水聲信道特性與信號(hào)在水聲信道中的傳播特性研究?

代 偉

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

隨著海洋開發(fā)需求的日益增大以及海軍現(xiàn)代化建設(shè)步伐的逐漸加快，人們對(duì)海洋研究的相關(guān)內(nèi)容以及相關(guān)課題的探索范圍正在逐步擴(kuò)大，水聲通信技術(shù)［1～4］、匹配場處理技術(shù)［5～7］、陣列波束形成技術(shù)、水聲信道特性［8～12］等領(lǐng)域的研究正處于蓬勃發(fā)展階段。水聲信號(hào)以其優(yōu)異而又獨(dú)特的性能使其成為在水下傳輸信號(hào)的最理想的載體。水聲信號(hào)的傳輸是通過聲納系統(tǒng)來完成的，首先將要發(fā)送的信號(hào)輸入到水聲信號(hào)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)將電信號(hào)輸入到水聲換能器，水聲換能器通常由壓電晶體材料或磁致伸縮材料制作而成，輸入到水聲換能器的電信號(hào)被由壓電晶體材料制成的換能器轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)并向水中輻射，如果若干個(gè)換能器構(gòu)成一個(gè)陣列，那么可以通過改變換能器陣列的指向性來改變發(fā)射信號(hào)的發(fā)射方向。水聲信道的特性對(duì)于聲納發(fā)射的信號(hào)有很大的影響，影響聲線的傳播路徑、水聲信號(hào)的傳播損失、水聲信號(hào)的多徑效應(yīng)、水聲信號(hào)的傳播距離等等，水聲信道可以看作是由不平整的海面和海底構(gòu)成的波導(dǎo)而形成的隨時(shí)間、頻率、空間變化的濾波器，它受聲速剖面、海水溫度、鹽度、海水壓力、海面粗糙度、海底粗糙度、海水中懸浮的固體物以及浮游生物、海浪噪聲、船舶噪聲、近岸工業(yè)噪聲等多種因素的影響，由于水聲信號(hào)在水聲信道中傳輸，所以研究水聲信道的特性以及它對(duì)于水聲信號(hào)的影響是十分必要的。

對(duì)于水聲信道特性的研究，已經(jīng)有很多科研機(jī)構(gòu)做了大量詳細(xì)而又系統(tǒng)的工作，對(duì)水聲信道的理論研究做了很好的支撐。文獻(xiàn)［13］對(duì)水聲信號(hào)的傳輸特性做了細(xì)致的研究，對(duì)水聲應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供了很好的理論依據(jù)。文獻(xiàn)［14］通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，在不同聲速梯度海況下仿真分析多徑效應(yīng)對(duì)水聲通信系統(tǒng)的影響，同時(shí)還仿真分析了多徑效應(yīng)與水聲信道的衰減、多普勒效應(yīng)和噪聲等因素相結(jié)合時(shí)的信道模型。文獻(xiàn)［15］對(duì)水聲信道的建模和仿真進(jìn)行了分析，并采用Matlab對(duì)水聲信道模型進(jìn)行了仿真。而在文獻(xiàn)［16］中對(duì)水聲信道的時(shí)變特性進(jìn)行了研究，研究了時(shí)變水聲信道對(duì)通信的影響。

針對(duì)水聲信道受時(shí)間、頻率、空間等多種因素的影響，并對(duì)水聲信號(hào)的傳播會(huì)產(chǎn)生多種影響，本論文對(duì)水聲信道的特性做了研究?；贐ELLHOP聲線傳播模型研究了水聲信號(hào)在水聲信道中傳輸時(shí)傳播損失隨深度和距離的變化、聲速剖面對(duì)聲線傳播的影響、水聲信道的沖擊響應(yīng)特性、水聲信號(hào)經(jīng)過水聲信道后的特性等，并得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

2 仿真計(jì)算過程［17～18］

本文仿真計(jì)算基于BELLHOP計(jì)算出水聲信道的特性，再計(jì)算出水聲信道的沖擊響應(yīng)，運(yùn)用Matlab 軟件設(shè)計(jì)線性調(diào)頻信號(hào)，并計(jì)算線性調(diào)頻信號(hào)在水聲信道中的傳播特性。

BELLHOP是美國海洋聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的聲學(xué)工具箱中的常用聲場模型之一，也即高斯射線跟蹤模型，它基于聲線理論模型，是計(jì)算水聲信道特性的常用工具之一，這種聲線跟蹤結(jié)構(gòu)使得其算法較為簡單，它是基于幾何和物理的傳播規(guī)律的信道模型，利用它可以計(jì)算聲線的傳播規(guī)律，聲線的傳播損失隨傳播深度和傳播距離的關(guān)系，海底掠射角與海底反射損失的關(guān)系，時(shí)延與傳播距離的關(guān)系，聲速剖面對(duì)水聲信道的影響等。

水聲信道可以看作是一個(gè)時(shí)間、空間、頻率變化的濾波器，它受水聲信道中多種因素的影響。為了說明這些因素對(duì)水聲信道的影響，設(shè)計(jì)了本文的仿真計(jì)算實(shí)驗(yàn)，仿真計(jì)算時(shí)設(shè)定發(fā)射信號(hào)聲波頻率為200Hz，海深100m，聲源深度為50m，接收換能器深度為50m，傳播距離為1000m，海水密度為1022kg/m3，海水中橫波吸收系數(shù)為69.2912dB/wavelength 至69.4261dB/wavelength，海底沉積層厚度為20m，沉積層中聲速度為2000m/s，沉積層密度為1810 kg/m3，沉積層中橫波吸收系數(shù)為0.5dB/wavelength，仿真計(jì)算了10條聲線的傳播路徑。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖1 所示為聲線傳播損失隨深度和距離的變化關(guān)系圖。二維圖形更加直觀地反映了聲線傳播損失隨深度和距離的變化關(guān)系。可以清晰地看到在聲源位置處聲線的傳播損失最小，為20dB 左右，隨著深度和距離的增加，聲線的傳播損失逐漸增大。

圖1 聲線傳播損失隨深度和距離的變化關(guān)系

表1 所示為海水聲速剖面的變化對(duì)聲線傳播的多個(gè)特性的影響。海水中聲速的變化從1400m/s到1800m/s，按照50m/s 的間隔逐漸增加，影響聲線傳播的各個(gè)參數(shù)設(shè)定為聲源到海面第一反射點(diǎn)的水平距離，海底掠射角，海底反射損失，傳播損失隨深度變化的平均值，傳播損失隨距離變化的平均值等5 個(gè)，這5 個(gè)參數(shù)反映了影響海水中傳播的水聲信號(hào)的不同方面，一定程度上反映了聲線的傳播規(guī)律。從表中可以看出對(duì)于聲源到海面第一反射點(diǎn)的水平距離，隨著海水聲速的增加，這一水平距離變量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)海水聲速位于1400m/s 至1450m/s 區(qū)間時(shí)，聲源到海面第一反射點(diǎn)的水平距離值最小，為167m；當(dāng)海水聲速達(dá)到1750m/s 到1800m/s 時(shí)，這一變量值達(dá)到最大，為170.3m。定義海底掠射角拐點(diǎn)為隨著海底掠射角的增大，海底的反射損失值急劇變大的位置所在處的掠射角的值。對(duì)于海底掠射角拐點(diǎn)，隨著海水聲速的逐漸增大，海底掠射角拐點(diǎn)的值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)海水聲速的值為1400m/s 到1450m/s 時(shí)，海底掠射角拐點(diǎn)的值最大，為42.78°；隨著海水聲速值的逐漸增大，海底掠射角拐點(diǎn)的值逐漸減小，當(dāng)海水聲速增加到1750m/s 到1800m/s 時(shí)，海水掠射角拐點(diǎn)的值減小為23.97°。這一參數(shù)的變化說明對(duì)于較小的海水聲速，在海水中傳播的聲線可以在更大的掠射角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較小的海底反射損失。對(duì)于海底反射損失，隨著海水聲速的逐漸增大，海底反射損失值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)海水聲速處于1400m/s 到1450m/s 區(qū)間時(shí)，海底反射損失值最小，為7.369dB，隨著海水聲速的增加，這一值也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)海水聲速達(dá)到1750m/s 到1800m/s 時(shí)，海底反射損失值達(dá)到9.477dB。隨著海水聲速的逐漸增大，水聲信號(hào)傳播損失隨深度變化的平均值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)海水聲速處于1400m/s 到1450m/s 區(qū)間時(shí)，這一平均值為50dB，當(dāng)海水聲速的值增加到1550m/s 到1600m/s 時(shí)，這一平均值減小到最小，為45dB，隨著海水聲速的進(jìn)一步增大，這一平均值又呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)海水聲速達(dá)到1750m/s 到1800m/s 時(shí)，這一平均值達(dá)到52dB。對(duì)于水聲信號(hào)傳播損失隨距離變化的平均值而言，隨著海水聲速的增加，這一值大致呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)海水聲速處于1400m/s 到1450m/s 區(qū)間時(shí)，傳播損失隨距離變化的平均值最小，為45.5dB，當(dāng)海水聲速達(dá)到1650m/s 到1700m/s 時(shí)，傳播損失隨距離變化的平均值最大，為47.92dB。

表1 海水聲速剖面對(duì)聲線傳播的多個(gè)參數(shù)的影響

圖2 所示為水聲信道的聲速剖面。此聲速剖面為正聲速梯度分布的海水層中的聲場，是一種典型的秋冬季節(jié)的淺海聲速剖面，聲速剖面的聲速從1523m/s逐漸增加至1541m/s。

圖3 所示為水聲信道的沖擊響應(yīng)曲線。由圖中可以看出本論文中的多徑信道的沖擊響應(yīng)曲線比較復(fù)雜，多途信號(hào)多且幅度較大，但也可以看到多途信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展沒有，幾乎都是分開獨(dú)立存在于信道中的，選擇的信道沖擊響應(yīng)的時(shí)間長度為1200ms，可以看出在140ms 的時(shí)間碼片上，出現(xiàn)信道中信號(hào)最強(qiáng)的脈沖峰值，而在150ms 到730ms 這一時(shí)間段上連續(xù)出現(xiàn)了峰值幅度較大的脈沖峰，在其它的時(shí)間碼片上，信道沖擊響應(yīng)的幅度很低或者沒有。

圖3 水聲信道的沖擊響應(yīng)曲線

線性調(diào)頻信號(hào)是水聲中常用的一種信號(hào)體制。它占用的頻帶寬度遠(yuǎn)大于信息帶寬，可以獲得很大的系統(tǒng)處理增益。同時(shí)由于線性調(diào)頻信號(hào)具有較好的時(shí)延分辨力、頻率分辨力，較大的多普勒容限，可同時(shí)調(diào)整距離和速度的測(cè)量精度，并且在混響背景中檢測(cè)信號(hào)的能力較強(qiáng)等一些優(yōu)點(diǎn)，使得線性調(diào)頻信號(hào)在聲納體制中應(yīng)用十分廣泛。線性調(diào)頻信號(hào)的函數(shù)為y=exp(1j*pi*k*t.^2)，其中k為線性調(diào)頻的系數(shù)，k=B/T，B為信號(hào)的帶寬，T為信號(hào)的時(shí)間寬度。線性調(diào)頻信號(hào)是通過對(duì)載波頻率進(jìn)行調(diào)制從而增加信號(hào)的發(fā)射帶寬并在接收時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，由于線性調(diào)頻信號(hào)具有較高的距離分辨力，當(dāng)在速度上無法區(qū)分多目標(biāo)時(shí)，可以通過增加目標(biāo)距離測(cè)試解決多目標(biāo)的分辨問題，同時(shí)在抗干擾方面，線性調(diào)頻信號(hào)可以在距離上區(qū)分干擾和目標(biāo)，因而可以有效地對(duì)抗拖曳式干擾。圖4 所示為線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域波形圖，圖5 所示為線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域離散波形圖。從圖4和圖5可以看出線性調(diào)頻信號(hào)在信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，頻率成線性增加的趨勢(shì)。本論文中線性調(diào)頻信號(hào)的采樣率為100Hz，時(shí)間寬度為5s，帶寬為10Hz，線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)域離散波形的采樣間隔為0.05s。

圖4 線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域波形圖

圖5 線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)域離散波形圖

圖6 所示為線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過水聲信道與信道沖擊響應(yīng)作用后的輸出信號(hào)的波形圖。從圖中的包絡(luò)曲線可以很清楚地看到信道沖擊響應(yīng)的作用結(jié)果，輸出信號(hào)的波形結(jié)果中信號(hào)峰值強(qiáng)度最大的地方與信道的沖擊響應(yīng)曲線的峰值結(jié)果對(duì)應(yīng)一致，由于是與線性調(diào)頻信號(hào)卷積的結(jié)果，時(shí)間上有一些延遲，并且從輸出結(jié)果來看，輸出信號(hào)前半部分頻率較低，后半部分頻率較高，這與線性調(diào)頻信號(hào)的頻率持續(xù)增加有關(guān)系。

圖6 線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過水聲信道后的輸出波形圖

4 結(jié)語

本文以BELLHOP聲線模型作為水聲信道的傳播模型，對(duì)水聲信號(hào)在水聲信道中的傳播特性做了研究。研究了聲線傳播損失隨深度和距離的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在聲源位置處聲線的傳播損失最小，隨著深度和距離的增加，聲線的傳播損失逐漸增大。研究了海水聲速剖面的變化對(duì)聲線傳播的多個(gè)特性的影響，結(jié)果表明對(duì)于聲源到海面第一反射點(diǎn)的水平距離，隨著海水聲速的增加，這一水平距離變量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；隨著海水聲速的逐漸增大，海底掠射角拐點(diǎn)的值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；隨著海水聲速的逐漸增大，海底反射損失值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；隨著海水聲速的逐漸增大，水聲信號(hào)傳播損失隨深度變化的平均值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；對(duì)于傳播損失隨距離變化的平均值，隨著海水聲速的增加，這一值大致呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。水聲信道的沖擊響應(yīng)曲線比較復(fù)雜，多途信號(hào)多且幅度較大，但可以看到多途信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展沒有。線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過水聲信道后的輸出結(jié)果充分展現(xiàn)了信道的特性和線性調(diào)頻信號(hào)的特點(diǎn)。