T L   f o r  m ultipa t h pro pa g a t io n in dee p wa t er   R ea l - tim e  T L   p r ed ictio n s ,   b ased   o n   f ac to r s   lik e  d ep th   an d   w ater   co n d itio n s ,   aid   in   d y n am i c  d ec is io n - m ak in g   d u r in g   SAR   o p er atio n s .   T h is   en ab les  S AR   team s   to   p r io r itize  s ea r ch   ar ea s   s o   th at   th ey   f o cu s   s ea r ch   ef f o r ts   o n   ar ea s   with   lo we r   p r ed icted   T L ,   w h er e  th e   ch an ce s   o f   d etec tin g   s u r v iv o r s   a r e  h i g h er .   W h ile  ex is tin g   ch an n el  m o d els  in v o l v e  m o r e   co m p lex   alg o r ith m s   to   d eter m in e  T L ,   th is   m o d el  s im p lifie s   th is   p r o ce s s   b y   u s in g   m ath em atica l  eq u atio n s   to   ca lcu late  th e  T L   o f   v ar io u s   m u ltip ath s   in   th e  d ee p   s ea .   T h e  m u ltip ath s   in   d ee p   wate r   a r e  d u e  to   SR ,   SD,  B B ,   C Z ,   DS C ,   an d   R AP.  I m p lem en tin g   th e   T L   e x p r ess io n s   in   th ese   p r o p a g atio n   p ath s   allo ws  u s   t o   d esig n   th e  T L   m o d el   f o r   d e ep   wate r .   T h e  f o llo win g   a n aly s is   d em o n s tr ates  th e  T L   d eter m in atio n   f o r   th ese  v ar io u s   m u ltip ath   p r o p ag atio n   p ath s   in   a  d ee p - wate r   en v ir o n m en t.  Kn o win g   th e   SNR   f o r   th ese  v ar io u s   m u ltip a th   p r o p ag atio n   p ath s   co u l d   im p r o v e  t h e  SAR   ap p licatio n ' s   p er f o r m a n ce .   a.   Su r f ac e  r ef lectio n   ( SR )   T h e  SR   is   u s ed   to   r ef er   to   th e  b o u n ci n g   b ac k   o f   s o u n d   f r o m   th e  s u r f ac e   o f   th e   o ce an .   T h e  ter m   R ay leig h   p ar am eter   R   p r o v id e s   th e  o ce an   s u r f ac e   ac o u s tic  r o u g h n ess   as  [ 3 2 ] .     =  s in     ( 6 )     I n   ( 6 ) ,    in d icate s   th e  cr est - to - t r o u g h   r m s   wav e  h eig h t,  th e  ac o u s tic  wav en u m b er   is   = 2 ⁄   an d   θ  is   th e   g r az in g   a n g le.   T h e  to tal     f o r   th is   p r o p ag atio n   is   g iv en   b y   ( 7 ) .      = 20   +  ∗ 10 − 3 +        ( 7 )     wh er e     is   th e  d ee p - wate r   s u r f a ce   r ef lectio n   tr a n s m is s io n   lo s s .   I t is g iv en   b y   ( 8 ) :      = 10  [ 1 + ( + 1 ) 2 1 + ( + 2 ) 2 ] − ( 1 + ( 90 − ) 60 ) ( 30 ) 2     ( 8 )     wh er e  1 = √ 10 2   an d   2 = 378 − 2   in   w h ich   w  is   th e   win d   s p ee d   in   k n o ts ,   a n d   θ  is   th e  h o r izo n tal   an g le   o f   in cid en ce   in   d eg r ee s .   Fo r   t h is   an aly s is   to   f in d   T L ,   win d   s p ee d   = 1 0   k n o ts ,   =   30 °   v alu es a r e  c o n s id er ed .     b.   Su r f ac e  d u ct  ( SD)   W h en   th er e  is   a   p o s itiv e  tem p er atu r e  g r ad ien t  i n   th e   s u r f ac e   lay er ,   ac o u s tic  wav es  ca n   b e n d   b ac k   to   th e  s u r f ac e  an d   r e f lect  b ac k   in to   th e  lay er   o f f   th e  s u r f ac e,   r e s u ltin g   in   s u r f ac e  d u ct.   T h e  T L   m o d el  eq u atio n s   f o r   s u r f ac e   d u ct  a r e:      = 20   + ( + ) ∗ 10 − 3      < 350 1 2 ⁄   , ℎ            ( 9 )     an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A   p a s s ive  s o n a r   b a s ed   u n d erw a ter a co u s tic  ch a n n el  mo d el  fo r   imp r o ve d   …   ( A fs a r   A li Mo h a med   A b b a s )   6153    = 10  0 + 10   + ( + ) ∗ 10 − 3      > 350 1 2 ⁄ ,           ( 1 0 )     wh er e  10  0 = 20 . 9 + 5     in   wh ich     is   th e  m ix ed - lay er   d ep th   ( ML D)   in   m eter s   ( =   8 0   to   2 2 0   f ee t) ,   an d     = 26 . 6 ( 1 . 4 ) [ ( 1452 + 3 . 5 ) ] 1 2 ⁄   ( 1 1 )     I n   ( 11 ) ,    is   th e  s ea   s tate  n u m b er   ( =   2   to   5 )   a n d   T   is   th e  tem p e r atu r e.   T h e   T L   f o r   th is   s ce n ar io   is   o b tain ed   b y   s u b s titu tin g   m ix e d   lay er   d ep th     o f   1 0 0   f ee t,   th en   =   3 0 . 4 8   m ,   tem p er atu r e   =   2   ° C   an d   s ea   s tate  n u m b er   S =   2 .   B y   s u b s titu tin g   th ese  v alu es in to   ( 11 ) ,   th e   v alu e  o f     is   9 . 3 .   c.   B o tto m   b o u n ce   ( B B )   T h e  R ay leig h   f o r m u la  f ig u r es   o u t  h o w  m u ch   s o u n d   is   r ef le cted   wh en   it  h its   a  f lat  s u r f ac e  b etwe en   two   f lu id s   th at  h av e  d if f er e n t  d en s ities   ( 1   an d   2 )   an d   s o u n d   s p ee d s   ( 1   an d   2 )   at  a  g r az in g   an g le  o f   θ 1 .  T h is   r atio   o f   th e  i n ten s ity   o f   t h e  r ef lecte d   wav e  ( )   to   th e  in t en s ity   o f   th e  in cid e n t  wav e  ( )   r ep r esen ts   th is   r ef lectio n   lo s s .   T h e     d u e  to   d ee p   wate r   b o tto m   b o u n ce   r e f lectio n   lo s s   is   d en o ted   b y      an d   is   g iv en   b y   ( 1 2 ) ,      = 10  [ ⁄ ]   ( 1 2 )      = 10  ( [  1 − ( 2 − co s 2 1 ) 1 2 ⁄ s i n 1 + ( 2 − co s 2 1 ) 1 2 ⁄ ] 2 )     ( 1 3 )     in   wh ich   = 2 1   an d   = 1 2 .   T h e  atten u atio n   co ef f icien t    ca u s ed   b y   s ed i m en t  p r esen ce   o n   th e  o ce an   f lo o r   ca n   b e  g i v en   as   ( 1 4 ) ,     =     ( 1 4 )     wh er e    is   th e  em p ir ical  c o n s ta n t,  an d   it  is   u s u ally   1 ,     is   th e  f r eq u e n cy   in   k Hz  a n d   k   d ep e n d s   o n   p o r o s ity ,   an d   its   v alu e   is   0 . 5   o v er   th e  p o r o s ity   r a n g e  o f   3 5 %  to   6 0 %.  T h e  ter m   "  "  is   u s ed   to   r e f er   to   t h e  s o u n d   r ef lectio n   f r o m   th e  o ce an   f lo o r .   T h e  to tal  T L   in   th e  b o tto m   b o u n ce   is ,       = 20   +  ∗ 10 − 3 + + |    |     ( 1 5 )     T h e  v alu es  o f      ar e  4 ,   1 6 ,   1 0 ,   a n d   6   d B   f o r   s an d y   b o tto m ,   cla y ed   m u d ,   m u d d y   v er y   f in e  s an d ,   an d   s an d - mud - clay   r esp ec tiv ely   [ 2 9 ] .   Her e,   α s   =  1 8 . 7 5   as o b tain e d   f r o m   ( 14 )   f o r   n   =   1 ,   f   =  3 7 . 5   k Hz,   an d   k   =  0 . 5 .   d.   C o n v er g en ce   z o n e  ( C Z )   I n   th e  d ee p   s ea ,   ac o u s tic  p r o p ag atio n   f r o m   a  s h allo w  s o u r ce   led   to   th e  cr ea tio n   o f   C Z ,   wh er e  s o u n d   r ay s   in ter s ec t  an d   c r ea te  ar ea s   o f   h ig h er   in ten s ity .   T h e  o c cu r r en ce   o f   C Z   d e p en d s   o n   t h e  s o u n d - v elo city   p r o f ile  ( SVP),   with   s p ec if ic  r eq u ir em en ts   s u ch   as  th e   d ep th   ex ce s s   b etwe en   th e   o ce a n   b o tto m   an d   th e  d ep t h   wh er e  th e   u p p er   s o u n d   r ay   b ec o m es  h o r izo n tal.   I f   th e  wat er   is   n o t   d ee p   en o u g h ,   t h e  b o tto m   r ef lects  s o u n d   wav es,  p r ev en tin g   co n v er g e n c e  zo n es f r o m   f o r m in g .   T h e  to t al     in   th e  co n v er g e n ce   zo n e  is   g iv en   b y   ( 1 6 ) :      _  = 20   +  ∗ 10 − 3 −      ( 1 6 )     wh er e     is   th e     g ain ,   a n d   it  is   b etwe en   5   a n d   2 0   d B .   T h is   p lo t   is   o b tain ed   b y   s u b s titu tin g   a   co n v er g en ce   zo n e  g ain   o f   1 0   d B .   e.   Dee p   s o u n d   c h an n el  ( DSC )   T h e  SVP  in   th e  d ee p   s ea ,   with   a  m in im u m   v elo city   at  m id - latitu d es  an d   n ea r   t h e  s u r f ac e  in   p o la r   r eg io n s ,   cr ea tes  th e  DSC ,   al s o   k n o wn   as  th e  s o u n d   f i x in g   an d   r an g in g   ( SOFAR )   ch an n el.   T h is   m in im u m   v elo city   ca u s es  s o u n d   r ay s   t o   b e  b en t  to war d s   th e  m in i m u m   s p ee d   d ep th ,   lead in g   t o   ex ce llen t  s o u n d   p r o p a g atio n   o v er   lo n g   r a n g es  with   m in im al  ac o u s tic  lo s s es  f r o m   r e f lectio n   an d   lo w  T L ,   e s p ec ially   wh en   th e  tr an s m itter   an d   r ec eiv er   a r e  p o s itio n ed   n ea r   th e  d ep th   o f   m in im u m   v elo city .   Ho we v er ,   if   th e  tr an s m itter   is   at   lo w  d ep th s ,   th e  DSC   ca n   in cl u d e  C Z   an d   s h ad o w  zo n es,  wh er e  s o m e  r ay s   m ay   b e  r ef lect ed   at  th e  s ea   s u r f ac e  an d   b o tt o m   o r   r ef r ac te d   an d   r e f lecte d   f r o m   eith er   o f   th em .   T h e     f o r   a  DSC   is   g iv en   b y   ( 1 7 ) :       = 10  0 + 10   +  ∗ 10 − 3     ( 1 7 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 1 4 8 - 6 1 5 9   6154   wh er e  0   is   th e  cy lin d r ical  to   s p h er ical  s p r ea d in g   tr a n s itio n   r an g e  an d   is   d e f in ed   as   ( 1 8 ) ,     0 = ( 8 ) ( ) 1 2 ⁄     ( 1 8 )     in   wh ich     is   th e  s k ip   d is tan ce ,     is   th e  s o u r ce   d e p th ,   a n d     is   th e  ax is   d ep th .   T h e  s k ip   d is tan ce     is   g iv e n   by   ( 1 9 ) :     = 2 ( + ) ( 2  ∆ ⁄ ) 1 2 ⁄   ( 1 9 )     in   wh ich   ( + )   is   th e  c h an n el   v er ti ca l  ex ten t,     is   th e  m a x im u m   c h an n el  s o u n d   s p ee d ,   a n d   ∆   is   th e  d if f er en ce   b etwe en      an d   th e   s o u n d   s p ee d   o n   th e   ch an n el  ax is   .   I n   th is   an aly s is ,   th e  p ar am eter s   co n s id er ed   a r e  = 3 7 . 5   k Hz,      =  1 , 5 0 0   m /s ,      =  1 0 0   m /s ,     =  1 , 500   m /s   an d     =  1 , 5 0 0   m /s ,   an d       =    = 3 , 0 0 0   m ete r s .   f.   R eliab le  ac o u s tic  p ath   ( R AP)   I f   th e  tr an s m itter   is   s itu ated   in   th e  d ee p   s ea   an d   th e  r ec eiv er   is   p o s itio n ed   in   a  s h allo w  ar ea ,   s o u n d   p r o p a g atio n   to   m o d e r ate  r an g es  o cc u r s   v ia  a  R AP.  T h e  R AP  is   tr u s two r th y   as  it  is   u n af f ec ted   b y   b o tto m   r ef lectio n   o r   n ea r - s u r f ac e  ef f e cts,  an d   th e  f o r m u la  ca n   ap p r o x im ate  its   TL   is   g iv en   as   ( 2 0 ) .      = 20   +  ∗ 10 − 3   ( 2 0 )     wh er e    is   th e  s lan t r an g e.       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   Fo r   th e  SAR   ap p licatio n ,   T L   an d   SNR   ar e  cr u cial  U AC M   p ar am eter s   to   esti m ate.   A  h i g h er   SNR   in d icate s   a  clea r er   s ig n al  an d   ea s ier   d etec tio n .   E q u atio n   ( 1 )   d eter m in es  th e  SNR   in   th is   p r o p o s ed   m o d el.   T h e   T L   v s .   r an g e  an aly s is   an d   SNR   ca lcu latio n   f o r   d ir ec t  an d   m u ltip ath   p r o p ag atio n   o f   d ee p   s ea   f o r   v ar io u s   r an g es a r e  an al y ze d   in   s ec tio n s   3 . 1   an d   3 . 2 .     3 . 1 .     T ra ns m is s io n lo s s   v s   ra ng e  a na ly s is   Fig u r e  3   d is p lay s   th e  p lo t  o f   t h e  tr an s m is s io n   lo s s   ( TL )   an al y s is   f o r   b o th   d ir ec t  a n d   v a r io u s   ca s es  o f   m u ltip ath   p r o p a g atio n   o f   d ee p   wate r .   T ab le  3   tab u lates  th e   v alu es  o f   T L   f o r   v ar io u s   r an g es.   I n   T ab le   3 ,   th e   n o tatio n s   f o llo wed   a r e:  s an d y   b o tto m   ( SB ) ,  clay ed   m u d   ( CM ) ,  m u d d y   v e r y   f i n e  s an d   ( M VFS ) ,  s an d   m u d   cla y   ( SMC ) .           Fig u r e   3 .   T L   v s   r an g e  in   d i f f er en t m u ltip ath   p r o p a g atio n   s ce n ar io s   o f   d ee p - wate r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A   p a s s ive  s o n a r   b a s ed   u n d erw a ter a co u s tic  ch a n n el  mo d el  fo r   imp r o ve d   …   ( A fs a r   A li Mo h a med   A b b a s )   6155   T ab le  3 .   T L   i n   d if f e r en t m u ltip ath   p r o p ag atio n   o f   d ee p - wate r   f o r   v ar io u s   r a n g es   R a n g e   ( m)   TL  f o r   d i r e c t   p a t h     ( d B )   TL  f o r   mu l t i p a t h   p r o p a g a t i o n   ( d B )   SR   SD   BB - SB   BB - CM   BB - M V F S   BB - S M C   CZ   D S C   R A P   1 0 0   41   52   50   47   59   53   49   21   54   41   5 0 0   58   69   63   71   83   77   73   37   63   57   1 , 0 0 0   67   78   74   89   1 0 1   95   91   47   70   67   3 , 0 0 0   89   1 0 1   1 1 1   1 5 0   1 6 2   1 5 6   1 5 2   69   88   89   5 , 0 0 0   1 0 7   1 1 8   1 4 5   2 0 5   2 1 7   2 1 1   2 0 7   87   1 0 3   1 0 7   8 , 0 0 0   1 3 1   1 4 2   1 9 4   2 8 5   2 9 7   2 9 1   2 8 7   1 1 1   1 2 5   1 3 1   1 0 , 0 0 0   1 4 6   1 5 7   2 2 7   3 3 7   3 4 9   3 4 3   3 3 9   1 2 8   1 3 9   1 4 6       Fig u r e   3   s h o ws  th e  T L   v s .   r a n g e  f o r   d ir ec t  an d   v a r io u s   m u ltip ath s   in   a  d ee p - s ea   en v ir o n m en t.  T h e   co r r esp o n d in g   v al u es a r e  tab u l ated   in   T ab le  3   f o r   a  d e p th   o f   3 , 000   m   an d   f o r   an   o p er atin g   p in g er   f r e q u en c y   o f   3 7 . 5   k Hz.   Fro m   th e  p lo t,  it  is   o b s er v ed   th at  as  th e  r an g e  in c r ea s es,  th e  T L   in cr ea s es.  T h o u g h   th e  ab s o r p tio n   co ef f icien t  is   lo wer   in   d ee p   wate r   wh en   co m p a r ed   to   s h al lo w  wate r ,   th e  T L   is   h ig h er   i n   d ee p   wate r   d u e  to   s p h er ical  s p r ea d in g .   T h e  d eter m in atio n   o f   T L   v alu es  h elp s   to   f in d   SNR   f o r   v ar io u s   UAC a p p licatio n s .   T h e  T L   f o r   s u r f ac e  r ef lectio n   m u ltip ath   p r o p ag atio n   in cr ea s es  as  th e  r an g e  in cr ea s es.  I t  is   b ased   o n   th e  o p e r atin g   f r eq u en cy ,   win d   s p ee d ,   an d   g r az in g   an g le.   B ased   o n   th e   o p er atin g   f r e q u en cy ,   m ix ed   lay er   d ep th ,   an d   tem p er atu r e,   s u r f ac e  d u ct  T L   in cr ea s es  as  th e  r an g e  in cr ea s es.  T h e  T L   f o r   lo n g   r an g es  is   v er y   h ig h   in   s u r f ac e  d u ct  e n v ir o n m en ts .   Dep en d in g   o n   th e  o p er a tin g   f r eq u en cy   a n d   b o tto m   ty p es,  th er e  is   a  co n s id er ab le  tr a n s m is s io n   lo s s   v ar iatio n   f o r   a   b o tto m   b o u n ce ,   s an d y   b o tto m ,   clay ed   m u d ,   m u d d y   v er y   f in e   s an d ,   an d   s an d - m u d - clay   m u lt ip ath   p r o p a g atio n   o f   d ee p   wat er .   C o m p a r ed   with   all  th e   o th e r   ca s es,  th e  b o tto m   b o u n ce   T L   is   h ig h   f o r   lo n g   r a n g es.  B ased   o n   th e  o p e r atin g   f r eq u e n cy   an d   co n v er g en ce   z o n e  g ain ,   t h er e  is   an   in cr ea s e  in   T L   f o r   in cr ea s ed   r a n g es f o r   a  co n v er g en ce   m u ltip ath   p r o p a g atio n   o f   d ee p   wate r .   Dep en d in g   o n   th e   o p er atin g   f r eq u en cy ,   s p ee d   o f   s o u n d ,   an d   d e p th   o f   s o u r c e  an d   r ec eiv er ,   t h er e  is   an   in cr ea s e  in   T L   f o r   in cr ea s ed   r an g es  f o r   DSC   m u ltip ath   p r o p ag atio n   o f   d ee p   w ater .   T h e  o p er atin g   f r e q u en c y   an d   r an g e  b etwe en   s o u r ce   an d   r ec eiv er   i n   R AP in cr ea s e  T L   f o r   i n cr ea s ed   r an g es.    T h u s ,   SAR   o p er atio n s   s h o u ld   p r io r itize  p ath s   with   lo wer   T L   f o r   co m m u n icatio n .   Ad ju s tm en ts   to   tr an s m itter   p o wer   an d   r ec ei v er   s en s itiv ity   ar e  ess en tial  to   co m p en s ate  f o r   h ig h er   T L   in   ce r tain   p ath s ,   p ar ticu lar ly   f o r   s u r f ac e   r e f lectio n   an d   b o tto m   b o u n ce   s ce n ar io s .   Un d e r s tan d in g   th e   im p ac t  o f   th e   s ea f lo o r   ty p e  an d   wate r   s u r f ac e  co n d itio n s   o n   T L   h el p s   in   p la n n in g   SAR   o p er atio n s   m o r e  ef f ec tiv el y ,   en s u r i n g   r o b u s t   co m m u n icatio n   an d   d etec tio n   s tr ateg ies.  I n co r p o r atin g   m u l tip le  p r o p a g atio n   p ath s   in to   t h e  co m m u n icatio n   s tr ateg y   en s u r es  r ed u n d a n cy   an d   f lex ib ilit y ,   cr u cial  f o r   h an d lin g   d y n am ic  an d   ch al len g in g   d ee p - wate r   en v ir o n m en ts .     3 . 2 .     Sig na l - to - no is e  ra t io   v s   ra ng e  a na ly s is   T h e  SNR   is   ca lcu lated   f o r   d ee p - wate r   d ir ec t  a n d   m u ltip ath   p r o p ag atio n   an d   is   s h o wn   in   T a b le  4 .   I t   is   ev alu ated   f o r   a  d e p th   o f   3 , 0 0 0   m ,   at  an   o p er atin g   f r eq u en cy   o f   3 7 . 5   k Hz,   SL= 1 6 0 . 5   d B ,   N L =6 1   d B ,   DI =0   d B ,   an d   th e  ca lcu lated   v alu es  o f   T L   p r o v id ed   in   T ab le  3 .   T h ese  p ar am eter s   ar e  cr itical  f o r   ac cu r ate  SNR   co m p u tatio n .   T h e  ca lc u lated   SNR   v alu es p r o v id e  in s ig h ts   in t o   s ig n al  d etec tab ilit y .       T ab le  4 .   SNR   ca lcu latio n   f o r   d ir ec t a n d   v a r io u s   m u ltip ath   p r o p ag atio n   o f   d ee p - wate r   R a n g e   ( m)   D i r e c t   p a t h   S N R     ( d B )   M u l t i p a t h   S N R   ( d B )   SR   SD   BB - SB   BB - CM   BB - M V F S   BB - S M C   CZ   D S C   R A P   1 0 0   5 8 . 5   4 7 . 5   4 9 . 5   5 2 . 5   4 0 . 5   4 6 . 5   5 0 . 5   7 8 . 5   4 5 . 5   5 8 . 5   5 0 0   4 1 . 5   3 0 . 5   3 6 . 5   2 8 . 5   1 6 . 5   2 2 . 5   2 6 . 5   6 2 . 5   3 6 . 5   4 2 . 5   1 0 0 0   3 2 . 5   2 1 . 5   2 5 . 5   1 0 . 5   - 1 . 5   4 . 5   8 . 5   5 2 . 5   2 9 . 5   3 2 . 5   3 0 0 0   1 0 . 5   - 1 . 5   - 1 1 . 5   - 5 0 . 5   - 6 2 . 5   - 5 6 . 5   - 5 2 . 5   3 0 . 5   1 1 . 5   1 0 . 5   5 0 0 0   - 7 . 5   - 1 8 . 5   - 4 5 . 5   - 1 0 5 . 5   - 1 1 7 . 5   - 1 1 1 . 5   - 1 0 7 . 5   1 2 . 5   - 3 . 5   - 7 . 5   8 0 0 0   - 3 1 . 5   - 4 2 . 5   - 9 4 . 5   - 1 8 5 . 5   - 1 9 7 . 5   - 1 9 1 . 5   - 1 8 7 . 5   - 1 1 . 5   - 2 5 . 5   - 3 1 . 5   1 0 , 0 0 0   - 4 6 . 5   - 5 7 . 5   - 1 2 7 . 5   - 2 3 7 . 5   - 2 4 9 . 5   - 2 4 3 . 5   - 2 3 9 . 5   - 2 8 . 5   - 3 9 . 5   - 4 6 . 5       Fig u r e   4   p r o v id es  v alu ab le  in s ig h ts   in to   th e  SNR   f o r   b o th   d ir ec t  p ath   an d   v ar i o u s   m u ltip ath   p r o p a g atio n   s ce n ar io s   in   d ee p - wate r   en v ir o n m en ts .   As  ex p e cted ,   d u e  to   s ig n al  atten u atio n   o v er   d is tan ce ,   t h e   SNR   d ec r ea s es  as  th e  r an g e   in cr ea s es.  All  s ce n ar io s   c o n s is ten tly   o b s er v e  th is   tr e n d .   Dif f er en t  m u ltip ath   s ce n ar io s   ex h ib it  d is tin ct  p att er n s   o f   s ig n al  atten u atio n   c o m p ar ed   to   th e  d ir ec t   p ath .   M u ltip ath s   s u ch   as  SR ,   SD,  an d   B B ,   lead   to   ad d itio n al  s ig n al  d eg r ad atio n ,   r esu ltin g   in   lo wer   SNR   v alu es.  E n v i r o n m en tal  f ac t o r s ,   s u ch   as seab ed   co m p o s itio n   an d   wate r   d ep th ,   p lay   a n   im p o r tan t r o le  in   s h ap i n g   th e  p r o p ag at io n   ch ar ac ter is tics   an d   s ig n al  q u ality .   Fo r   in s ta n ce ,   s ce n ar io s   in v o l v in g   b o tt o m   b o u n ce   o n   d if f e r en t  ty p e s   o f   s ea   b ed s   s h o w   v ar y in g   d eg r ee s   o f   s ig n al  atte n u atio n .   T h e  co n v er g en ce   z o n e  s ce n ar io   d em o n s tr ates  a  u n i q u e  b e h av io r   wh er e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 1 4 8 - 6 1 5 9   6156   th e  SNR   in itially   in cr ea s es  with   r an g e  b ef o r e  d ec r ea s in g   ag ain .   T h is   b eh av io r   is   ch ar ac ter is tic  o f   th e   co n v er g en ce   o f   ac o u s tic  r ay s   at  s p ec if ic  d ep th s ,   lead i n g   to   en h an ce d   s ig n al  s tr en g th   with in   th e  co n v er g en ce   zo n e.   T h e  d ee p   s o u n d   ch a n n el  s ce n ar io   ex h ib its   r elativ ely   s tab le  SN R   v alu es  ac r o s s   d if f er en t  r an g es  co m p ar ed   to   o t h er   s ce n ar io s .   T h is   in d icate s   th e  p r esen ce   o f   a  d ee p   s o u n d   c h an n el  wh er e  ac o u s tic  s ig n als   p r o p a g ate  with   m in im al  atten u atio n ,   r esu ltin g   in   co n s is ten t SNR   v alu es o v er   d is tan ce .           Fig u r e  4 .   SNR   f o r   d ir ec t a n d   v ar io u s   m u ltip ath   p r o p a g atio n   o f   d ee p - wate r       Fig u r e  5   d is p lay s   SNR   co m p ar is o n   o f   p r o p o s ed   a n d   ex is tin g   [ 2 4 ]   UW AC M  f o r   d ir ec t  p ath   p r o p a g atio n   o f   d ee p - wate r   at   a  d ep th   o f   3 , 000   m .   T h e   p r o p o s ed   UW AC M  s ig n if ican tly   o u tp er f o r m s   th e   ex is tin g   m o d el   in   te r m s   o f   SNR   f o r   d ir ec t   p ath   p r o p ag atio n   at  all  test ed   r an g es  ( 1 0 0   to   1 0 , 0 0 0   m ete r s ) .   T h e   p r o p o s ed   m o d el  c o n s is ten tly   ex h ib its   h ig h er   SNR   v alu es,  in d icatin g   b etter   s ig n al  tr an s m is s io n   q u ality   an d   im p r o v e d   n o is e  m itig atio n .   T h is   en h an ce m en t  is   cr u cial  f o r   ap p licatio n s   s u ch   as  b lack   b o x   d etec tio n   an d   s ea r ch   an d   r escu e   o p er atio n s   in   d ee p   s ea   en v ir o n m en ts .           Fig u r e  5 .   SNR   co m p ar is o n   o f   p r o p o s ed   an d   e x is tin g   UW AC M  f o r   d ir ec t   p ath   p r o p a g atio n   o f   d ee p - wate r     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A   p a s s ive  s o n a r   b a s ed   u n d erw a ter a co u s tic  ch a n n el  mo d el  fo r   imp r o ve d   …   ( A fs a r   A li Mo h a med   A b b a s )   6157   Un d er s tan d in g   th e   d if f e r en t  p r o p ag atio n   p ath s   h elp s   in   p lan n in g   t h e  o p er atio n al   r an g e  a n d   ch o o s in g   th e  ap p r o p r iate  c o m m u n icatio n   s y s tem s .   Fo r   in s tan ce ,   k n o win g   th at  c o n v e r g en ce   zo n es  an d   d ee p   s o u n d   ch an n els  s u p p o r t  lo n g e r   r an g es  allo ws  f o r   s tr ateg ic  d ep lo y m en t  o f   ass ets.  Ar ea s   with   ex p ec ted   lo w  SNR     ( e. g . ,   ce r tain   b o tto m   b o u n ce   p ath s )   ca n   b e  id e n tifie d   as  c h al len g in g   f o r   co m m u n icatio n ,   p r o m p tin g   th e   n ee d   f o r   alter n ativ e  m eth o d s   o r   m o r e  f r e q u en t  r elay   p o in ts .   C h o o s in g   th e  r ig h t  ac o u s ti c  eq u ip m en t  ( e. g . ,   tr an s d u ce r s ,   r ec eiv er s )   th at  ca n   o p tim ize  th e  SNR   f o r   s p ec if ic  p ath s   will  im p r o v e  th e  ef f i cien cy   an d   s u cc ess   r ate  o f   SAR   o p er atio n s .   SAR   t ea m s   ca n   ad ap t th eir   s tr ateg ies b ased   o n   th e  en v ir o n m en tal  c h ar ac ter is tics   ( e. g . ,   b o tto m   ty p e,   p r esen ce   o f   d u ct s ) ,   en s u r in g   b etter   p r ep ar ed n e s s   an d   r esp o n s e  in   d if f er en t  d ee p - s ea   s ce n ar io s .   T h u s ,   th e  SNR   r esu lts   p r o v id e  a  d etailed   u n d er s tan d in g   o f   h o w  d if f er e n t  ac o u s tic  p r o p ag atio n   p ath s   p er f o r m   in   a  d ee p - s ea   en v ir o n m en t,  d ir ec tly   in f l u en cin g   th e  s tr at eg ies  an d   e f f ec tiv en ess   o f   s ea r ch   an d   r escu e   o p er atio n s .   Un d er s tan d in g   th e  v ar iatio n s   in   SNR   u n d er   d if f er en t  p r o p a g atio n   s ce n ar io s   is   cr u cial  f o r   d esig n in g   r o b u s t  u n d er wate r   co m m u n ica tio n   s y s tem s   s u ch   as  SAR   ap p licatio n s .   T h e  s p ec if ic  en v ir o n m en tal  co n d itio n s   en co u n ter e d   in   d ee p - wate r   en v ir o n m e n ts   s h o u ld   tailo r   s tr ateg ies  f o r   m itig atin g   m u ltip at h   in ter f er en ce   an d   o p tim izin g   s ig n al  tr a n s m is s io n .   Ov er all,   th e   f in d i n g s   u n d er s co r e  th e  c o m p lex ity   o f   s o u n d   p r o p a g atio n   in   d ee p   o ce an   s ce n ar io s   an d   h ig h lig h t  th e  im p o r tan ce   o f   c o n s id er in g   m u ltip ath   ef f ec ts   wh en   d esig n in g   an d   d e p lo y in g   u n d er wate r   co m m u n icatio n   s y s tem s .   T h ese  f in d in g s   o f   th e  m o d el  in tr o d u ce d   in   th is   p ap er   clo s ely   alig n   with   ex is tin g   liter atu r e  [ 2 2 ] ,   [ 2 4 ] ,   d em o n s tr atin g   a  h ig h   lev el  o f   c o n s is ten cy   an d   v alid atio n .       4.   CO NCLU SI O N   T h i s   p ap e r   in tr o d u ce s   an   u n d er w at er   ac o u s ti c  ch an n el   m o d el   b a s ed   o n   th e  p a s s iv e   s o n ar   e q u a tio n   m eth o d ,   s p e ci f i ca lly   t ai lo r ed   f o r   d e ep - s e a  en v ir o n m en t s   an d   ta r g e ted   to war d s   S A R   o p er at io n s .   T h e  m o d e l   ad d r e s s e s   th e  ch a ll en g e s   p o s e d   b y   h ig h   T L ,   m u l tip ath   p r o p ag at io n ,   a n d   am b i en t  n o i s e,   wh i ch   s ig n i f i ca n tly   im p a ct  th e  SN R   an d   co m m u n ica t io n   e f f e ct iv en e s s   in   d ee p - s ea   s c en ar io s .   B y   f o cu s in g   o n   ch a r ac te r i zin g   SN R   t h r o u g h   an   in - d ep th   an a ly s i s   o f   T L   f o r   v ar io u s   m u l ti p ath   p r o p ag a tio n   m o d e s ,   in c l u d in g   S R ,   SD ,   B B ,   C Z ,   D S C ,   an d   R A P,  th is   wo r k   f il l s   a  cr i ti ca l  g ap   in   e x i s tin g   li ter atu r e  b y   p r o v id in g   co m p r eh en s iv e  in s ig h t s   in to   SN R   d e te r m i n a tio n   r e le v an t   to   SA R   a p p l ic at io n s .   T h e   p r o p o s e d   m o d e l  aim s   to   q u a n tify   th e   d e te ct io n   ca p ab i li ti e s   o f   U L B s   u n d er   d iv er s e  d ee p - s ea   s ce n a r io s   a n d   co n f ig u r a tio n s ,   th u s   o f f er in g   v alu ab l e  in s ig h t s   f o r   im p r o v in g   U L B   p er f o r m a n ce   a n d   en h an c in g   SA R   o p er at io n s   ef f ic ien cy .   T h r o u g h   r ig o r o u s   an a ly s i s   an d   v al id a tio n   ag ain s t  ex i s t in g   l it er a tu r e,   th e  a cc u r ac y   o f   th e   p r o p o s ed   m o d el   i s   co n f ir m ed ,   b o l s t er in g   i t s   u ti li ty   an d   r e l iab il ity   in   p r a ct ic al   ap p li ca tio n s .   Ov er a l l,  th i s   r e s e a r ch   co n tr ib u te s   s ig n i f ic an tly   t o   th e   ad v an c em en t   o f   u n d er wa ter   ac o u s t ic  ch a n n el  m o d e l ,   p ar t icu la r ly   in   th e  co n tex t  o f   S A R   o p er at io n s   in   d ee p - s ea   en v ir o n m en t s .   T h e  in s ig h ts   g ain ed   f r o m   th is   r e s e ar ch   h av e  th e  p o ten ti al  to   in f o r m   th e  d e s ig n   an d   d ep lo y m en t  o f   U A C   s y s tem s   an d   im p r o v e  th e   ef f ec t iv en e s s   o f   SA R   m i s s io n s ,   u l tim at ely   co n tr ib u t in g   to   en h an c ed   s af e ty   an d   s e cu r ity   i n   m ar it im e  en v ir o n m en t s .   Fu t u r e  wo r k   co u l d   f o cu s   o n   ex t e n d in g   th e   p r o p o s e d   m o d el   t o   in co r p o r a te  d y n am i c  en v ir o n m en ta l  f ac to r s   an d   r ea l - t im e   d a ta   a s s i m i la tio n   f o r   en h a n ce d   a cc u r ac y   in   SN R   p r ed ic tio n .       ACK NO WL E DG M E N T   T h e  au t h o r s   wo u ld   lik e  to   th a n k   th e   Natio n al   I n s titu te  o f   O ce an   T ec h n o lo g y   ( NI OT ) ,   C h en n ai  f o r   p r o v id i n g   s u p p o r t to   p er f o r m   t h is   r esear ch   wo r k .       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   M .   S t o j a n o v i c ,   “ U n d e r w a t e r   w i r e l e ss  c o m mu n i c a t i o n s :   c u r r e n t   a c h i e v e m e n t s  a n d   r e s e a r c h   c h a l l e n g e s, ”   I EEE   O c e a n i c   En g i n e e ri n g   S o c i e t y   N e w s l e t t e r ,   v o l .   4 1 ,   n o .   2 ,   p p .   1 – 5 ,   2 0 0 6 .   [ 2 ]   I .   F .   A k y i l d i z ,   D .   P o m p i l i ,   a n d   T.   M e l o d i a ,   “ U n d e r w a t e r   a c o u st i c   se n s o r   n e t w o r k s :   r e se a r c h   c h a l l e n g e s, ”   A d   H o c   N e t w o rks ,   v o l .   3 ,   n o .   3 ,   p p .   2 5 7 – 2 7 9 ,   M a y   2 0 0 5 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . a d h o c . 2 0 0 5 . 0 1 . 0 0 4 .   [ 3 ]   I .   F .   A k y i l d i z ,   D .   P o m p i l i ,   a n d   T .   M e l o d i a ,   “ C h a l l e n g e s  f o r   e f f i c i e n t   c o m mu n i c a t i o n   i n   u n d e r w a t e r   a c o u s t i c   se n so r   n e t w o r k s,”   AC M   S I G BED   Re v i e w ,   v o l .   1 ,   n o .   2 ,   p p .   3 – 8 ,   J u l .   2 0 0 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 4 5 / 1 1 2 1 7 7 6 . 1 1 2 1 7 7 9 .   [ 4 ]   K .   M .   A w a n ,   P .   A .   S h a h ,   K .   I q b a l ,   S .   G i l l a n i ,   W .   A h ma d ,   a n d   Y .   N a m,   “ U n d e r w a t e r   w i r e l e ss   se n s o r   n e t w o r k s :   a   r e v i e w   o f   r e c e n t   i ssu e s  a n d   c h a l l e n g e s,”   Wi re l e ss   C o m m u n i c a t i o n s   a n d   Mo b i l e   C o m p u t i n g ,   v o l .   2 0 1 9 ,   p p .   1 – 2 0 ,   Ja n .   2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 5 / 2 0 1 9 / 6 4 7 0 3 5 9 .   [ 5 ]   H .   Esm a i e l   a n d   D .   J i a n g ,   “ R e v i e w   a r t i c l e :   m u l t i c a r r i e r   c o mm u n i c a t i o n   f o r   u n d e r w a t e r   a c o u st i c   c h a n n e l , ”   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   C o m m u n i c a t i o n s,   N e t w o r k   a n d   S y st e m   S c i e n c e s ,   v o l .   0 6 ,   n o .   0 8 ,   p p .   3 6 1 – 3 7 6 ,   2 0 1 3 ,   d o i :   1 0 . 4 2 3 6 / i j c n s. 2 0 1 3 . 6 8 0 3 9 .   [ 6 ]   M .   F .   A l i ,   D .   N .   K .   J a y a k o d y ,   Y .   A .   C h u r si n ,   S .   A f f e s ,   a n d   S .   D mi t r y ,   “ R e c e n t   a d v a n c e s   a n d   f u t u r e   d i r e c t i o n s  o n   u n d e r w a t e r   w i r e l e s s  c o mm u n i c a t i o n s , ”   Arc h i v e s  o f   C o m p u t a t i o n a l   M e t h o d s   i n   E n g i n e e ri n g ,   v o l .   2 7 ,   n o .   5 ,   p p .   1 3 7 9 – 1 4 1 2 ,   N o v .   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s 1 1 8 3 1 - 0 1 9 - 0 9 3 5 4 - 8.   [ 7 ]   C .   M .   G .   G u ss e n ,   P .   S .   R .   D i n i z ,   M .   L.   R .   C a m p o s ,   W .   A .   M a r t i n s ,   F .   M .   C o s t a ,   a n d   J.  N .   G o i s ,   “ A   s u r v e y   o f   u n d e r w a t e r   w i r e l e s s  c o mm u n i c a t i o n   t e c h n o l o g i e s , ”   J o u r n a l   o f   C o m m u n i c a t i o n   a n d   I n f o rm a t i o n   S y s t e m s ,   v o l .   3 1 ,   n o .   1 ,   p p .   2 4 2 – 2 5 5 ,   2 0 1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 4 2 0 9 / j c i s. 2 0 1 6 . 2 2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.