新型无线水声通信技术研究

水声通信技术的信道模型研究

随着现代技术的飞速发展，人类对通信技术的要求越来越高。其中，水声通信技术作为一种新兴的通信方式，其研究也越来越引起人们的关注。水声通信技术主要应用于海洋工程、军事、海洋资源开发等领域，在水下环境下，传统的无线电通信技术无法发挥作用，因此水声通信技术被赋予了重要的使命。

水声通信技术的实际应用场景中，信道模型是十分重要的研究内容。水下环境复杂多变，海水、潮汐、水深、海流等都会对水声信号的传输造成很大的影响。因此，研究信道模型是了解水声信号在水下环境中的传输规律，以及如何对其进行优化的关键。

针对水声通信技术的信道模型研究，目前主要可分为海水信道和水下地形信道两类。

海水信道的研究主要考虑了海洋环境的复杂性。海水中的湍流流动、空气气泡等都会引起信号传输的非线性失真和能量损耗。针对这种情况，研究者们根据不同的传输条件，建立了不同的海水信道模型。最常用的是瑞利衰落信道模型和瑞利分布信道模型。前者是一种随机信道模型，用于描述当水下传输中的反射路径超过15时的信号衰减。后者则是根据理论分析，获得一种特定的概率密度函数，用于描述水声信号经过反射、散射等多条路径传输后的衰减规律。这两种信道模型的使用，大大提高了传输的可靠性。

水下地形信道的研究主要考虑到海底地形，如山脉、丘陵、河流等对信号传输的影响。水下地形信道模型主要根据地形变化情况建立，主要有缝隙模型、峡谷模型、华丽模型等。其中缝隙模型考虑了在缝隙处信号的反射和衰减；峡谷模型因为地形的开阔程度较低，会增加信号传输的衰减程度；而华丽模型则在悬空缆线附近增加了信号传输的损失。

除了上述两类信道模型，还有其他一些针对特定环境和场景设计的信道模型。例如，针对水下基站设立在深海、浅海和近海等不同海域环境下，研究人员通过建立不同的衰减模型，以预测传输距离和波动前端等参数。

总体来说，信道模型的研究在水声通信技术中具有重要作用。通过建立合适的信道模型，不仅可以研究水声信号在复杂海洋和地形环境中的传输规律，更能够优化通信系统的设计，提高传输质量和可靠性，促进水声通信技术的发展。

水声技术及其军事应用 1

水声技术及其军事应用

姓名：刘怀远 学号：3042010032

（海军大连舰艇学院学员二十二队）

摘要：水声技术是指海洋高技术在军事领域的最广泛的实践与应用。而海洋高技术包括海洋观测、海洋水声、海底资源勘探开发，以及海洋生物资源开发、海洋能源利用、海洋交通与运载、海洋结构、海水利用、海洋空间利用，以及深港技术等，可以说海洋高科技是世界新科技革命的主要领域之一。

关键词：水声技术，军事

Abstract

Underwater acoustic technology refers to the ocean high technology in the practice and application of the most

widely in the field of military. And ocean high technology including Marine observation, sea water, Marine

resource exploration and development, as well as Marine biological resources development, Marine energy, sea

water, Marine traffic and transport, Marine structure used, ocean space utilization, as well as the technology,

such as shenzhen and Hong Kong Marine high-tech, so to speak is one of the major areas of new technology

revolution in the world.

1 引言

海洋高技术包括海洋观测、海洋水声、海底资源勘探开发，以及海洋生物资源开发、海洋能源利用、海洋交通与运载、海洋结构、海水利用、海洋空间利用，以及深港技术等，可以说海洋高科技是世界新科技革命的主要领域之一。而水声技术则是指海洋高技术在军事领域的最广泛的实践与应用。在高技术条件下，现代海战逐渐成为涉及太空、空中、海面、水下和海底多层空间的立体战争。作为战场空间的海洋环境，对于敌我双方的活动、对抗，装备的适应性，以至作战保障、后勤保障等具有十分紧密的关系。海上军事装备体系所形成的各种海上作战能力，均受海洋环境的影响，如海洋气温（压）、风、浪、日光辐射、潮汐、海洋跃层、电导和海洋地质、地貌、磁场等三维、多种类海洋要素或人为现象的影响。由于军事技术的日益综合和交叉，这种海洋环境因素已经成为提高海上战斗力，并使武器装备保持优势的关键所在。

２０１２年第２期　声学与电子工程　总第１Ｏ６期　

水声高速扩频通信ＭＯＤＥＭ研制及实验研究　

能省军　

（第七一五研究所声纳技术重点实验室，杭州，３１００１２）　

摘要介绍了基于高速扩频通信技术的水声ＭＯＤＥＭ的研制及湖海实验，该水声ＭＯＤＥＭ的通信带宽４　

ｋＨｚ，数据率高达１２６９　ｂｐｓ，与ＤＳＳＳ（直接序列扩频）功率效率一致，带宽效率提高近３倍，实验结果表明　

在复杂恶劣水声多径和低信噪比条件下通信性能良好。　

关键词水声通信；ＭＯＤＥＭ；扩频通信　

水声通信的性能主要受两方面的制约Ⅲ：一是　

水声信道的多路径效应造成的码问干扰，这种干扰　

在水平向通信时尤为突出；二是水声信道的时空多　

变特性造成的相位起伏引起误码。另外，水声通信　

还有信道窄、背景噪声高等特点，这些因素都决定　

了水声信道的信道容量远不及无线电信道，高带宽　

效率和功率效率的水声通信技术一直为研究难点。　

扩频技术最初的含义是将信息带宽扩展为成　

百上千倍的信号带宽，因而具备扩频增益，可适应　复杂信道Ｉ２】。解扩过程就是将干扰成倍衰减，扩频　

增益越大，抗干扰能力也越强，扩频还具有同信道　

复用、保密性好等优点。扩频通信技术在低信噪比　

（甚至负信噪比）条件下实现通信，ＬｉｎｋＱｕｅｓｔ公　

司的宽带声扩频技术能够达到０．５　ｂｐｓ／Ｈｚ带宽效　

率，可见扩频通信并不是人们普遍认为低速通信的　

代名词，本文主要介绍基于伪随机序列族扩频通信　

体制的水声ＭＯＤＥＭ的研制及实验结果分析，该扩　

频技术与ＤＳＳＳ在功率效率基本一致，带宽效率提　

高近３倍，实验解码结果表明水声ＭＯＤＥＭ在复杂　

水声信道多径条件下实现高速稳健通信。　

ｌ　ＭＯＤＥＭ硬件　

水声ＭＯＤＥＭ系统组成结构包括６个部分。　

（１）、ＤＳＰ电路：实现整个系统管理控制、通信处理、　身份识别、外部设备（包括外部ＰＣ机和探测设备）　

的接口数据交换等功能；（２）、前置电路：对接收信　

号进行放大、滤波处理；（３）、值班电路：主要用于　

水声通信技术研究进展及应用

摘要： 水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式，由于其在民用和军事上都有重大意义，水声通信的研究一直是国内外研究的热点。文章介绍了水声通信的历史，分析了水声通信发展的关键技术，讨论了水声信道的特点、系统 组

成和国内外的发展现状。最后对未来的水声通信技术作了预测。

关键词： 水声通信，通信信道，声纳，正交频分复用，声纳信号处理

1 引言

当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信是这一进程中发展最为迅速、进歩最快的行业。陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支--Internet网和移动通信网日臻完善， 而海中通信的发展刚刚崭露头角。有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动（如正常航运）可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km ，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20 Hz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。而在这个频率范围内，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的。采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远 距 离无线通信的唯一手段。

海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，

这是至今还存在的难度最大的无线通信信道。研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识，现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一。另外，海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。