水聲信道特性與信號在水聲信道中的傳播特性研究?

代 偉

（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

隨著海洋開發需求的日益增大以及海軍現代化建設步伐的逐漸加快，人們對海洋研究的相關內容以及相關課題的探索范圍正在逐步擴大，水聲通信技術［1～4］、匹配場處理技術［5～7］、陣列波束形成技術、水聲信道特性［8～12］等領域的研究正處于蓬勃發展階段。水聲信號以其優異而又獨特的性能使其成為在水下傳輸信號的最理想的載體。水聲信號的傳輸是通過聲納系統來完成的，首先將要發送的信號輸入到水聲信號發射機，發射機將電信號輸入到水聲換能器，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被由壓電晶體材料制成的換能器轉換為聲音信號并向水中輻射，如果若干個換能器構成一個陣列，那么可以通過改變換能器陣列的指向性來改變發射信號的發射方向。水聲信道的特性對于聲納發射的信號有很大的影響，影響聲線的傳播路徑、水聲信號的傳播損失、水聲信號的多徑效應、水聲信號的傳播距離等等，水聲信道可以看作是由不平整的海面和海底構成的波導而形成的隨時間、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、近岸工業噪聲等多種因素的影響，由于水聲信號在水聲信道中傳輸，所以研究水聲信道的特性以及它對于水聲信號的影響是十分必要的。

對于水聲信道特性的研究，已經有很多科研機構做了大量詳細而又系統的工作，對水聲信道的理論研究做了很好的支撐。文獻［13］對水聲信號的傳輸特性做了細致的研究，對水聲應用系統的開發提供了很好的理論依據。文獻［14］通過計算機仿真實驗，在不同聲速梯度海況下仿真分析多徑效應對水聲通信系統的影響，同時還仿真分析了多徑效應與水聲信道的衰減、多普勒效應和噪聲等因素相結合時的信道模型。文獻［15］對水聲信道的建模和仿真進行了分析，并采用Matlab對水聲信道模型進行了仿真。而在文獻［16］中對水聲信道的時變特性進行了研究，研究了時變水聲信道對通信的影響。

針對水聲信道受時間、頻率、空間等多種因素的影響，并對水聲信號的傳播會產生多種影響，本論文對水聲信道的特性做了研究。基于BELLHOP聲線傳播模型研究了水聲信號在水聲信道中傳輸時傳播損失隨深度和距離的變化、聲速剖面對聲線傳播的影響、水聲信道的沖擊響應特性、水聲信號經過水聲信道后的特性等，并得出了一些有價值的結論。

2 仿真計算過程［17～18］

本文仿真計算基于BELLHOP計算出水聲信道的特性，再計算出水聲信道的沖擊響應，運用Matlab 軟件設計線性調頻信號，并計算線性調頻信號在水聲信道中的傳播特性。

BELLHOP是美國海洋聲學實驗室開發的聲學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，是計算水聲信道特性的常用工具之一，這種聲線跟蹤結構使得其算法較為簡單，它是基于幾何和物理的傳播規律的信道模型，利用它可以計算聲線的傳播規律，聲線的傳播損失隨傳播深度和傳播距離的關系，海底掠射角與海底反射損失的關系，時延與傳播距離的關系，聲速剖面對水聲信道的影響等。

水聲信道可以看作是一個時間、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水聲信道的影響，設計了本文的仿真計算實驗，仿真計算時設定發射信號聲波頻率為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為0.5dB/wavelength，仿真計算了10條聲線的傳播路徑。

3 計算結果與分析

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系

表1 所示為海水聲速剖面的變化對聲線傳播的多個特性的影響。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參數設定為聲源到海面第一反射點的水平距離，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，這5 個參數反映了影響海水中傳播的水聲信號的不同方面，一定程度上反映了聲線的傳播規律。從表中可以看出對于聲源到海面第一反射點的水平距離，隨著海水聲速的增加，這一水平距離變量呈現逐漸增大的趨勢，當海水聲速位于1400m/s 至1450m/s 區間時，聲源到海面第一反射點的水平距離值最小，為167m；當海水聲速達到1750m/s 到1800m/s 時，這一變量值達到最大，為170.3m。定義海底掠射角拐點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。對于海底掠射角拐點，隨著海水聲速的逐漸增大，海底掠射角拐點的值呈現逐漸減小的趨勢，當海水聲速的值為1400m/s 到1450m/s 時，海底掠射角拐點的值最大，為42.78°；隨著海水聲速值的逐漸增大，海底掠射角拐點的值逐漸減小，當海水聲速增加到1750m/s 到1800m/s 時，海水掠射角拐點的值減小為23.97°。這一參數的變化說明對于較小的海水聲速，在海水中傳播的聲線可以在更大的掠射角范圍內實現較小的海底反射損失。對于海底反射損失，隨著海水聲速的逐漸增大，海底反射損失值呈現逐漸增大的趨勢，當海水聲速處于1400m/s 到1450m/s 區間時，海底反射損失值最小，為7.369dB，隨著海水聲速的增加，這一值也呈現逐漸增大的趨勢，當海水聲速達到1750m/s 到1800m/s 時，海底反射損失值達到9.477dB。隨著海水聲速的逐漸增大，水聲信號傳播損失隨深度變化的平均值呈現先減小后增大的趨勢，當海水聲速處于1400m/s 到1450m/s 區間時，這一平均值為50dB，當海水聲速的值增加到1550m/s 到1600m/s 時，這一平均值減小到最小，為45dB，隨著海水聲速的進一步增大，這一平均值又呈現增大的趨勢，當海水聲速達到1750m/s 到1800m/s 時，這一平均值達到52dB。對于水聲信號傳播損失隨距離變化的平均值而言，隨著海水聲速的增加，這一值大致呈現逐漸增大的趨勢，當海水聲速處于1400m/s 到1450m/s 區間時，傳播損失隨距離變化的平均值最小，為45.5dB，當海水聲速達到1650m/s 到1700m/s 時，傳播損失隨距離變化的平均值最大，為47.92dB。

表1 海水聲速剖面對聲線傳播的多個參數的影響

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曲線。由圖中可以看出本論文中的多徑信道的沖擊響應曲線比較復雜，多途信號多且幅度較大，但也可以看到多途信號的時延擴展沒有，幾乎都是分開獨立存在于信道中的，選擇的信道沖擊響應的時間長度為1200ms，可以看出在140ms 的時間碼片上，出現信道中信號最強的脈沖峰值，而在150ms 到730ms 這一時間段上連續出現了峰值幅度較大的脈沖峰，在其它的時間碼片上，信道沖擊響應的幅度很低或者沒有。

圖3 水聲信道的沖擊響應曲線

線性調頻信號是水聲中常用的一種信號體制。它占用的頻帶寬度遠大于信息帶寬，可以獲得很大的系統處理增益。同時由于線性調頻信號具有較好的時延分辨力、頻率分辨力，較大的多普勒容限，可同時調整距離和速度的測量精度，并且在混響背景中檢測信號的能力較強等一些優點，使得線性調頻信號在聲納體制中應用十分廣泛。線性調頻信號的函數為y=exp(1j*pi*k*t.^2)，其中k為線性調頻的系數，k=B/T，B為信號的帶寬，T為信號的時間寬度。線性調頻信號是通過對載波頻率進行調制從而增加信號的發射帶寬并在接收時實現脈沖壓縮，由于線性調頻信號具有較高的距離分辨力，當在速度上無法區分多目標時，可以通過增加目標距離測試解決多目標的分辨問題，同時在抗干擾方面，線性調頻信號可以在距離上區分干擾和目標，因而可以有效地對抗拖曳式干擾。圖4 所示為線性調頻信號的時域波形圖，圖5 所示為線性調頻信號的時域離散波形圖。從圖4和圖5可以看出線性調頻信號在信號持續時間內，頻率成線性增加的趨勢。本論文中線性調頻信號的采樣率為100Hz，時間寬度為5s，帶寬為10Hz，線性調頻信號時域離散波形的采樣間隔為0.05s。

圖4 線性調頻信號的時域波形圖

圖5 線性調頻信號時域離散波形圖

圖6 所示為線性調頻信號經過水聲信道與信道沖擊響應作用后的輸出信號的波形圖。從圖中的包絡曲線可以很清楚地看到信道沖擊響應的作用結果，輸出信號的波形結果中信號峰值強度最大的地方與信道的沖擊響應曲線的峰值結果對應一致，由于是與線性調頻信號卷積的結果，時間上有一些延遲，并且從輸出結果來看，輸出信號前半部分頻率較低，后半部分頻率較高，這與線性調頻信號的頻率持續增加有關系。

圖6 線性調頻信號經過水聲信道后的輸出波形圖

4 結語

本文以BELLHOP聲線模型作為水聲信道的傳播模型，對水聲信號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系，發現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聲線傳播的多個特性的影響，結果表明對于聲源到海面第一反射點的水平距離，隨著海水聲速的增加，這一水平距離變量呈現逐漸增大的趨勢；隨著海水聲速的逐漸增大，海底掠射角拐點的值呈現逐漸減小的趨勢；隨著海水聲速的逐漸增大，海底反射損失值呈現逐漸增大的趨勢；隨著海水聲速的逐漸增大，水聲信號傳播損失隨深度變化的平均值呈現先減小后增大的趨勢；對于傳播損失隨距離變化的平均值，隨著海水聲速的增加，這一值大致呈現逐漸增大的趨勢。水聲信道的沖擊響應曲線比較復雜，多途信號多且幅度較大，但可以看到多途信號的時延擴展沒有。線性調頻信號經過水聲信道后的輸出結果充分展現了信道的特性和線性調頻信號的特點。