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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/44214
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Campo DCValorIdioma
dc.creatorSantos, Anderson Damacena-
dc.date.accessioned2026-03-06T18:40:50Z-
dc.date.available2026-03-06T18:40:50Z-
dc.date.issued2025-12-19-
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufba.br/handle/ri/44214-
dc.description.abstractUnderwater SONAR systems play a fundamental role in various civil and military applications. However, the development and validation of signal-processing techniques for such systems face significant challenges, mainly due to the limited availability of experimental acoustic data, especially under different environmental conditions. In this work, we present a Submarine Acoustic Signal simulator (SAS) that integrates phenomenological models of environmental noise (sea state and rain) and radiated noise (cavitation and machinery). To enhance the realism of the synthetic signals, a recurrent neural network of the NARX (Nonlinear Autoregressive Exogenous) type is incorporated, designed to learn and reproduce nonlinear characteristics observed in experimental measurements. The proposed hybrid approach enables the generation of signals that more precisely represent the complex structure of real underwater acoustic environments, especially regarding spectral energy distribution and harmonic content. The applicability and scalability of the SAS are expanded, allowing, from a reference experimental signal, the generation of extended temporal scenarios (simulated signals of the same vessel with longer duration and under different ambient-noise conditions), fleet modeling (generating signals for distinct vessels of the same class by leveraging the NARX network’s extrapolation capability), and operational-dynamics simulation (simulating propeller-speed variations during operation). Validation performed with real data indicates that the simulated signals preserve high similarity to experimental ones, both in broadband characteristics and narrowband components associated with vessel activity. The integration of phenomenological modeling with NARX networks resulted in a hybrid method that significantly improves the correspondence between the phenomenological and experimental signals. The analysis of machinery noise illustrates this improvement: the Mean Absolute Error between amplitudes decreased from 992.06\% (phenomenological model) to 10.33\% (hybrid model), and the Wasserstein Distance was reduced from 30.51 to 2.42. For cavitation, the NARX network achieved a Wasserstein Distance of 0.88~dB, outperforming the phenomenological model’s value of 2.43~dB. Consequently, the proposed method stands as an effective solution to support the design, validation, and evaluation of signal-processing algorithms applied to passive SONAR systems. Its main advantage lies in the ability to create a reproducible and controllable test environment, which drastically reduces the need for field data-collection campaigns, traditionally costly and time-consuming.pt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal da Bahiapt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectAcústica submarinapt_BR
dc.subjectTransmissão do sompt_BR
dc.subjectSONARpt_BR
dc.subjectProcesso estocásticopt_BR
dc.subject.otherUnderwater acousticspt_BR
dc.subject.otherSound transmissionpt_BR
dc.subject.otherSONARpt_BR
dc.subject.otherStochastic processpt_BR
dc.titleSimulador fenomenológico-aprendizado de máquina de ruído acústico submarino para aplicações em SONAR passivopt_BR
dc.title.alternativePhenomenological-machine learning simulator of underwater acoustic noise for passive SONAR applicationspt_BR
dc.typeTesept_BR
dc.contributor.refereesRibeiro, Carlos Eduardo Parente-
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) pt_BR
dc.publisher.initialsUFBApt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICApt_BR
dc.contributor.advisor1Simas Filho, Eduardo Furtado de-
dc.contributor.advisor1Latteshttps://lattes.cnpq.br/6012321412801915pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Seixas, José Manoel de-
dc.contributor.advisor-co1Latteshttps://lattes.cnpq.br/1404632471755241pt_BR
dc.contributor.referee1Simas Filho, Eduardo Furtado de-
dc.contributor.referee1Latteshttps://lattes.cnpq.br/6012321412801915pt_BR
dc.contributor.referee2Seixas, José Manoel de-
dc.contributor.referee2Latteshttps://lattes.cnpq.br/1404632471755241pt_BR
dc.contributor.referee3Assis, Karcius Day Rosário-
dc.contributor.referee3Latteshttps://lattes.cnpq.br/0117460865270656pt_BR
dc.contributor.referee4Prates, Ricardo Menezes-
dc.contributor.referee4Latteshttps://lattes.cnpq.br/4242290908873109pt_BR
dc.contributor.referee5Chaves, Daniel Pedro Bezerra-
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/6918979485859187pt_BR
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/8362562865755752pt_BR
dc.description.resumoOs sistemas SONAR submarinos desempenham um papel fundamental em diversas aplicações civis e militares. Entretanto, o desenvolvimento e a validação de técnicas de processamento de sinais para tais sistemas enfrentam desafios significativos, sobretudo devido à disponibilidade restrita de dados acústicos experimentais, especialmente sob diferentes condições ambientais. Neste trabalho, apresenta-se um simulador de sinais acústicos submarinos (SAS) que integra modelos fenomenológicos de ruído ambiental (estado do mar e chuva) e de ruído irradiado (cavitação e maquinário). Com o objetivo de ampliar o realismo dos sinais sintéticos, incorpora-se uma rede neural recorrente do tipo NARX (\textit{Nonlinear Autoregressive Exogenous}), destinada a aprender e reproduzir características não lineares observadas em medições experimentais. A abordagem híbrida proposta possibilita a geração de sinais que representam, de forma mais precisa, a complexa estrutura dos ambientes acústicos submarinos reais, especialmente no que se refere à distribuição de energia espectral e ao conteúdo harmônico. As possibilidades de utilização e escalabilidade do SAS são ampliadas, o que permite que, a partir de um sinal experimental de referência, seja possível gerar cenários temporais estendidos (sinais simulados da mesma embarcação com duração maior e sob diferentes condições de ruído ambiente), modelar frota (gerar sinais para embarcações distintas, mas pertencentes à mesma classe aproveitando a capacidade de extrapolação da rede NARX) e simular dinâmica operacional (simular variações de velocidade do hélice durante a operação). A validação realizada com dados reais indica que os sinais simulados preservam elevada similaridade com os experimentais, tanto em termos de características de banda larga quanto em relação a componentes de banda estreita associadas à atividade de embarcações. A integração da modelagem fenomenológica com redes NARX resultou em um método híbrido que melhora significativamente a correspondência entre o sinal fenomenológico e o experimental. A análise do ruído de maquinaria ilustra essa melhoria: o Erro Absoluto Médio entre Amplitudes diminuiu de 992,06\% (modelo fenomenológico) para 10,33\% (modelo híbrido), e a Distância de Wasserstein foi reduzida de 30,51 para 2,42. Para a cavitação, a rede NARX obteve uma Distância de Wasserstein de 0,88~dB, superando o valor de 2,43~dB do modelo fenomenológico. Consequentemente, o método proposto apresenta-se como uma solução eficaz para auxiliar no projeto, validação e avaliação de algoritmos de processamento de sinais aplicados a sistemas SONAR passivos. Sua principal vantagem reside na capacidade de criar um ambiente de teste reproduzível e controlável, o que reduz drasticamente a necessidade de campanhas de coleta de dados em campo, historicamente custosas e demoradas.pt_BR
dc.publisher.departmentEscola Politécnicapt_BR
dc.contributor.refereesLatteshttps://lattes.cnpq.br/1213529580898191pt_BR
dc.type.degreeDoutoradopt_BR
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