淺海聲信道特性研究

摘 要:研究了淺海聲信道特性。水聲信道特性直接影響水下目標(biāo)探測(cè)、定位、跟蹤和水聲通信的性能，通過(guò)仿真研究分析了信道頻率特性呈梳狀結(jié)構(gòu)及信道多途擴(kuò)展特性，并分析了收、發(fā)節(jié)點(diǎn)的布放位置對(duì)聲信道特性的影響。以信道的互相關(guān)函數(shù)描述不同時(shí)刻信道之間的相關(guān)性，通過(guò)湖試數(shù)據(jù)分析了信道的時(shí)變特性。

關(guān)鍵詞:水聲信道梳狀濾波器多途擴(kuò)展時(shí)變特性

中圖分類(lèi)號(hào):TB56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)01(b)-0006-02

從通信論的觀點(diǎn)來(lái)看，海洋就是聲信道，其傳播特性較無(wú)線電信道要惡劣的多[1-4]。海洋信道屬于不平整雙界面隨機(jī)不均勻介質(zhì)信道，又是時(shí)間、空間彌散的慢衰落信道，能量損失不僅隨距離并且隨頻率增加而變大，傳播過(guò)程中時(shí)變、空變及多途效應(yīng)嚴(yán)重。

水聲信道特性直接影響水下目標(biāo)探測(cè)、定位、跟蹤和水聲通信的性能。聲納置于不同的位置，作用距離將可能相差甚遠(yuǎn)。例如，在北方海區(qū)冬季常常出現(xiàn)等溫層，由于海水靜壓力形成正聲速梯度層，聲傳播條件類(lèi)似于表面聲道，在這種條件下，聲納置于表面層會(huì)有較遠(yuǎn)的作用距離;在某些海區(qū)，在某一深度上出現(xiàn)聲速極小值，形成所謂淺海水下聲道，這是較表面聲道更好的聲傳播條件，部分聲線不觸及海面和海底而形成會(huì)聚區(qū)，為得到更大的作用距離，聲納應(yīng)盡可能置于此聲道軸附近;在南方海區(qū)夏季，強(qiáng)烈日照形成了較大的負(fù)溫度梯度，聲線急劇折向海底，聲傳播損失很大，這是淺海中常常遇到的惡劣的聲傳播條件，此時(shí)應(yīng)盡可能將聲納置于深處負(fù)梯度層相對(duì)小的位置。因此水聲信道特性研究成為水聲學(xué)的基礎(chǔ)理論研究課題，對(duì)各類(lèi)聲吶設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)作用和工程應(yīng)用意義。

1 相干多途信道

就大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)看，實(shí)驗(yàn)證明聲信道可以看作緩慢時(shí)變的相干多途信道[5]。所謂相干多途信道模型是指:介質(zhì)和邊界都是時(shí)不變的，聲源和接收機(jī)位置也是確定的，從聲源發(fā)出的信號(hào)沿各種不同的途徑到達(dá)接收點(diǎn)，它們互相干涉疊加。

聲信道是一個(gè)時(shí)變、空變的隨機(jī)信道，它對(duì)聲信號(hào)的影響主要有兩個(gè)方面:一是海洋中聲傳播的方式和能量傳播損失;二是對(duì)信號(hào)所進(jìn)行的變換，確定性變換導(dǎo)致接收波形的畸變，隨機(jī)性變換導(dǎo)致信息損失。因而聲信道可以看作是對(duì)發(fā)射波形進(jìn)行變換的濾波器。若觀察或處理時(shí)間不是過(guò)分長(zhǎng)，則聲信道可以用時(shí)不變的濾波器來(lái)描述。采用射線聲學(xué)的觀點(diǎn)，聲信號(hào)沿不同途徑的聲線到達(dá)接收點(diǎn)，總的接收信號(hào)是通過(guò)接收點(diǎn)的所有聲線傳送的信號(hào)的干涉疊加，產(chǎn)生復(fù)雜的空間干涉圖案和復(fù)雜的濾波特性。相干多途信道的沖激響應(yīng)函數(shù)為[5]:

(1)

式中為聲波沿第條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)的本征聲線聲壓幅度;為聲波沿第條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)的本征聲線的相對(duì)時(shí)延;為通過(guò)接收點(diǎn)對(duì)聲場(chǎng)有貢獻(xiàn)的本征聲線的數(shù)目。

多途信道中的聲場(chǎng)強(qiáng)度及接收波形由本征聲線的特征聲線參數(shù)決定。本征聲線是指所有到達(dá)接收點(diǎn)的、對(duì)聲場(chǎng)有重要貢獻(xiàn)的聲線的集合。

信道仿真模型為研究水下聲場(chǎng)特性提供了方便而有力的工具，便于在實(shí)驗(yàn)室獲得大量不同水文分布條件和環(huán)境參數(shù)的海洋信道模型。模擬海洋中聲傳播的最早嘗試是在第二次世界大戰(zhàn)期間。近些年來(lái)，計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了計(jì)算海洋聲學(xué)的巨大進(jìn)步，已經(jīng)擁有包括射線理論(Ray Trace Theory)[6]、簡(jiǎn)正波理論(Normal Mode)[7]、拋物方程方法(Parabolic Equation)[8，9]、有限元方法等多種預(yù)報(bào)海洋聲場(chǎng)的計(jì)算方法，為分析信號(hào)的傳播特性和空間相干特性提供了重要手段。Jensen[10]于1982年在分析不同聲場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上給出了不同模型的適用情況。

本文將采用聲信道預(yù)報(bào)軟件[11]在計(jì)算機(jī)中對(duì)水聲信道進(jìn)行仿真建模。該軟件可模擬不同水文條件、不同海況以及各種海底介質(zhì)的海洋聲信道環(huán)境，提供信道沖激響應(yīng)函數(shù)(Channel Impulse Response，CIR)。該系統(tǒng)根據(jù)水文條件、海面和海底的聲學(xué)特性、目標(biāo)的位置和深度等參數(shù)，利用射線聲學(xué)的方法建立海洋多途信道模型。

2 淺海聲信道

淺海聲道[12]的含義是:在海洋某一深度下，當(dāng)聲波在其中傳至遠(yuǎn)處時(shí)，聲波經(jīng)受海面和海底多次反射，被限制在海洋的上下邊界之間，海面和海底的聲學(xué)特性對(duì)聲場(chǎng)有重要影響。從聲學(xué)意義上講，淺海指水平傳播距離至少數(shù)倍于海水的深度;從地理學(xué)意義上講，淺海是指港口和海灣等內(nèi)海以及深度小于100潯(1潯=1.852米)的大陸架近海，它往往向外伸展到大陸架的邊緣。

我國(guó)大部分海域都是淺海，其傳播條件較深海惡劣。在淺海中，聲傳播損失依賴(lài)于海面、海水介質(zhì)和海底的許多物理參數(shù)。聲信號(hào)起伏是海洋傳播的明顯特征之一，即使在相同位置、不同時(shí)刻發(fā)出的相同信號(hào)，到達(dá)固定接收點(diǎn)的信號(hào)也會(huì)隨時(shí)間而變化。其一方面原因，海水本身是不均勻的，含有溫度不均勻性及海水處于湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，導(dǎo)致各種傳播途徑之間產(chǎn)生時(shí)變的干涉效應(yīng)，使接收到的是時(shí)變信號(hào)。另一方面，海面反射聲是起伏的，在近距離，粗糙海面反射聲起伏是很大的，但它隨距離的增大而趨于減小，因?yàn)檫@時(shí)對(duì)海面的掠射角變小，而海面的作用越來(lái)越趨于全反射。另外，淺海中海底的聲學(xué)特性也十分復(fù)雜，往往按密度或聲速分層，其對(duì)確定傳播損失起著很大的作用，比海面反射復(fù)雜得多。

圖1給出了實(shí)測(cè)得到的某淺海聲速分布，海深約為105m。

改變收、發(fā)節(jié)點(diǎn)間相對(duì)水平和垂直位置即可得到不同的信道沖激響應(yīng)函數(shù)。

收、發(fā)節(jié)點(diǎn)分別位于水深10m、20m，水平相距10km時(shí)的信道沖激響應(yīng)。此時(shí)，收、發(fā)節(jié)點(diǎn)處于表面聲道，由于海水靜壓力形成了一個(gè)正聲速梯度層，傳播特性良好，直達(dá)聲幅度明顯大于多途信號(hào)幅度。收、發(fā)節(jié)點(diǎn)分別位于水深50m、60m，水平相距10km時(shí)的信道沖激響應(yīng)。此時(shí)，收、發(fā)節(jié)點(diǎn)間聲道處于負(fù)梯度較大的溫躍層，聲速隨深度增加而急劇減小，多途擴(kuò)展比較嚴(yán)重且多途信號(hào)的幅度較大，會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的碼間干擾(Intersymbol interference，ISI)。

另外，信道為一個(gè)“梳狀濾波器”，其頻率特性相間出現(xiàn)“通帶”和“止帶”，稱(chēng)為“子通帶”。水深10～20m的水層為均勻水層，而50～60m為負(fù)梯度水層，對(duì)比圖(c)與圖(d)可得出結(jié)論:均勻?qū)拥钠骄油◣挘瑢捰谪?fù)梯度層子通帶帶寬。這意味著不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過(guò)聲信道傳播后，位于止帶的頻率分量信號(hào)的幅度較小且信號(hào)波形畸變將較為嚴(yán)重。由于信道具有頻率不均勻特性，不同頻率的波形可能有不同的波形衰落，這意味著時(shí)域衰落具有頻率選擇性。將聲信道使信號(hào)包絡(luò)上發(fā)生的時(shí)變起伏現(xiàn)象稱(chēng)為信道的時(shí)域衰落。

3 聲信道時(shí)變特性湖試分析

2006年8月在吉林省松花湖進(jìn)行了水聲通信試驗(yàn)。聲信道特性對(duì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通信有重要影響，所以本次試驗(yàn)對(duì)信道特性也進(jìn)行了分析。系統(tǒng)工作頻帶6～9kHz，采樣頻率為44.1kHz，發(fā)射、接收換能器皆為無(wú)指向性。該季節(jié)為松花湖旅游旺季，游船特別多，環(huán)境噪聲干擾大，選取在大壩附近進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)水域條件，試驗(yàn)距離最近600m，最遠(yuǎn)3490m。

收、發(fā)節(jié)點(diǎn)分別位于兩艘處于自由漂泊狀態(tài)的船上，風(fēng)浪使節(jié)點(diǎn)間存在緩慢的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最大漂泊速度約0.4m/s。每隔5s發(fā)送一次信道測(cè)試碼(LFM信號(hào))，共發(fā)送12幀。

該季節(jié)天氣炎熱，水文條件較為惡劣。試驗(yàn)當(dāng)時(shí)通過(guò)聲速剖面儀測(cè)量得到的聲速梯度分布，等溫層非常薄，聲速呈負(fù)梯度聲速分布，且負(fù)聲速梯度的量級(jí)較大。

接收端通過(guò)拷貝相關(guān)處理，可以估計(jì)出相應(yīng)幀對(duì)應(yīng)的信道。考察不同幀數(shù)據(jù)的信道測(cè)試碼拷貝相關(guān)輸出的互相關(guān)輸出，即不同幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的信道相關(guān)性，即可得到信道的時(shí)變特性。

信道多途時(shí)延擴(kuò)展達(dá)幾十毫秒。觀察出信道的時(shí)變性，隨著觀測(cè)時(shí)間的推移，后面各幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的信道與第1幀的相關(guān)性逐漸下降，互相關(guān)鋒值降低且旁瓣逐漸增大。但這里的“時(shí)變、空變”是略有局限性的，它僅限于收、發(fā)節(jié)點(diǎn)間只有水平相對(duì)位置的時(shí)變而幾乎沒(méi)有垂直位置的變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了相干多途信道，其時(shí)變、空變和多途效應(yīng)使信號(hào)產(chǎn)生時(shí)域、頻域衰落，并通過(guò)湖試分析了聲信道的時(shí)變特性，指出在水文條件一定時(shí)，通過(guò)改變收、發(fā)節(jié)點(diǎn)的布放位置，可以減小聲信道的不利影響。

聲速的垂直分布對(duì)聲場(chǎng)分布的影響最為敏感，因?yàn)樗绊懧暰€軌跡，從而影響聲線在海底、海面的反射損失。另外，信道的系統(tǒng)函數(shù)還受水層厚度變化、水平位置變化、水層中聲速變化等影響。

聲信道特性對(duì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量水聲通信有直接影響，通過(guò)對(duì)聲信道特性的研究，可以依據(jù)聲速垂直分布來(lái)指導(dǎo)布放收、發(fā)通信節(jié)點(diǎn)的深度，依據(jù)信道的時(shí)變特性定義通信幀長(zhǎng)度、判斷時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡信道均衡技術(shù)隨信道時(shí)變的衰落程度等，對(duì)順利完成水聲通信試驗(yàn)做出了有益貢獻(xiàn)。

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