Studio della propagazione acustica ed elettromagnetica subacquea per la progettazione di sistemi multi-dominio a protezione di infrastrutture critiche

Abstract

La tesi propone un'architettura di rete ibrida multi-dominio adattiva per la protezione e il monitoraggio in tempo reale di infrastrutture critiche costiere e subacquee, quali bacini portuali (scenario A) e condotte o cavidotti sottomarini d'altura (scenario B). Per superare le severe limitazioni e l'elevata vulnerabilità strutturale a minacce delle tradizionali boe fisse di superficie, la soluzione proposta decentralizza i flussi informativi affidandoli a una flotta cooperativa di droni e vettori mobili autonomi (USV, UUV e UAV), capaci di garantire tolleranza ai guasti tramite algoritmi di rapida riconfigurazione geometrica della topologia mesh. Nello scenario costiero portuale (scenario A), focalizzato sulla protezione a corto raggio in acque iper-torbide di classe Jerlov 9C, la massimizzazione del throughput viene ottenuta operando nel regime dei Megahertz tramite una griglia fitta sul fondale con spaziatura costante di 40-45 metri, ottimizzata per mitigare l'assorbimento viscoso del mezzo e abbattere la latenza. I nodi convogliano verticalmente i flussi dati verso USV che convertono istantaneamente i payload acustici in collegamenti radio ad alta banda (GHz) diretti a terra o a UAV. Nello scenario d'altura (scenario B), mirato alla sorveglianza occulta a grandi profondità, i sensori acustici lineari a bassa frequenza convogliano la telemetria verso droni sottomarini (UUV). L'UUV, navigando sotto il pelo dell'acqua, esegue un uplink elettromagnetico (EM) diretto acqua-aria a bassa frequenza (f < 20 kHz), sfruttando la rifrazione di Fresnel per trasmettere il segnale verso UAV stazionari e costellazioni satellitari LEO, azzerando ogni segnatura visiva o radar in superficie. Per modellare il canale marino, è stato sviluppato un framework di simulazione in C++ che integra i modelli fisici di Thorp, Wenz e Debye.

This thesis proposes an adaptive, hybrid multi-domain network architecture designed for the real-time protection and monitoring of critical coastal and underwater infrastructures, such as harbor basins (Scenario A) and offshore submarine pipelines or power cables (Scenario B). To overcome the limitations and structural vulnerabilities to threats inherent in traditional stationary surface buoys, the proposed solution decentralizes information flows. It leverages a fault-tolerant cooperative fleet of autonomous mobile vehicles and drones (USVs, UUVs, and UAVs) capable of ensuring resilience through rapid geometric reconfiguration of the mesh topology. In the coastal harbor environment (Scenario A), focused on short-range protection within hyper-turbid waters (Jerlov oceanographic class 9C), throughput and channel capacity are maximized by operating in the Megahertz spectrum via a dense seabed grid with an optimized internode spacing of 40–45 meters to mitigate viscous absorption and minimize latency. Seabed nodes convey data streams vertically to USVs acting as surface mobile gateways, which instantly convert acoustic payloads into high-bandwidth GHz radio links directed toward shore stations or UAVs. In the offshore scenario (Scenario B), aimed at long-range surveillance at great depths with total tactical concealment, low-frequency linear acoustic sensors convey telemetry to UUVs. Ascending just beneath the surface, the UUV executes a direct water-to-air electromagnetic (EM) uplink in the very-low-frequency spectrum (f < 20 kHz). Exploiting Fresnel's refraction, the signal emerges into the airspace to be intercepted by stationary UAVs and relayed to LEO satellite constellations, eliminating surface radar signatures. To evaluate system performance, a C++ simulation framework was developed, integrating Thorp's, Wenz's, and Debye's physical models.