水声多径信道研究-PPT课件
水声学原理第五章ppt课件
College of Underwater Acoustic Engineering
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0、第四章小结
射线声学 恒定声速梯度下声线水平传播距离求解 曲率半径和平面几何法 已知掠射角时的传播距离公式 已知深度时的传播距离公式 声线图绘制 聚焦因子物理意义
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z0
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二、表面声道
反转深度
概念：在表面声道中传播的声线发生反转的深度
反转深度处声线的特点：声线的掠射角为零
csc0 cH c
D
z0
z0
0 0
zm
z
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二、表面声道
反转深度
cos 0
1 az0
1 1 azm
s
2
：海面处掠射角越大，跨度也越大
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二、表面声道
跨度 最大跨度： 最小跨度：
Dmax
8H / a
D
2
sin s sin a coss
2 tan s
/a
Dmin 8z0 / a 海面处最大小掠射角：
本讲主要内容
第四章小结 邻近海面的水下点源声场 表面声道声线参数
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0、第四章小结
定解条件 第一类齐次边界条件（绝对软） 第二类齐次边界条件（绝对硬） 边界上密度或声速的有限间断（压力和法向振速连续）
水声多径信道研究
1、由于水声场的时-空-频变特性，使得多途现象尤为突出，成为水声通信中
难以克服的困难。
2、浅海边界条件复杂、水中散射体多、介质分布不均匀等因素，也使得增加到一定程度，将不存在直达路径，此时必须利用多途信
号才能有效的通信。
4
水声信道的多径传播模型
声音的速度和深度的函数及相应的海洋截面
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几种海况下的多径现象
远距离(20~2000km)信道 由于水声信道的带宽受限，作用于远距离信道的水声通信系统的
频率只能选在10kHz以下的范围。经过这样长的传播路径后，由于多 径结构的动态变化性，信道的均衡问题仍然不是很容易解决。另外， 由于经过长距离的传播后，信号的传输损失非常大，在设计水声通信 系统时，环境噪声也成为一个比较显著的障碍。
快衰落，也称时间选择性衰落，是用于描述Tcoh<Ts的信道， Tcoh是信道相干时间，Ts是一个码元的传输持续时间。因此，若信道 是快衰落的，则其衰落特性会在一个码元持续时间内改变多次，从而 引起基带脉冲波形的失真。 如果Tcoh>Ts，则信道是慢衰落的，这是信道状态在一个码元持 续时间内保持不变，传输的码元不会有脉冲失真。
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多普勒频展
浅海声信道的多普勒频展是典型的信道衰落速率。 对于调频系统，着重考虑的是多普勒频展对于小频移窄带信号的 影响，如果选择相邻两个载频的频率间隔大于多普勒频展，即Bw>>Bd ， 则可以忽略多普勒频展带来的影响。否则必须考虑对接收信号进行多 普勒频展补偿，对于接收端来说就比较困难。所以对于调频系统，码 元与码元之间的频率必须保留一定的间隔。
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时延扩展 时延扩展Δ—多途接收信号的时域特性
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1 水声信道的多途特性
水声学原理PPT 第一章1
2、波动方程导出
运动方程： p ， u 由连立三个方程 连续性方程： u , 状态方程： p ，
② 思路：
p
2
1 p
2
c t
2
2
波动方程
2013-7-17
第一章 声学基础
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2、波动方程导出
③ 运动方程:(连续介质中的牛顿第二运动定律)
在连续介质中，有声波作用时，各处压缩是不同的，因此各点压强不等，取介 质中任意一小体积元素看，各面受力不平衡，可以建立该体积元的运动方程式。
声波就是质点运动的传播。质点运动或流体运动制 约于物质守恒定律和牛顿定律，这是声波的基础。
2013-7-17 第一章 声学基础 6
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波频段的划分：(根据人耳的听觉，划分为三个频段)
• 20Hz以下的振动称为次声
• 高于20kHz的振动称为超声 • 20Hz至20kHz的声振称为音频声
2013-7-17 第一章 声学基础 3
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波的物理本质 ：声波是弹性介质(气体、液体和固 体)中传播的一种(或多种)机械扰动(振动)(变化)(如 压力、应力、质点位移、质点速度的扰动)。
2013-7-17
第一章 声学基础
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1、声学基础知识
① 声波的基本原理
质点：在弹性介质中，分子以很大速度做随机运动， 在运动中产生随机碰撞，不可能跟踪每个分子的运动。 因此提到质点运动，不是谈个别分子的运动，而是指 若干分子的平均运动。声学中的质点就是这个“集 体”。质点尺寸比分子间距大得多（高几个数量级）， 但是比试验中遇到的物体又小得多（低几个数量级）。 质点理学的质点与数学中的点不同。质点是连续流体 中的一个点，静止，在受力时可以运动
水声学原理PPT--绪论1
俄罗斯D级弹道导弹核潜艇
水声学基础——序论 16
1. 水声学研究的意义 英国
英国最新战略核潜艇-警戒
英国是世界上 第三个拥有核 武器的国家， 英国的核力量 全部为海基， 目前拥有战略 导弹核潜艇4艘， 每艘可携带16 枚“三叉戟” 弹道核导弹， 每枚可携载14 枚分弹头，射 程达12000公 里
哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
2017/10/23 水声学基础——序论 5
课程特点
该课程与以往所学课程在课程内容与教学方 法上均有不同，主要表现在：
1. 注重数学建模； 2. 在数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上 有难度；
3. 注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性 的理论结果；
2017/10/23 水声学基础—Leabharlann 序论 2课程内容序论
第一章
第二章
声学基础
海洋的声学特性
第三章
第四章
海洋中的声传播
典型传播条件下的声场
第五章
第六章 第七章
2017/10/23
声波在目标上的反射和散射
海洋中的混响 水下噪声
水声学基础——序论 3
课程成绩
平时到课：10 平时作业：20
考试成绩：70
被潜艇击沉的潜艇80艘
在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年 10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击
沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家
橡树”号，创造了军事史上的奇迹
2017/10/23 水声学基础——序论 13
1. 水声学研究的意义 美国
美国是世界上 潜艇技术领先、 数量最多的国 家，共拥有潜 艇70余艘，全 部为核动力潜 艇，其中，战 略导弹核潜艇 近20艘、攻击 型核潜艇50余 艘
水声学原理第一章ppt课件
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为了提高主动声纳的作用距离，将发射器做 成具有一定的发射指向性，如下图所示。
解释原因：可以提高辐射信号的强度，相应 也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪 比，从而增加声纳的作用距离。
6
发射指向性指数DIT：
DI T
10 lg
ID I ND
式中：
ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度； IND为无指向性发射器辐射的声强度。 含义：
的回波强度。
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4、海洋环境噪声级NL （Noise Level）
Question：海洋内部是安静的吗？
海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的 声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。
环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量
定义：
NL 10lg I N
I0
式中I0为参考声强度,IN是测量带宽内（或1Hz频带内）的
QUESTION：何为水听器灵敏度?
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水听器灵敏度Sh
定义：
水听器处的声压为p，装置的开路终端电 压是V，则水听器的灵敏度为：
Sh 20 lg( v / p) dB/V
例子：已知水听器的灵敏度为-200dB/V，假设入 射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电 压为几伏？
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无指向性水听器产生的均方电压： 设水听器的灵敏度为单位值，噪声场为 各向同性的，单位立体角内的噪声功率 为Ii，无指向性水听器产生的均方电压 为：
目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同 目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性（频率、 波阵面形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料 等）有关。 目标强度TS定量描述目标反射本领的大小
定义：
时变多径水声信道的仿真研究_牛富强
第28卷 第4期台湾海峡V o l .28, N o .42009年11月J O U R N A LO FO C E A N O G R A P H Y I N T A I W A N S T R A I T N o v .,2009收稿日期:2008-11-10基金项目:国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项基金资助项目(2009049)作者简介:牛富强(1981～),男,研习员,硕士研究生.时变多径水声信道的仿真研究牛富强1,杨燕明1,郭长勇2,刘贞文1,2(1.国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005;2.厦门大学海洋学系,福建厦门361005)摘要:本文针对浅海水声信道的时变特性,基于射线理论引入海洋参数———强度起伏参数Υ、不均匀度参数Λ,建立有效的时变多径信道模型,并采用M a t l a b 工具进行仿真.仿真结果表明,该模型相比于确定性模型更容易理解、更真实.文中给出的模型和结论能够为实际通信系统中发射接收机深度等的选择和设计提供一定的参考和依据,有助于对水声信道的了解.关键词:海洋声学;水声信道;时变信道;多径传播;仿真D O I :10.3969/J .I S S N .1000-8160.2009.04.023中图分类号:P 733.2文献标识码:A 文章编号:1000-8160(2009)04-0586-06随着海洋资源的开发和经济的发展,利用水声信道传输数据信息的需求不断增加,包括军事上的水声通信、遥测海洋涡流水团的数据传输,以及用于监测全球海洋环境及资源的信息传输等.声信道特性的研究是目前水声技术领域中重要而又较薄弱的环节.海洋介质极为复杂多变,尤其在浅海,由于海水对声能的吸收及传播过程中能量的扩展损失导致了信号衰落;海洋上下2个界面对声波的反射及不同声速梯度的折射导致了严重的多径传播;海水介质的随机不均匀性及各种噪声源等引起水声信号畸变.水声信道的时变、空变、频变特性为水声传输技术带来了极大挑战,因此,只有充分认识水声信道的特性,才能逐步地使水声传输系统与真实海洋环境相匹配,从而获得最好的传输性能.近年来计算机仿真技术已成为系统设计和分析的重要工具,引起水声技术领域的高度重视.仿真技术具有快速、灵活、方便、可重复等优点,既可以在水声传输系统设计前对算法进行研究,同时又能大大提高系统设计的速度,从而节约了实际实验成本和时间.水声信道仿真主要是基于射线理论进行建模,文献[1]概述了当前各种射线理论模型,文献[2]在射线理论的基础上,分析了浅海水声信道的确定性模型,但并没有涉及水声信道的时变特性.在许多实际应用中,研究水声信号的缓慢变化是十分重要的,但在外海条件下很难进行现场实验.因此,本文将水声信道看作“缓慢时变的相干多途信道”[3],针对浅海水声信道的传输特性,在确定性模型的基础上,建立了一种时变多径信道模型,并采用M a t l a b 工具进行仿真.仿真结果对水声传输系统的设计具有重要的指导意义.1 浅海水声信道的多径传播模型海洋存在着海面和海底2个界面,声波传输时会发生反射,同时由于温度、盐度和深度的影响,不同深度的声速分布不均匀,从而使声波发生折射.上下边界的反射和海水折射使得水声信道变为多途信道,多途径的声波干涉是设计水声传输系统的主要困难之一.对于浅海水声信道,边界对声信号传播产生很大影响,但如果不考虑海水介质的随机起伏及海底、海面的随机波动,声波传输将会产生稳定的多途.相干多途信道模型假定:海洋边界和海水介质都不随时间变化,声源与接收器之间的位置也固定,声源发出的信号沿不同路径到达接收器,由于海水吸收和边界反射,使得接收信号发生畸变而与原始发射信号有很大差别.声波是微振幅波,它满足叠加定理,因此合理地认为相干多途信道是线性的,可以用线性时不变滤波器来描述[3].然而实际海洋由于随机界面波动、不均匀的介质,以及海水温度微结构、内波、浮游生物和气泡等引起的散射效应,使得声信道随时间变化,这时声场被看作为确定性声场(相干分量)和随机声场(非相干分量)的叠加.本 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究文重点研究随机声场部分.接收信号由相干分量和非相干分量叠加而成,据此声源和接收点之间的海洋信道被看作2个并联的滤波器,如图1所示[3].图1 随机时变滤波器信道模型F i g .1 R a n d o m t i m e -v a r y i n g f i l t e r c h a n n e l m o d e l图1中,z (t )为t 时刻的输入信号,w (t )为接收信号;h (τ)、H (f )分别为系统的冲击响应函数和传输函数;h (τ,t )、H (f ,t )分别为网络的冲击响应函数和传输函数;Z (f )为输入信号z (t )的傅里叶变换.假设声源发射一个δ脉冲,则此信道的脉冲响应函数[4]为:h (τ,t )=h 0(τ)+ h (τ,t ) h (τ,t )=δ(τ)+∑n -1i =0δ(τ-τi )A ie -j θi (t )(1)式中,n 是有效路径信号的个数,A i 、τi 、θi(t )是第i 个接收信号的幅度、时延和相移.相应传输函数为:H (w ,t )=H 0(w )+ H (w ,t )(2)式中,H 0(w )为传输函数的稳定部分, H (w ,t )为随机时变部分,并且均值为零.在水声信道多途传播模型中,将发送信号s (t )表示为:s (t )=R e [u (t )ej 2πf c t ](3) 对于复带通信号,e j 2πf c t 可称为复载波,u (t )则是s (t )的复包络,也即相应的基带低通信号.接收到的带通信号可表述为:x (t )=R e {[∑n A n(t )e -j 2πf c τn (t )u (t -τn (t ))]e j 2πf c t }(4)式中,A n (t )、τn (t )分别是第n 个接收信号的衰减因子和传播时延,f c 是未调制载波频率.等效低通接收信号为:r (t )=∑n A n (t )e -j 2πf c πn (t )u [t -τn (t )](5) 考虑频率为f c 的未调制载波的传播,对于所有时刻t ,u (t )是常数,因此接收信号r (t )为一系列幅度A n (t )和相位θn (t )的矢量之和.对于A n (t )和θn (t ),若信道介质不随时间变化,发射接收机位置确定,则接收信号是稳定的,由此得到确定性模型.但实际海水介质及边界都是时变的,使得上述参数也随时间而变化,因此必须建立信道的时变模型.由于r (t )是等效低通信道对u (t )的响应,该等效低通信道也可以由时变脉冲响应函数来描述:c (τ;t )=∑n α(τ;t )δ[τ-τn (t )](6)式中,α(τ,t )表示在时延τ和时刻t 信号成分的复衰落因子.信道仿真的关键就是产生α(τ,t ),这里将α(τ,t )简化表示为α(t ).由上面的分析α(t )可等效为零均值的复高斯随机过程,可用两个互不相关的实值零均值高斯随机过程产生,即:α(t )=u 1(t )+j u 2(t )(7)·587·台湾海峡28卷式中,u 1(t )和u 2(t )可基于中心极限定理,利用多个高斯白噪声叠加产生,一般方法有时域谐波叠加、频域谐波叠加、特殊形式的谐波等[5],本文采用时域谐波叠加法.2 浅海水声信道时变多径模型的建立浅海水声信道的时变特性可由海洋参数Υ、Λ来描述[6].它们分别描述水声信道中介质的起伏强度及均匀度.声线通过非起伏信道,所用时间为确定性时间t 0.但在起伏信道中,传播时间则变成t =t 0+Δt ,Δt 是起伏的.因此,总的传输时间也是起伏的,导致t 以t 0为均值的概率密度分布.令q 0=(2π/λ)为声波数,L c 为时变信道的相干长度,可由下式计算[6]:L c =[2<μ2>/C μ]3<μ2>=(116+a )2.25ε2/3c 20(L 02π)2/3C μ(z )=(116+a )11.364ε(z )2/3πc 0(z )2(8)式中,<μ2>为声速起伏值的均方值.C μ(z )代表信道的起伏程度,随海洋深度z 变化.a 为大小参数,其值在0.1和10之间.ε(z )为能量耗散率.c 0(z )为声速剖面的平均值.由上述参数可计算Υ、Λ为[6]:Υ2≈0.4L c q 20<μ2>L t o tΛ≈L t o t6L c q 0(9)式中:L t o t为声线经过的全部路程.最后,由上述的公式具体计算出每条传播路径的Υ和Λ值,从而确定每条路径的相位φ和幅度A (t )的方差.3 仿真与分析采用m a t l a b 来实现对上述模型的仿真.对于每一次实现,计算出接收信号包络S 和S M R (信号多途比),最后对一系列仿真结果进行统计分析.为仿真方便,选取台湾海峡中北部海域典型的正声速梯度[7]作为仿真声速剖面,声线图如图2所示.仿真中的具体参数设置如表1.图2 正声速梯度下声源深度20m 的声线F i g .2 S o u n d r a y d i a g r a m o f s o u r c e a t 20m d e p t h i n a w e a k p o s i t i v e s o u n dg r a d i e n t·588· 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究表1 信道仿真参数T a b .1 P a r a m e t e r s o f c h a n n e l s i m u l a t i o n 仿真参数仿真值信道深度/m40传输距离/k m3、10发射、接收深度/m20、15正声速梯度/m -11.6×10-5信号载波频率/k H z15码元速率/k b p s1参数a0.25能量耗散率10-8海底反射系数0.86海面反射系数(风速为5.14m/s )0.463.1 时变多径仿真模型中多途接收信号与接收距离的关系使用上述参数,得到如图3所示的多途接收信号S 随距离变化的单次实现.对比确定性模型,可以看出两者的变化趋势大体相同.但由于海洋环境参数的动态变动,信号随距离的衰减更加复杂,具有局部起伏震荡现象,主要是由于信号起伏在很大程度上破坏了确定性模型中的“子带结构”,使得远距离传输时反而更平坦.图3 S 值与水平传输距离的关系F i g .3 R e l a t i o nb e t w e e n Sa n dt r a n s m i s s i o n d i s t a n c e3.2 时变多径模型中S M R 均值的分布对时变多径模型进行仿真计算可得每一接收距离上S M R 的10000次实现的均值分布,如图4所示.从图4可以看出,与确定性模型对比,时变多径模型S M R 的均值是确定性模型S M R 的近似平滑.近距离时,多途比有用信号更强,直接导致了S M R 值小于1,引起码间干扰.这时只能使用频率调制M F S K 和低阶的相位调制,同时结合合适的信道编码来提高系统的性能.随着距离的增加,S M R 值也相应增加,主要是因为高阶多途在经历上下界面的多次反射造成的衰落大于低阶多途和直达信号.远距离时,由于仅有少数低阶多途和直达信号到达,有用信号的强度大于多途信号,S M R 值呈上升趋势.·589·台湾海峡28卷3.3 时变多径模型中S M R 值随接收深度变化发射机、接收机所放的深度对S M R 值也有较大影响.仿真中,发射机深度固定在20m ,改变接收机深度,结果如图5所示.图5 S M R 与接收深度的关系F i g .5 R e l a t i o nb e t w e e nS M Ra n dr e c e i v e r d e p t h s从图5中可以看出,接收机深度的不同可以很明显地改变S M R 值,影响系统的性能.调整接收机深度可以改变S M R 值.因此,实际海上实验时,可以固定其中一端,通过调整另一端深度,可以获得最佳接收效果.确定性模型中S M R 值随接收深度变化起伏较大,并且不太精确.而时变多径模型中S M R 均值(1000次统计)趋近平滑,更能反映实际海洋环境.从图5中可以看出,发射机固定在20m 时,接收机放在17～23m 深系统性能最佳.·590· 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究4 结论本文所建立的时变多径模型,主要考察S 随距离的变化、S M R 的均值随距离、接收机深度变化关系及与确定性模型的对比.其结果表明,时变多径模型相比于确定性模型更容易理解、更真实.影响水声传输系统性能的因素是多样的,文中给出的模型和结论能够为实际系统中发射接收机深度等的选择和设计提供一定的参考和依据.信道模型是对真实信道的近似模拟,有其适用的范围,要建立更加完善的模型还需要做进一步研究.参考文献:[1] K i l f o y l e DB ,B a g g e r o e r A B .T h e s t a t e o f t h e a r t i nu n d e r w a t e r a c o u s t i c t e l e m e t r y [J ].I E E EJ o u r n a l o f O c e a n i c E n g ,2000,25(1):4-27.[2] Z i e l i n s k i A ,Y o u n g -H o o nY ,WuLX .P e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f d i g i t a l a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ni na s h a l l o ww a t e r c h a n n e l [J ].I E E EJ o u r n a l o f O c e a n i c E n g ,1995,20(4):293-299.[3] 惠俊英,生雪莉.水下声信道[M ].北京:国防工业出版社,2007:37-40.[4] P r o a k i s J .数字通信[M ].张力军,张宗橙,郑宝玉等,译.北京:电子工业出版社,2003:577-581.[5] C r e s p o PM ,J i m e n e z J .C o m p u t e r s i m u l a t i o no f r a d i oc h a n n e l s u s i n g ah a r m o n i c d e c o m p o s i t i o nt e c h n i q u e [J ].I E E ET r a n s O nV e hT e c h n o ,1995,44(3):414-419.[6] B j e r r u m -N i e s eC ,L u t z e nR .S t o c h a s t i cs i m u l a t i o no f a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ni nt u r b u l e n t s h a l l o w w a t e r [J ].I E E EJ o u r n a l o fO c e a n i c E n g ,2000,25(4):523-532.[7] 陈东升,胡建宇,许肖梅,等.台湾海峡中、北部海区1998年2～3月声速的分布特征[J ].台湾海峡,2000,19(3):288-292.S i m u l a t i o ns t u d y o n t h e t i m e -v a r y i n gm u l t i p a t hm o d e lf o r u n d e r w a t e r a c o u s t i c c h a n n e lN I UF u -q i a n g 1,Y A N GY a n -m i n g 1,G U OC h a n g -y o n g 2,L I UZ h e n -w e n1,2(1.T h i r dI n s t i t u t e o f O c e a n o g r a p h y ,S O A ,X i a m e n 361005,C h i n a ;2.D e p a r t m e n t o f O c e a n o g r a p h y ,X i a m e nU n i v e r s i t y ,X i a m e n 361005,C h i n a )A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t i m e -v a r y i n g c h a r a c t e r s o f u n d e r w a t e r a c o u s t i c (U W A )c h a n n e l ,a n e f f e c t i v e m o d e l o f t i m e -v a r y i n g m u l t i p a t hc h a n n e l b a s e do nr a yt h e o r yi s d e v e l o p e d .I nt h em o d e l ,t w oi m p o r t a n t o c e a np a r a m e t e r s ,t h e s t r e n g t h p a r a m e t e r Υa n d t h e s i z e p a r a m e t e r Λ,a r e i n t r o d u c e d .T h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n ,t h e m o d e l p r o v i d e s m o r e i n t e l l i g i b l e a n d r e a l i s t i c r e s u l t s t h a n t h e d e t e r m i n i s t i c m o d e l .T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s o f f e r a c e r t a i n r e f e r e n c e a n d b a s i s f o r a n a l y s i s a n d d e s i g n o f t h e r e c e i v e r d e p t h ,w h i c h i s h e l p f u l f o r u n d e r s t a n d i n g t h e c h a r a c t e r o f t h e U W A c h a n n e l .K e y w o r d s :m a r i n e a c o u s t i c s ;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c h a n n e l ;t i m e -v a r y i n g c h a n n e l ;m u l t i -p a t h p r o p a g a t i o n ;s i m u l a t i o n D O I :10.3969/J .I S S N .1000-8160.2009.04.023(责任编辑:郭水伙)·591·。
水声通信组网技术第二讲水声信道传输特性分析解析
2. 多径传播及空变特性
多径传播
a 声速梯度
b 深海多径
c 浅海多径
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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2. 多径传播及空变特性
多径传播
2002年4月，在海南三亚南海海 域进行的海洋环境多径试验，多 径检测信号为6s的线性调频 （LFM）信号。将接收到的信号 做拷贝相关，80km的多径检测 结果如图所示。从图中可看出
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
试验水域温度深度曲线
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 30
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
18 x 10
7
2.5
x 10
8
16 fc=8001.25Hz
fc=5000.75Hz 2
14
12
1.5
10
8
1
6
4
0.5
2
0
0
7985 7990 7995 8000 8005 8010 8015 8020
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒效应
若发射信号的持续时间为T，则接收信号的持续时间为
Tr T (t1 t 2 ) c T c vr
若发射信号可表示为
0 t T s(t )•••• sT (t ) 其它 0•••••• 当有传播延迟时 ，接收信号可表示为
c vr sr (t ) sT (t ) sT c
多径传播及空变特性
浅海近程水声信道声线轨迹
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 19
水下声信道ch3
13
Chapter 3 Coherent Multipath Channels
3.1 System Function of Multipath Channel
影响相干多途信道的因素：
t
B f
FT
d
T
f0
2 B T
B1 2
B2
FT
d
时延扩展 d ，B1 , B2
§3.8 Matched Field Processing
2
Chapter 3 Coherent Multipath Channels
非但要预报TL，还要讨论信道对信号波形的变换 海洋信道是部分相干，部分非相干的 90%的前向传播能量是相干的
3
Chapter 3 Coherent Multipath Channels
3.1 System Function of Multipath Channel
相干多途信道特点：
良好水文子通带大， 恶劣水文子通带窄 正梯度水文子通带大， 负梯度水文子通带窄 浅海子通带大， 深海子通带窄
相干多途信道对声纳设计、应用的启示
思考：正梯度水文子通带大， 负梯度水文子通带窄？
17
Chapter 3 Coherent Multipath Channels
y ( ) Ai S ( i )
S
R
s (t )
2 A2 n An
y (t )
filter : H ( f ), h( )
9
Chapter 3 Coherent Multipath Channels
3.1 System Function of Multipath Channel
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4
水声信道的多径传播模型
声音的速度和深度的函数及相应的海洋截面
5
水声信道的多径传播模型
声速
水深
发射
接收 发射 接收
a
b
(a)深海； (b)浅海
6
多径的组成 多径一般分为宏观多径( macro-multipath)和微观多径 (micro-multipath)
16
多普勒频展 多普勒频展的倒数定义为信道相干时间：
T coh 1 /B d
相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由
于多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，换句 话说，就是信道在时域具有选择性。
17
多普勒频展
时间选择性衰落
18
多普勒频展 信道的时变特性可分为两类：快衰落和慢衰落。
就是多普勒频展。尽管发射频率为单频 fs，但接收信号的功率谱S(f)的却 展宽到 fs-fm 到 fs+fm 的范围。这相当于单频信号在通过多途信道时受到 随机调频。
15
多普勒频展
在浅海信道中，多普勒频展可以认为是由以下两个截然不同的
因素引起的。
① 传输媒质固有的时变性，如海面风浪和海中湍流，其中海面风浪是主
幅度和相位变化相对地较轻微，一些针对电话信道所开发的信调制 方法和信道均衡技术也是适用于此类信道的。
8
几种海况下的多径现象
中距离(1~20km)信道 经由中距离信道传播所接收到的信号，其幅度和相位变化比较
严重，多径扩展可达到50ms~1s的量级。对于浅海情况，一般都能 够观察到由海面和海底所引发的多径。实际上，现在的大多数水声 通信系统都是作用在这类有着复杂的多径结构的中距离浅海信道的。
水声多径信道研究
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1
目 录
1 2 3 4
多径的产生及组成 水声信道的多途特性 抗多径技术 水声多径信道模型
2
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多径的产生及组成
多径产生的原因 水声信道的多径传播模型
多径的组成
几种海况下的多径现象
3
多径产生的原因
界面发射：海洋存在着海面和海底2个界面，声波传输
20
时延扩展 时延扩展Δ—多途接收信号的时域特性
多途传输造成接收信号在时间轴上的展宽，定义为时延扩展Δ。 水声信道抗多途跳频通信中同步技术的研究时延扩展Δ是对多途信道 时延特性的统计描述，其含义是表示时延谱扩展的程度。所谓时延谱 是由不同时延的信号分量具有的平均功率所构成的谱。时延谱的时延
时会发生反射。
声线弯曲：由于温度、盐度和深度的影响，不同深度 的声速分布不均匀，从而使声波发生折射。 海水中随机分布的杂乱体的散射。
1、由于水声场的时-空-频变特性，使得多途现象尤为突出，成为水声通信中 难以克服的困难。 2、浅海边界条件复杂、水中散射体多、介质分布不均匀等因素，也使得浅
海中多途效应比深海严重得多。
宏观多径一般由海面、海底的单次或多次反射形成的，可以导致 信号的强烈起伏(fluctuation)以及大的码间干扰(Inter Symbol
Interference, ISI)。
微观多径一般是由于信道中水团的不均匀性，使得声路径弯曲而 折射形成，也可以导致信号的起伏。
7
几种海况下的多径现象
和5.5公里的数据。总的说来，多途振幅遵从于广义瑞利分布，但在距 离较近(如500米)和较远处（如5.5公里），A/σ较小，趋于瑞利分布。这 里，A为多途振幅，σ为多途迭加噪声的标准差。
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多普勒频展 多普勒频展Bd—多途接收信号的频域特性
声波在多途信道传播时由于多普勒效应造成接收信号的功率谱展宽
系统时，环境噪声也成为一个比较显著的障碍。
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1
水声信道的多途特性
多径衰落-振幅 多普勒频展-频域
时延扩展-时域
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水声信道多途特性
多径衰落
多普勒频展
时延扩展
振幅统计特性
频域特性
时域特性
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多径衰落 多径衰落—多途接收信号的振幅统计特性
水声信道中，在一个信道码元的持续时间内，接收端会接收到由不同
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多普勒频展
浅海声信道的多普勒频展是典型的信道衰落速率。
对于调频系统，着重考虑的是多普勒频展对于小频移窄带信号的 影响，如果选择相邻两个载频的频率间隔大于多普勒频展，即Bw>>Bd ，
则可以忽略多普勒频展带来的影响。否则必须考虑对接收信号进行多
普勒频展补偿，对于接收端来说就比较困难。所以对于调频系统，码 元与码元之间的频率必须保留一定的间隔。
海洋深度、传播路径长度、发射机和接收机的深度等因素的存在， 导致了水声多径传播的具体情况也是多种多样的。
近距离(<1km)信道
近距离信道包括深海垂直信道和近距离水平信道。在这种情况下，
接收信号一般是由直接路径、海面反射产生的路径（有时候也会有由
海底所引发的路径）所传播来的信号的叠加。在这类信道中，信号的
3 / 2 B d 0 . 0175 ( f/ C ) W cos
要因素，并且随着海风风级的增强而增大。
W：风速；θ：信号在表面反射时的随机入射角度；f：发射载波频率；
C：海水中的声速。 ② 发射-接收端的相对移动。
B d ( V /C )f
V：系统的移动速度；C：海水中的声速；f：发射载波频率。
这种复杂的时变多径信道给数据传输的同步和均衡都带来了较大的
困难。
9
几种海况下的多径现象
远距离(20~2000km)信道 由于水声信道的带宽受限，作用于远距离信道的水声通信系统的
频率只能选在10kHz以下的范围。经过这样长的传播路径后，由于多 径结构的动态变化性，信道的均衡问题仍然不是很容易解决。另外， 由于经过长距离的传播后，信号的传输损失非常大，在设计水声通信
快衰落，也称时间选择性衰落，是用于描述 Tcoh<Ts 的信道，
Tcoh是信道相干时间，Ts是一个码元的传输持续时间。因此，若信道 是快衰落的，则其衰落特性会在一个码元持续时间内改变多次，从而 引起基带脉冲波形的失真。 如果 Tcoh>Ts ，则信道是慢衰落的，这是信道状态在一个码元持 续时间内保持不变，传输的码元不会有脉冲失真。
路径到达的该码元的多个信号复本，这些信号复本的延时或者相位是随机 的，合成的结果就会造成在该码元持续时间内，接收信号的幅度随机起伏， 这种由于多途传播而引起的一个码元时间内的接收信号幅度的随机起伏称 为多径衰落。在浅海域大深度衰落是频发性的，时常衰到小至无法检测。
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不同距离多途振幅如下图所示。(a)、(b)和(c)分别为500米、2公里