2.3 Estado da Arte em Data Loggers
2.4.2 Sinal 1: Embarca¸c˜ oes na Ba´ıa de Guanabara
O primeiro conjunto de dados foi fornecido pelo LabSonar, em parceria com o IPqM, e corresponde aos sinais adquiridos na COMISS ˜AO SONAP-I, realizada na Ba´ıa de Guanabara, Rio de Janeiro, RJ, utilizando um arranjo cil´ındrico de 32 hidrofones. A comiss˜ao aconteceu em agosto de 2015 e visou demonstrar a tecnologia de um sonar passivo nacional [21].
2.4.2.1 An´alise Preliminar
Foram disponibilizados quatro arquivos, referentes ao conjunto B de dados, descrito como uma situa¸c˜ao de tr´afego mar´ıtimo intenso, no qual cada arquivo representa uma marca¸c˜ao A, B, C ou D, com seu respectivo ˆangulo do arranjo cil´ındrico de 090o,
065o, 337o e 270o.
A s´erie temporal escolhida foi a marca¸c˜ao B, referente a 065odo arranjo cil´ındrico.
A escolha dessa marca¸c˜ao em rela¸c˜ao `as outras deu-se pela maior clareza das in- forma¸c˜oes nas formas de onda apresentadas. O arquivo possui 164 segundos de dura¸c˜ao (2:44 minutos), amostrados a 31.250 Hz, totalizando 5,12 milh˜oes de amos- tras.
em 150 segundos.
Figura 2.9: Sinal 1 com intervalos repetidos no in´ıcio e no fim da s´erie temporal.
Ao analisar mais atentamente, percebe-se que o in´ıcio do sinal (entre 0 e 30 s) ´e igual ao final (entre 130 s e 160 s). Rearrumou-se ent˜ao a s´erie temporal, uti-
lizando apenas a por¸c˜ao compreendida entre 20 s e 150 s da original.
Por se tratar de uma descontinuidade em que o in´ıcio e o fim da s´erie temporal s˜ao repetidos nos pontos opostos do sinal, acredita-se que esse erro seja de p´os- processamento, ou seja, a montagem do sinal a partir dos dados do arranjo pode ter sido comprometida, gerando tal r´eplica.
2.4.2.2 An´alise no Tempo
A figura 2.10 apresenta o gr´afico da amplitude normalizada ao longo do tempo. Observa-se um sinal principal crescente e com trˆes picos adicionais iniciados em 44, 77 e 90 segundos.
Figura 2.10: Sinal 1 no dom´ınio do tempo.
Como um sinal ac´ustico real dificilmente possui sua amplitude constante, podem- se usar valores m´edios para a obten¸c˜ao de informa¸c˜oes sobre, por exemplo, a qua- lidade da medi¸c˜ao do sinal em rela¸c˜ao ao ru´ıdo presente. Comparando a m´edia quadr´atica (valor RMS) da amplitude da parte do sinal sem atividade com a parte ativa, obt´em-se a rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo (SNR - Signal-to-Noise Ratio).
O valor RMS de um sinal x, formado por N amostras, ´e dado por:
xRM S = v u u t 1 N N X i=1 x2 i (2.13) e a SNR: SN R = ASinal ARu´ido 2 (2.14) onde A ´e o valor RMS da amplitude do sinal.
Sua representa¸c˜ao em dB ser´a: SN R(dB) = 10 log(SN R) SN R(dB) = 10 log ASinal ARu´ido 2! SN R(dB) = 20 log ASinal ARu´ido (2.15)
Outra forma de se obter a SNR em dB, usando as propriedades logar´ıtmicas, ´e:
SN R(dB) = ASinal(dB) − ARu´ido(dB) (2.16)
A SNR ´e uma das formas de se determinar a qualidade do sinal medido. Uma rela¸c˜ao pr´oxima de zero pode apontar que o sinal desejado ´e incapaz de ser reconhe- cido, dada a predominˆancia do ru´ıdo.
Para definir o ru´ıdo do Sinal 1, escolheu-se considerar o menor n´ıvel de sinal encontrado em um intervalo de 10 segundos, o que ocorre no in´ıcio da s´erie.
Calculando a SNR utilizando os valores RMS do sinal completo e ru´ıdo (primeiros 10 segundos da s´erie), tem-se:
SN RSinal1 = ASinal ARu´ido 2 = 0, 0922 0, 0504 2 = 3, 3466 (2.17)
Assim, o valor da SNR, em dB, para o Sinal 1 ´e:
SN RSinal1(dB) = 20 log ASinal ARu´ido = 20 log 0, 0922 0, 0504 = 5, 2460 dB (2.18)
2.4.2.3 An´alise na Frequˆencia
Al´em do momento de in´ıcio e t´ermino de alguma atividade, da proximidade do alvo e da rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo, pouco pˆode-se visualizar do sinal no tempo. O espectro do sinal, ou seja, sua representa¸c˜ao no dom´ınio da frequˆencia, apresenta uma informa¸c˜ao fundamental para a determina¸c˜ao da origem de um sinal sonoro: sua frequˆencia predominante (podendo ser mais de uma).
A figura 2.11 apresenta o espectro do Sinal 1, no qual observam-se 3 frequˆencias predominantes: 381,4 Hz, 858,1 Hz e 1842,0 Hz. Observam-se tamb´em picos em torno da primeira frequˆencia, entre 247,9 Hz e 457,7 Hz.
Figura 2.11: Sinal 1 no dom´ınio da frequˆencia.
Como visto na figura 2.10, existem trˆes intervalos de maior atividade no sinal temporal: Entre 43 e 46, entre 62 e 85 e entre 89 e 92 segundos. O espectro de cada intervalo ´e apresentado nas figuras 2.12, 2.13 e 2.14, respectivamente.
Observam-se, no primeiro intervalo, as frequˆencias predominantes de 343,2 Hz e 389,0 Hz. J´a o segundo, apresenta 381,4 Hz, 858,1 Hz e 1842,0 Hz e, finalmente, o terceiro, 381,4 Hz e 438,6 Hz.
Figura 2.12: Sinal 1 no dom´ınio da frequˆencia. Intervalo entre 43 s e 46 s.
Figura 2.14: Sinal 1 no dom´ınio da frequˆencia. Intervalo entre 89 s e 92 s.
2.4.2.4 Espectrograma
Juntando os sinais no tempo e na frequˆencia, o espectrograma da figura 2.15 mostra a predominˆancia das baixas frequˆencias. Apesar de haver energia em toda banda do sinal, principalmente entre 60 e 90 segundos, os espectros gerados no item anterior n˜ao apresentaram amplitude significativa nas frequˆencias acima de 2 kHz. A quan- tidade de energia presente em todas as frequˆencias indica que o sinal na entrada possa ter extrapolado o limite de excurs˜ao de sinal de componentes do sistema de aquisi¸c˜ao, gerando ru´ıdo de alta amplitude e larga faixa de frequˆencia.
Aproximando a imagem na ´area de maior interesse, mostrando frequˆencias at´e 2 kHz e adequando as cores de maneira a deixar mais vis´ıvel a atividade no gr´afico, a figura 2.16 destaca a presen¸ca das frequˆencias em torno de 400 Hz, 890 Hz e 1840 Hz ao longo de toda a s´erie temporal, al´em dos sinais de ampla banda de frequˆencia nos intervalos pr´oximos a 40 segundos e entre 60 e 90 segundos.
Figura 2.15: Espectrograma do Sinal 1.
Figura 2.16: Espectrograma do Sinal 1 para frequˆencias at´e 2 kHz.
Conclui-se que o Sinal 1, advindo de embarca¸c˜oes, possui faixa de frequˆencia inferior a 2 kHz e caracter´ıstica da varia¸c˜ao de amplitude crescente e, em seguida,
elemento sensor. Os picos largos, em baixas frequˆencias e com diversos harmˆonicos tamb´em s˜ao caracter´ısticos desse tipo de sinal. No espectrograma, as “franjas” que aparecem no entorno das componentes principais s˜ao resultantes dos ecos refleti- dos que atingem o sensor e do fenˆomeno de cavita¸c˜ao, presentes nos h´elices das embarca¸c˜oes [12].