浅海水声信道模型
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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。
浅海水声信道模型对浅海水声信道建模,一方面可以大致估计水声通信设备在不同水声信道下的性能;另一方面,可以很方便地控制各种不同的输入参数,以便模拟不同的实际环境,大大节省出海实验的费用和时间。
但是,要想获得完全符合实际应用环境的水下通信信道的解析模型在目前是不可能的,我们只能在假设一些理想条件的前提下,针对浅海信道影响信号传输和接收的主要干扰因素加以考虑,建一个半经验的模型。
水声信道尤其是浅海水声信道是典型的变参信道,其特性随时间和空间不断地变化,称为时变多径衰落信道。
在水声数字通信系统的研究中,常用图3-3的模型表示:图3-3 浅海水声信道模型图中,()i s t 为发射信号,(;)h t τ为水声信道单位冲激响应,()n t 为信道噪声,()r s t 为经过信道后的信号,()r t 为接收信号,其中t 为时间变量,τ为时间延迟。
则接收信号可表示为:()()()(;)()()r i r t s t n t h t s t d n t τττ=+=-+⎰ (3-13)根据浅海水声信道的特点,浅海水声信道可以建立两类模型[5,27,28]:一是建立一个N 径非时变的确定性模型。
二是建立一个随机统计模型,对于近距离的浅海水声信道可以建立莱斯衰落和加性高斯白噪声信道模型;对于中、远距离的浅海水声信道可以建立瑞利衰落和加性高斯白噪声信道模型。
3.2.1 N 径确定性模型针对浅海水声信道,在建立浅海水声信道N 径确定性传播模型之前,先假设几个理想条件: 1) 水深为常数;2) 当声线掠射角小于5°、载波频率小于50KHz 和海底介质的密度大于31.4/g cm (例如 沙,淤泥,粘土等介质) 时,海底的反射系数b r 近似为1,同时相位偏移为180°,考虑到浅海海底介质一般由细沙和淤泥构成,同时掠射角总是大于0°,无论怎样,声波由海底反射时,声能总是有所损失的,而且随着掠射角的增大而增加,在这里假设海底的反射系数等于0.9; 3) 海面的粗糙程度可以用瑞利参数R 来描述:)sin(2ϕσπc fR =(3-14)其中,f 为工作频率,c 为声速,σ为海面波浪高度(波峰到波谷)的均方根值,ϕ为声线掠射角。
收稿日期:2007-07-06;修回日期:2007-09-06作者简介:张安清(1964-),男,湖北人,博士,教授。
主要研究方向:信号与信息处理,目标检测与自动识别;通信作者:张安清,E-mail:anqzhang@sina.comAnalysisofimpulsivenoisecharacteristicforshallowseachannelZHANGAn-qing第26卷第5期2007年10月声学技术TechnicalAcousticsVol.26,No.5Oct.,2007浅海水声信道的脉冲噪声特性分析(海军大连舰艇学院信息与通信工程系,大连116018)张安清(DepartmentofInformationandCommunicationsEngineering,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)图1某浅海水声信道噪声Fig.1Thenoiseofshallowseachannel050001000015000302100-10-20-301问题提出在沿岸浅海,声波由海面和海底不断反射而传播,其多径效应非常显著。
浅海中还存在着大量散射体以及起伏不平的界面,其散射效应严重[1,2]。
另外,浅海里还有大量海洋生物的活动以及海风的影响,由此引发的海洋噪声也很明显。
因而在沿岸浅海的水下目标探测与识别困难,水下通信码间干扰较严重,必须针对浅海水声信道复杂特性,研究应对的水下目标探测与识别、水下通信抗干扰措施。
相对于深海水声信道,浅海水声信道噪声特性研究对工程应用、军事应用具有重要意义。
在以往研究文献中都忽视了水声信道噪声的某些非高斯特征,仅仅假设水声信道噪声服从高斯分布。
鉴于此情况,本文采用大量海上实录试验数据证实了浅海水声信道噪声具有显著脉冲的非高斯特性,引入alpha稳定分布作为其信道噪声模型,并提出韧性的水声信号处理研究思路。
2浅海水声信号统计特征实际接收的舰船辐射信号都不可避免地受到海洋环境噪声的干扰,如鱼群发出的噪音、大型海洋动物发出的噪音,波浪和海风传入海中的噪音等等。
第10卷第12期Vo l .10,No .12宜宾学院学报J ou rnal of Yibin Un i versity2010年12月Dec .,2010收稿日期1修回作者简介贺繇(),男,重庆江津人,工学硕士,讲师,主要从事信号与图像处理、遥感方向研究浅海水声信道模型分析及频率选择性衰落仿真贺繇(宜宾学院物理与电子工程学院,宜宾644000)摘要:水声通信是以声波信号作为载波的水下通信,水声信道是水下通信的重要组成部分.在浅海中,水声信道是通信环境恶劣的信道,存在着较强的频率选择性衰落.通过对浅海水声信道的分析、建模、仿真,验证了水声信道的频率选择性衰落.关键词:水声信道;频率选择性衰落;射线声学模型中图分类号:T N92913 文献标志码:A 文章编号:1671-5365(2010)12-0078-03Ana lysis of Under wa ter Acou stic Cha nne lsM odel a nd S i m u l a tion of F requen cy Se lect i v ity A tten ua tionHE Yao(College of Physics and Electronic Engineering,Yibin Un iversity,Yibin 644000,China)Ab stract:The under water acou stic co mmun icati on is the under w ater commun icati on adop ted the acoustic signal as its carrier,and the under w ater acou stic channel is an i mpo rtan t p art of the under water ac ou stic c ommunication.Ho wever,the channel is a bad co mmun icati on channel in the shallo w sea and there is str ong frequency selectivity attenuation .Based on the analysis,modeling,si mu lating,the frequency selectivity attenuation of the under water commun icati on channels was p r oved.K ey word s:under water acoustic channels;frequency selectivity attenuati on;ac ou stic ray model 由于经济发展和国防建设的需要,人类活动已经频繁在水下展开,民用领域有水下的资源探测和开采、水下环境监测、海洋空间的利用;军事领域有潜艇在巡逻、演习、作战时与水面舰只或陆上基地的通信联络等,这些活动都必须建立可靠的通信互联,所以,水下通信,特别是人类活动最为频繁的浅海水域的水下通信是研究的重点领域之一.1 浅海水声信道的基本情况空间无线通信都采用高频电磁波作为信息传输的载波,一般都具有传播速度快、传播时延小、多普勒频移小、带宽较宽的特点.但是在水下,电磁波传输衰减极快,传播距离很短,所以电磁波不适合作为水下通信的载波.而声波在水下以纵波的方式进行传播,衰减速度比电磁波慢得多,传播距离较远,是水下通信较为理想的载波[1].即使以声波作为水下通信的载波,水下通信仍然存在诸多的技术难题.声波在水中传输时,水将对声波产生较强的吸收作用,使声波能量严重衰减.同时,声波信号在水中传输将经历多次海面和海底的反射,到达接收端的信号是从不同方向和不同路径传来,多径效应明显.在浅海中,由于浅海海底的复杂构成、海面的风浪、海水在不同季节由于温度原因形成的不同温度梯度等因素影响,多径效应将进一步增强,声波在传播过程中的能量衰减更为严重.声波信号的发射端和接收端可能存在相对运动,这将会导致接收机接收到的信号发生频率变化的多普勒效应.即使发送端和接收端静止,由于海面存在波浪运动和海中存在各种湍流,声波在行进过程中被海面波浪的调制,到达接收端时频率也会产生变化[2].所以,水声信道必须考虑多普勒效应.水声信道特别是浅海水声信道中的环境噪声比较严重,包括海潮、湍流、海面刮风下雨、生物群体活动、船舶航行和石油钻探都会对水声信道产生较强的噪声干扰.所以,水声信道是一复杂多变的信道,具有衰减严重、多径效应和频散特性较强、环境噪声严重的特点.正是水声信道的复杂性和不稳定性,使其成为自然界中最复杂的无线通信信道[3].水声信道在传输通信信号的过程中,将出现较强的频率选择性衰落、时间选择性衰落和码间干扰.2 声波频率的选择用声波作为水下通信的载波时,频率不能太低,因为太低的频率意味着通信速率很低.所以,水下通信的声波载波频率都在1KHz 以上[4].当频率大于1K H z 的声波在水中传播时,能量的衰减主要是由于水对声波的吸收.其中海水对声波的吸收系数为[2]:2010-10-24:2010-10-24:1972-k0=0.11f21+f2+44f24100+f2其中f的频率是KH z,k的单位是分贝/公里.由上面的公式可以看出,频率越高,海水对声波的吸收越强,对1KH z声波的吸收系数是0.065分贝/公里;对30KHz声波,吸收系数约为8分贝/公里;到50KHz时,吸收系数已达16.8分贝/公里.所以水下通信采用的声波信号频率一般为50KH z以下,信道带宽很有限.3 射线声学模型水声信道作为具有时变、频变、空变特性的通信环境恶劣的信道,很难用简单精确的数学模型将其表示,大部分研究采用的是基于射线声学理论的射线模型.射线模型是波动理论的一种近似,它直观地描述了声能量在介质中的传播,将声波看作是无数条垂直于等相位面的声线向外传播[5],其中每一条声线都携带着发射信号的信息.声能量从声源出发,在空间沿着声线按一定规律到达接收点,接收点收到的声能是所有到达的声能的叠加[2].在水声信号传输的过程中,有五种典型的声线,一是直达路径声线D;二是由发射端出发,首次反射是经过海面,到达接收端前的最后一次反射也是经海面,总共经过了n次海面反射才到达接收端的声线SS n;三是由发射端出发,首次反射是经过海面,到达接收端前的最后一次反射经海底,总共经过了n次海底反射才到达接收端的声线SB n;四是由发射端出发,首次反射是经过海底,到达接收端前的最后一次反射经海面,总共经过了n次海面反射才到达接收端的声线BS n;五是由发射端出发,首次反射是经过海底,到达接收端前的最后一次反射也是经海底,总共经过了n次海底反射才到达接收端的声线BB n.如图1所示,图中只画出了直达声线和n=1的反射声线.图1 声线传播图 在利用声学射线模型分析水声信道模型时,为了简化问题,需假设若干理想条件:1)所有声线为直线.在水温及海水自身产生压力的影响下,水中声速不会恒定,这将导致声线在水中发生轻微弯曲为简化模型,在声线传播图中,我们都用直线来表示声线传播方向)水深为常数对于大陆架附近的海域,海底的深度是平缓变化的,为简化模型,假设浅海水深为固定常数.3)在声波由海底反射时,海底会吸收一部分能量,这里假设海底的反射系数近似为0.85.同时,声波经过海底反射时,产生相移180°.4)海面的反射系数只与海面的风速和载波频率有关.在声波发射端与接收端距离比发射端与接收端深度大得多的情况下,海面的反射系数公式为rs=1+(f/f1)21+(f/f2)2其中f2=378w-2,f1=10f2,其中f是载波频率,w是风速[2].4 接收端接收信号的相关计算直达声线的传播距离D=L2+(h1-h2)2.首次反射和最后一次反射均通过海面的声线传播距离为SSn=L2+(2nH-h1-h2)2.首次反射和最后一次数反射均通海底的声线传播距离为BB n=L2+[2(n-1)H+h1+h2)2首次反射经过海面,而最后一次反射经过海底的声线传播距离为SBn=L2+(2nH-h1+h2)2,首次反射经过海底,而最后一次反射经过海面的声线传播距离为BS n=L2+(2nH+h1-h2)2,声波经过直达路径D的传播时间为:t0=D/c,声波经过经SSn的传播时间为tSS n=SSn/c,声波经过BBn的传播时间为tBB n=BBn/c,声波经过SBn的传播时间为tS B n=SBn/c,声波经过BSn的传播时间为tBSn=BSn/c,声音的传播损耗主要由海水对声音的吸收、海面反射损失、海底反射损失和扩散损失组成.由于本模型已认扩散损失按距离衰减,为简化问题,将海面和海底的联合衰减系数定义为k SSn=-(r b)n-1(r i)n=-0.85n-1(r S)nkBB n=-(rb)n(rS)n-1=-0.85n(rS)n-1kS B n=(rb)n(rS)n=0.85n(rS)nkBSn=(rb)n(rS)n=0.85n(rS)n式中的rb为海底的反射系数,假设其为0.85,负号为声波相位改变180°.因此,接收端的信号可表示为r(t)=∑∞i=1kix(t-τi)其中k i表示第i条路径相对于直达路径的归一化衰减因子考虑到海水对声波的吸收作用,设海水对声音的吸收系数为,则不同路径对声音信号的吸收系数为97 第12期 贺繇:浅海水声信道模型分析及频率选择性衰落仿真..2..k0k SS n=DSS nk S S nk 0k BB n=DBB n k BB nk 0k S B n=DSB nk SB nk 0k BS n=DBS nk B S nk 0则接收端的信号最后可写为[2]:r(t)=1+∑∞n=1[k SS ne-t S S+k BB n e-t BB+k S B ne-t BB]5 信道模型仿真通过Matlab 软件,仿真在水深为80米的浅海中,将水声发射器置于水下65米、水声接收器置于水下50米,在水平相距2公里和20公里处,发射不同频率的正弦波信号,接收端收到信号的情况.通过仿真图形可以看出:随着距离的增大,接收端接收到的信号越来越微弱,在2公里处的接收机和20公里处的接收机接收到的信号强度差别很大,说明声波在传输过程中衰减很强.不管是在2公里距离上还是在20公里距离上,接收机接收到的信号都随着频率的不同而幅度各不相同,出现了频率选择性衰落,在2公里距离上的频率选择性衰落强于20公里距离上的频率选择性衰落.这说明浅海水声信道对不同频率的声波衰减不同,并且距离越近,频率选择性衰落越明显.这是由于收发端距离较近时,接收端能够接收到声线较多,多个路径信号相互抵消和迭加引起的信号幅度起伏较为剧烈;而在收发端距离较远时,接收端接收到的声线数量较少,并且到达的声线都已经历较强的衰减,所以此时引起接收端信号的起落较为平缓.图2 接收机在2公里处接收到的信号图3 接收机在20公里处接收到的信号 综上所述,浅海水声信道是一个复杂多变的信道,具有较强的频率选择性衰落特征.同时,水声信道的码间干扰、浅海背景噪声和有限的带宽,使浅海水声信道成为了迄今最为复杂的无线通信信道之一.浅海水声信道的研究,必须综合信号处理、声学、海洋学、通信技术等多学科知识才能取得较好的进展.参考文献:[1]蔡惠智,刘云涛,等.水声通信及其研究进展[J ].物理,2006,35(12):1038-1043.[2]许俊.水声语音通信研究[D ].厦门:厦门大学,2001:15-33.[3]魏莉,许芳,孙海信.水声信道的研究与仿真[J ].声学技术,2008,27(1):25-29.[4]孙博,程恩,欧晓丽.浅海水声信道研究与仿真[J ].无线电通信技术,2006(3):11-15.[5]李蓉艳,杨坤德,邹士新.多输入多输出浅海水声信道响应的盲估计[J ].同济大学学报(自然科学版),2007,35(5):664-668.【编校:李青】8 宜宾学院学报 第10卷 。
浅海水声信道中声信号特性研究随着现代技术的不断发展,海洋资源的开发利用越来越受到人们的关注。
而浅海区域是海洋资源最为丰富的地区之一,但同时也是海洋环境条件最为恶劣的地区。
声学信号作为传感器与浅海环境的重要交互媒介,其研究对于海洋资源开发利用至关重要。
本文从浅海水声信道中声信号的特性入手,综合国内外相关研究成果进行梳理,并对未来的研究方向进行展望。
一、浅海水声信道中声信号的传播机理浅海水声信道是海洋水声波传输的最重要的一种水声信道。
据研究表明,浅海水声信道的形成与以下因素有关:1.海底地形:不同的海底地形会对水声信号的传播能力产生影响,比如海底山脉、沟壑等地形会对水声信号的反射、散射和折射产生显著的影响。
2.海水的物理性质:浅海水体中水层之间存在明显的界面,海水的盐度、温度和压力等物理因素都会对水声信号的速度、传播方向以及衰减程度产生影响。
3.水下生物:浅海水体中的生物群落对水声信号的传播和接收均有显著影响。
比如鲸鱼、海豚等水生动物会发出强烈的声波,对水声信号的传播产生干扰;而某些海洋无脊椎动物(如海葵)则可能被用作水声通信的“天线”。
以上因素的综合作用构成了浅海水声信道中复杂的水声环境。
不同的海洋环境对声信号的传播和接收都会产生不同的影响,因此了解和研究浅海水声信道中声信号的特性非常重要。
二、浅海水声信道中声信号的特性1.多径效应多径效应是浅海水声信道中最显著的声学现象之一。
由于浅海水体中存在着复杂的地形和物理性质不同的水层,声波在传播过程中会经历多次反射、折射和散射等过程。
这些过程使得声波信号在接收端产生明显的多个迟到成分,从而对声信号产生衰减和扩散效应。
多径效应的研究对于提高浅海水声通信的抗干扰能力和提高系统灵敏度具有重要意义。
2.衰减效应衰减效应是指声波在传播过程中会逐渐失去能量,从而使得声波信号在一定距离后变弱或者消失的现象。
浅海环境中,水层之间具有强烈的界面反射和散射效应,同时水体中存在的杂质、悬浮物和生物等也会对声波的传播造成阻碍和衰减。
浅海水声信道特性与改进技术研究随着现代军事技术的发展和海军的迅速发展,深海水声通信已经成为现代海战中不可或缺的一部分。
随着海军的发展,深海通信的应用也不断拓展,从最初的通讯、导航、大气观测等,到现在的海洋环境研究、资源调查、天气预报、污染监测和海底观测等方面,深海通信已经逐渐成为一个交叉领域。
而在深海通信中,浅海水声信道特性的研究和改进技术的开发,对于提高深海通信的效率和准确性至关重要。
一、浅海水声信道特性首先,浅海水声信道特性是什么?简言之,是指海水中传播水声波时,由于介质的复杂性(海水深度不同、温度、盐度、岩石地貌、海洋生物等因素的影响)而产生的信道效应,即噪声、色散、多径效应和湍流等。
特别是在浅海海域中,海底地形和海洋变化等因素会导致信道折射、反射、散射及扩散等效应的增强和信号衰减和失真,对水声通信和探测的准确性产生重要影响。
根据信道特性的影响,我们可以将水声信道划分为经典信道和强烈信道两种类型。
经典信道是指水声波传播的传统路径,传播距离较短,信号较强,受到的干扰较少;强烈信道则指传播距离较长的信道,信号衰减非常严重,多径效应严重等。
其次,探索浅海水声信道特性,需要了解影响信道的因素。
在海洋环境中,影响浅海水声信道的因素非常多,涉及海洋环境、海底地形、水深、海流、波浪等,同时,在声信号传播的过程中,还存在多种衰减和多径效应,导致声信号的失真和延迟。
这些因素对水声通信和探测的可靠性、准确性和效率产生了重要影响。
二、改进技术的研究在深海通信中,浅海水声信道特性的研究和改进技术的开发是逐渐增多和深入的。
目前,改进技术主要是通过调整和优化水声信号的传输参数,以提高通信和探测系统的性能和效率,通过使用信号处理算法来减小多径效应和衰减效应。
这些技术包括:1、信道建模信道建模是通过建立海洋环境、海底地貌、多径传播、散射效应等物理模型,来描述水声信道的输运特性。
通过对这些建模的不同因素进行数据采集和计算分析,可以为声信号的优化传输和接收打下坚实的基础。
浅海声信道特性研究摘要:研究了浅海声信道特性。
水声信道特性直接影响水下目标探测、定位、跟踪和水声通信的性能,通过仿真研究分析了信道频率特性呈梳状结构及信道多途扩展特性,并分析了收、发节点的布放位置对声信道特性的影响。
以信道的互相关函数描述不同时刻信道之间的相关性,通过湖试数据分析了信道的时变特性。
关键词:水声信道梳状滤波器多途扩展时变特性从通信论的观点来看,海洋就是声信道,其传播特性较无线电信道要恶劣的多[1-4]。
海洋信道属于不平整双界面随机不均匀介质信道,又是时间、空间弥散的慢衰落信道,能量损失不仅随距离并且随频率增加而变大,传播过程中时变、空变及多途效应严重。
水声信道特性直接影响水下目标探测、定位、跟踪和水声通信的性能。
声纳置于不同的位置,作用距离将可能相差甚远。
例如,在北方海区冬季常常出现等温层,由于海水静压力形成正声速梯度层,声传播条件类似于表面声道,在这种条件下,声纳置于表面层会有较远的作用距离;在某些海区,在某一深度上出现声速极小值,形成所谓浅海水下声道,这是较表面声道更好的声传播条件,部分声线不触及海面和海底而形成会聚区,为得到更大的作用距离,声纳应尽可能置于此声道轴附近;在南方海区夏季,强烈日照形成了较大的负温度梯度,声线急剧折向海底,声传播损失很大,这是浅海中常常遇到的恶劣的声传播条件,此时应尽可能将声纳置于深处负梯度层相对小的位置。
因此水声信道特性研究成为水声学的基础理论研究课题,对各类声呐设计具有理论指导作用和工程应用意义。
1 相干多途信道就大多数应用场合来看,实验证明声信道可以看作缓慢时变的相干多途信道[5]。
所谓相干多途信道模型是指:介质和边界都是时不变的,声源和接收机位置也是确定的,从声源发出的信号沿各种不同的途径到达接收点,它们互相干涉叠加。
声信道是一个时变、空变的随机信道,它对声信号的影响主要有两个方面:一是海洋中声传播的方式和能量传播损失;二是对信号所进行的变换,确定性变换导致接收波形的畸变,随机性变换导致信息损失。
浅海水声信道模型
对浅海水声信道建模,一方面可以大致估计水声通信设备在不同水声信道下的性能;另一方面,可以很方便地控制各种不同的输入参数,以便模拟不同的实际环境,大大节省出海实验的费用和时间。
但是,要想获得完全符合实际应用环境的水下通信信道的解析模型在目前是不可能的,我们只能在假设一些理想条件的前提下,针对浅海信道影响信号传输和接收的主要干扰因素加以考虑,建一个半经验的模型。
水声信道尤其是浅海水声信道是典型的变参信道,其特性随时间和空间不断地变化,称为时变多径衰落信道。
在水声数字通信系统的研究中,常用图3-3的模型表示:
图3-3 浅海水声信道模型
图中,()i s t 为发射信号,(;)h t τ为水声信道单位冲激响应,()n t 为信道噪声,()r s t 为经过信道后的信号,()r t 为接收信号,其中t 为时间变量,τ为时间延迟。
则接收信号可表示为:
()()()(;)()()
r i r t s t n t h t s t d n t τττ=+=-+⎰ (3-13)
根据浅海水声信道的特点,浅海水声信道可以建立两类模型[5,27,28]:一是建立一个N 径非时变的确定性模型。
二是建立一个随机统计模型,对于近距离的浅海水声信道可以建立莱斯衰落和加性高斯白噪声信道模型;对于中、远距离的浅海水声信道可以建立瑞利衰落和加性高斯白噪声信道模型。
3.2.1 N 径确定性模型
针对浅海水声信道,在建立浅海水声信道N 径确定性传播模型之前,
先假设几个理想条件: 1) 水深为常数;
2) 当声线掠射角小于5°、载波频率小于50KHz 和海底介质的密度大于
31.4/g cm (例如 沙,淤泥,粘土等介质) 时,海底的反射系数b r 近似为1,
同时相位偏移为180°,考虑到浅海海底介质一般由细沙和淤泥构成,同时掠射角总是大于0°,无论怎样,声波由海底反射时,声能总是有所损失的,而且随着掠射角的增大而增加,在这里假设海底的反射系数等于0.9; 3) 海面的粗糙程度可以用瑞利参数R 来描述:
)sin(2ϕσπc f
R =
(3-14)
其中,f 为工作频率,c 为声速,σ为海面波浪高度(波峰到波谷)的均方根值,ϕ为声线掠射角。
经验数据表明,当瑞利参数1<<R ,海面可以被认为是平滑的;当瑞利参数1>>R ,则海面被认为是剧烈起伏不定的。
对于小掠射角,海面的反射系数只与海面的风速和载波频率有关,并且海面的反射系数s r 可以由下式给出:
222
111⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪
⎭⎫ ⎝⎛+=f f f f r s (3-15)
其中 22378-=w f , 2110f f =,ƒ为载波频率,单位是kHz ,w 为风速,单位是节(knots )。
假设使用的载波频率kHz f 10=,当风速为10knots 时,海面反射系数461.0=s r ;
由于浅海的发射端和接收端的水平距离远大于海水深度,即H L >>,传播中弯曲的声线弧线可以近似用直线代替;
4) 从发射端到接收端,直达路径所能到达的最远距离可以根据下式计算:
gr
a D 22
max = (3-16)
其中a 为发射端距离海底的高度,gr 为声速梯度且1
5102.1--⨯=米gr ,
D称为相邻两次反射之间的最大跨距。
max
图3-4所示为浅海水声信道传播路径模型。
图3-4 浅海水声信道声传播路径模型
把发射端发出的声射线分成五种类型,图中各种声线的标志及其代表的声线类型如下表3-2所示。
下标n代表经过海底反射的次数,图中只标出n=1的声线。
表3-2 各种声线的标志及其代表的声线类型标志声线类型
D直达声线
SS从发射端出发第一次反射经由海面,到达接收端时又经过海面反射而来n
的声线
SB从发射端出发第一次反射经由海面,到达接收端时经过海底反射而来的n
声线
BS从发射端出发第一次反射经由海底,到达接收端时经过海面反射而来的n
声线
BB从发射端出发第一次反射经由海底,到达接收端时又经过海底反射而来n
的声线
D为直达路径所能到达的最远距离,则在不考虑浅海水声信道定义
max
的时变因素和环境噪声的情况下,在接收端可得到接收信号表示如下:
当max L D ≤时,
1()1[]
SS BB SB BS n
n
n
n
n n n n SS BB SB BS n r t e
e
e
e
τττταααα∞
----==++++∑ (3-17)
当
max
L D >时,为远距离通信,无直达信号,则:
1
()[]
SS BB SB BS n
n
n
n
n n n n SS BB SB BS n r t e
e
e
e
τττταααα∞
----==+++∑ (3-18)
其中n n ss SS n D R SS αα=
,n n BB BB n D R BB αα=,n n SB SB n D R SB αα=,n n BS BS n
D
R BS αα=,
α为海水吸收系数,上述式子中各符号的定义如上表,s r 为海面反射系数。
下表3-3给出了不同路径的延迟及海面和海底反射的联合衰减系数。
表3-3 不同路径的延迟及海面和海底反射的联合衰减系数
浅海水声信道N 径确定性模型如图3-5所示。
图3-5 浅海水声信道N 径确定性模型
3.2.2 随机统计模型
实际上,浅海水声信道是非常复杂和多变的,这些不确定性只能用统计的方法来描述。
实验证明浅海水声信道近距离服从莱斯(Rice )衰落模型,而传输中、远距离上服从瑞利(Rayleigh )衰落模型。
1) 莱斯衰落信道模型
对图3-5所示的N 径确定性模型进行一些调整,将固定延时
i τ修改为随
机变量()i t τ,()i t τ呈高斯正态分布,均值为该路径上的主声线的时延值;各个路径的固定幅度i α修改为()i t α,()i t α为高斯正态分布,均值为该路径上主声线的幅值,这样就得到关于水平近距离浅海水声信道的莱斯衰落信道模型,如图3-6所示。
图3-6 莱斯衰落信道模型
2) 瑞利衰落信道模型
图3-7 瑞利衰落信道模型
在图3-6的基础上去掉直达路径,同时由于在中、远距离的浅海水声信道中,各条声线之间的幅度差和路程差更大,所以相应要增大每个路径幅度和传播时延随机变量的方差,这样就可以建立关于中远距离浅海水声信道的瑞利衰落信道模型,如上图3-7所示。