浅海脉冲声传播的信道匹配
浅海水声信道中Turbo码性能研究
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法等 技 术 ， 抗 噪声 性 能 得 到 了极 大 的 提 高 ， 其 在 ＡＷＧＮ信 道 下 接 近 于 Ｓ ａ ｎ ｎ理 论 极 限 ， 是 其 他 ｈｎｏ 这
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底 反 射 １次 到达 的途 经 ． 于水 声 信 道 中各 径 间 有较 由
Ｓｅ ｐ． ２０ ０６
２ ０ 年 ９月 ０６
浅 海水 声 信 道 中 Ｔｕ ｂ ｒ ｏ码 性 能研 究
刘 胜 兴 ， 肖梅 许
（ 门大 学 海 洋 学 系 ， 建 厦 门 ３ １０ ） 厦 福 ６ ０ ５
摘要 ： 针对复杂多变 、 多途 和大 起伏 的浅海水声信道 ， 强 本文建立 了包括 时变 衰落 、 途和加 性干扰在内的信道仿 真模 型 多
浅海水声信道的脉冲噪声特性分析a
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。
浅海声信道中的声纳脉冲传播多途效应
浅海声信道中的声纳脉冲传播多途效应
孙荣光;舒象兰;曲大伟
【期刊名称】《四川兵工学报》
【年(卷),期】2013(034)012
【摘要】多途效应是水声信号传播的重要现象,对声纳信号的检测与参数估计有较大影响;利用简正波理论,对声纳脉冲在浅海传播过程中的多途效应进行理论分析,结合信号处理理论,给出了接收信号波形计算方法,仿真计算了浅海等温层、负梯度以及负跃层3种典型传播条件下的信道频率响应函数和声纳脉冲信号波形,分析了声速剖面类型、收发深度、接收距离以及海底底质等因素对脉冲声传播多途效应的影响.
【总页数】4页(P56-59)
【作者】孙荣光;舒象兰;曲大伟
【作者单位】海军潜艇学院水声作战应用研究中心,山东青岛266033;海军潜艇学院水声作战应用研究中心,山东青岛266033;海军装备部,西安710075
【正文语种】中文
【中图分类】O427.1
【相关文献】
1.浅海水声信道中重复累积码性能研究 [J], 张兰;许肖梅;冯玮;陈友淦
2.UUV声纳浅海声信道频率特性分析 [J],
3.浅海水声信道中原模图LDPC码的设计及性能分析 [J], 陈震华;许肖梅;陈友淦;
苏海涛
4.π-旋转LDPC码在浅海水声信道中的性能研究 [J], 金晓婷;许肖梅;陈友淦
5.浅海声信道中脉位信息检测的抗多途研究 [J], 黄衍镇;粘宝卿
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浅海信道调频水声语音通信方法比较
浅海信道调频水声语音通信方法比较随着海洋经济的不断发展，浅海水声通信已经成为了海洋信息传递的重要手段之一，同时也为水下科学勘探及海底资源开发提供了有力的支持。
在浅海信道调频水声语音通信方面，目前主要有以下两种方法：单频信道调频（Single frequency channel）和时频信道调频（Time frequency channel）。
单频信道调频方法是一种基于连续波的调频方案，主要采用的技术手段是随着时间的增加，发射信号的频率逐渐变化，以适应不同的通信环境。
这种方法的优点在于信号能够一定程度上跨越不同的深度层，从而使通信距离得以延长。
同时，频率随时间变化的方案相对成熟，也并不需要太多的计算复杂度，因此能够减少通信系统中的传输错误率，使语音传输精确度更高。
不过，单频信道调频的通信频率带宽窄，无法同时传输多路语音信号，同时信号受到海洋信道的多种复杂干扰和随机因素的影响，其通信可靠性与稳定性受到了一定的限制。
时频信道调频方法是一种基于多波束的调频方案，主要通过多个单频信道组成一个宽带信道来实现。
该方法採用計算機數字訊號處理技術，由於頻譜分析與時域分析仍是其核心技术，因此计算机运算量与处理时间成为该方案的主要因素。
时频信道调频方法能够同时传输多路语音信号，因此在一定条件下，具有较高的通信效率和稳定性。
同时，该方法对于干扰和噪声的抵抗能力也相对强，通信比较可靠。
但这种方法较为复杂，需要高性能的处理设备和大量的算力和存储空间，因此在实际应用中，需要综合考虑其可用性和经济性。
在浅海信道调频水声语音通信方法的选择上，需要根据具体的情况和应用须求综合性比较，根据通信效率、通信距离、抗干扰能力、经济性等方面考虑取舍。
例如由于单频信道调频方法相对较为简单，可以在一定的条件下实现较好的通信效果，因此更适用于深度较浅、信道变化相对稳定的水域；而时频信道调频方法虽然计算机处理能力要求较高，但其通信效率和可靠性相对更优，因此更适用于深度较大、信道变化较为频繁的水域。
浅海声源信道中信号优化探测研究
浅海声源信道中信号优化探测研究
荆海霞;申晓红;王海燕
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2016(033)010
【摘要】针对浅海声信号传播过程中多径效应引起的信号传输问题,提出时间反转的处理方法.采用经典射线理论,推导了主动时间反转的空时聚焦特性.以在南海三亚陵水某钻井平台上实测的一段声速作为基础数据,利用Belhop工具箱模拟出声源和时反阵、以及时反阵和放置在声源附近的垂直线列阵之间的海洋环境,得到仿真所用数据,进行仿真得到垂直线列阵各阵元接收信号的情况.通过比较各阵元接收时反信号的波形和大小,研究时间反转的空时聚焦特性.仿真结果表明,在实测的声速梯度仿真环境下,声源发出的信号经过时反,可以很好地在声源处获得空时聚焦,达到了信号优化探测的目的.
【总页数】5页(P157-161)
【作者】荆海霞;申晓红;王海燕
【作者单位】西安外事学院工学院,陕西西安710077;西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.声源信号优化识别系统仿真研究 [J], 黄祎;张得生
2.浅海水声信道中重复累积码性能研究 [J], 张兰;许肖梅;冯玮;陈友淦
3.π-旋转LDPC码在浅海水声信道中的性能研究 [J], 金晓婷;许肖梅;陈友淦
4.基于多源信息融合的浅海超低频声源目标探测关键技术及实现 [J], 孙显彬;郑轶;于非
5.基于浅海声信道特征测量的舰船水下辐射噪声源级获取方法 [J], 刘玉财;陈毅;易文胜
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浅海信号多径信道仿真与信息处理的开题报告
浅海信号多径信道仿真与信息处理的开题报告开题报告：浅海信号多径信道仿真与信息处理一、研究背景及意义随着海洋资源的开发和海军军事技术的进步，浅海环境中声学通信应用越来越广泛，但是浅海环境复杂，信号传播受到水下多路径、反射、散射等因素的影响，导致传输质量下降、误码率高等问题。
因此，需要对浅海环境下的多径信道特性进行深入研究，探索相应的信息处理方法，以提高浅海声学通信信号传输的可靠性和可用性。
二、研究内容本文将从以下几个方面展开研究：1. 了解浅海环境的特点和多径信道模型，分析其对声学通信信号传输的影响；2. 建立浅海多径信道仿真模型，模拟不同环境因素下的声学信号传输过程；3. 探索基于多径信道的声学通信信号反演方法，提高浅海通信中的信噪比和信号质量；4. 针对多路径干扰引起的误码率高的问题，研究改进的信道编码和解码算法，提高数据传输的可靠性。
三、研究方法在建立浅海多径信道仿真模型的基础上，使用Matlab和Python等工具实现仿真和处理算法。
通过对不同环境情况下的信号进行仿真实验，获取信道的特性和传输参数，评估不同方法的效果和适用性。
最终得出能够在浅海环境下稳定传输的声学通信信号反演技术和信道编码算法。
四、研究目标与进度本文旨在研究浅海信号多径信道仿真与信息处理的相关技术，提出相应的改进算法和方法，提高浅海声学通信的可靠性和传输效率。
预计研究周期为1年，计划分为以下几个阶段：1. 阶段一：研究浅海信号多径信道的模型和特性，了解传播模式和影响因素，拟定仿真计划，预计用时1个月。
2. 阶段二：建立浅海多径信道仿真模型，模拟信号传播过程，记录相关参数，预计用时2-3个月。
3. 阶段三：研究相应的信息处理方法和技术，包括声学信号反演和改进的信道编码算法，预计用时3-4个月。
4. 阶段四：对仿真结果进行分析和评估，并进行实验验证，验证算法的可靠性和性能，预计用时2个月。
五、研究意义本文的研究结果对于浅海环境下的声学通信应用具有十分重要的意义。
不同海底地形下海洋信道对水声通信的影响
第３６卷第５期哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报Ｖｏｌ．３６ɴ．５２０１５年５月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＭａｙ２０１５不同海底地形下海洋信道对水声通信的影响孙宗鑫１，２，于洋２，周锋１，２，刘凇佐１，２，乔钢１，２（１．哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１；２．哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘㊀要：海底反射是形成多径干扰的主要因素之一，针对由海底引起的水声通信的多径干扰问题，利用信号多径比（ＳＭＲ）来描述浅海平坦海底㊁倾斜海底以及深海平坦海底３种不同的海底地形对水声通信的影响㊂利用真实测量的信道冲击响应数据分析阿拉伯海西北部典型海底地形下的ＳＭＲ㊂最后对直接序列扩频（ＤＳＳＳ）系统在３种地形信道下的表现进行仿真研究㊂对实验信号的分析表明，平坦浅海海底信道具有最严重的多径衰落，是３种信道中最恶劣的，深海信道次之，倾斜海底信道条件较好，直扩信号在倾斜海底信道条件下误码率最低㊂关键词：水声通信；海洋信道；海底地形；信号多径比ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃７０４３．２０１３１１０８９网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．Ｕ．２０１５０４１４．１６３１．０１５．ｈｔｍｌ中图分类号：ＴＮ９１１．７㊀文献标志码：Ａ㊀文章编号：１００６⁃７０４３（２０１５）０５⁃０６２８⁃０５ＴｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｃｈａｎｎｅｌｓｔｏｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｂｅｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｅｓＳＵＮＺｏｎｇｘｉｎ１，２，ＹＵＹａｎｇ２，ＺＨＯＵＦｅｎｇ１，２，ＬＩＵＳｏｎｇｚｕｏ１，２，ＱＩＡＯＧａｎｇ１，２（１．ＡｃｏｕｓｔｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＡｃｏｕｓｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅａｂｅｄｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｐａｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉ⁃ｃａｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ｓｉｇｎａｌｔｏｍｕｌｔｉｐａｔｈｒａｔｉｏ（ＳＭＲ）ｉｓｄｅｆｉｎｅｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｓｅａｂｅｄｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｓｅａｂｅｄａｒｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ：ｆｌａｔｓｅａｂｅｄｉｎｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒ，ｓｌｏｐｉｎｇｓｅａｂｅｄ，ａｎｄｆｌａｔｓｅａｂｅｄｉｎｄｅｅｐｓｅａ．ＳｉｇｎａｌｔｏＭｕｌｔｉｐａｔｈＲａｔｉｏｏｆｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｓｅａｂｅｄｉｓａｎａｌｙｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅａｌｓｅａａｃｏｕｓｔｉｃｃｈａｎｎｅｌｉｍｐｕｌｓｅｒｅ⁃ｓｐｏｎｓｅ，ｗｈｉｃｈａｒｅａｃｑｕｉｒｅｄｆｒｏｍｔｈｅｎｏｒｔｈｗｅｓｔｏｆＡｒａｂｉａＳｅａ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｉｓｉｎｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｉｒｅｃｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍ（ＤＳＳＳ）ｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｓｅａｂｅｄｃｈａｎｎｅｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｃｈａｎｎｅｌｏｆｆｌａｔｓｅａｂｅｄｉｎｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒｈａｓｔｈｅｍｏｓｔｓｅｒｉｏｕｓｍｕｌｔｉｐａｔｈｆａｄｉｎｇ，ｃｈａｎ⁃ｎｅｌｒｅｓｐｏｎｓｅｉｎｄｅｅｐｓｅａｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｏｎｅｉｎｔｈｅｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒａｎｄｓｌｏｐｉｎｇｓｅａｂｅｄｃｈａｎｎｅｌｒｅｓｐｏｎｓｅｉｓｔｈｅｂｅｓｔｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅｓｅａｂｅｄｔｙｐｅｓ．ＴｈｅＤＳＳＳｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｌｏｗｅｓｔｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅｉｎｓｌｏｐｉｎｇｓｅａｂｅｄｃｈａｎｎｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｏｃｅａｎａｃｏｕｓｔｉｃｃｈａｎｎｅｌ；ｓｅａｂｅｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ；ｓｉｇｎａｌｔｏｍｕｌｔｉｐａｔｈｒａｔｉｏ收稿日期：２０１３⁃１１⁃２５．网络出版时间：２０１５⁃０４⁃１４．基金项目：国家自然科学基金重点项目（６１４３１００４）；国家自然科学基金青年基金资助项目（６１４０１１１４）；水声技术重点实验室基金资助项目（９１４０Ｃ２００８０４１４０Ｃ２０００１）．作者简介：孙宗鑫（１９８０⁃），男，讲师，博士．通信作者：孙宗鑫，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｎｚｏｎｇｘｉｎ＠ｈｒｂｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．㊀㊀按照射线声学理论，水声信道冲击响应是声线传输的总体描述方式㊂近年来，高速率扩频水声通信技术成为国内热门研究领域［１⁃６］㊂对浅海温暖水域水声信道特性的研究也逐渐为解决多径干扰问题提供了理论依据㊂文献［７］将信息调制在Ｍ元和码相位上，提高了扩频通信的速率㊂文献［８］利用基追踪方法对稀疏信道进行了研究㊂文献［９］对湍流浅水水声信道进行了研究，并且考虑信道的时变性㊂文献［１０］对沿海地区的声表面波对水声通信的影响进行了研究，展示了其对精确的信道估计算法的影响㊂文献［１１］则更具挑战性地分析了具有剧烈时变特性和非高斯环境噪声的温暖浅水水声信道特性㊂文献［１２］则阐述了浅海中表面波和随机海洋介质对信号特性的影响，并讨论了由信道特性带来的信号幅度和相位的变化㊂文献［１３］利用ＭＰ算法估计信道的冲击响应，克服了时反信道的ＩＳＩ，使误码率大幅降低㊂文献［１４］利用导频迭代更新的方式对水声通信信道进行均衡，得到了较好的效果㊂在各种水声信道中，海底的散射无疑是形成多径干扰的重要因素，对信号检测㊁信息传输㊁时间测量等有非常大的影响㊂文献［１５］通过零相关窗信号测量水声信道，抑制了各多径之间的互相干扰，使信道冲击响应更加准确㊂为了研究不同的海底地形对水声通信的影响，本文首先分析了水声信道多径信道模型，给出了信号多径比［１６］（ｓｉｇｎａｌｔｏｍｕｌｔｉｐａｔｈｒａｔｉｏ，ＳＭＲ）定义；然后针对实际测量得到的阿拉伯海西北部３种典型海底地形的海洋信道冲激响应，分析了不同海底地形的ＳＭＲ特性；最后以ＳＭＲ作为标准对直扩信号（ＤＳＳＳ）在信道中的表现进行了分析㊂１㊀信号多径比时变水声信道可以用以下模型表示：ｈ（τ，ｔ）＝ðＰｉ＝１ｈｉ（ｔ）δ（τ－τｉ（ｔ））（１）式中：ｈｉ（ｔ）和τｉ（ｔ）分别是第ｉ条路径的增益和时延㊂对于无线电通信来说，只有路径增益是时变的，时延是时不变的；而对于水声信道来说，路径时延和路径增益都是随着时间变化的，并且，信道中各声线的时延τｉ（ｔ）＝τｉ－ａｔ，ａ是多普勒因子㊂式（１）表明，水声信道响应为信道内所有可能的声路径的叠加，并且可以用各条声线的信道增益和传播时延描述，其中确定主路径有２种准则：信道增益最大和信道延迟最小㊂对于扩频通信，一般使用信道增益最大准则，并且在一定的检测窗口范围内搜索其他路径，进行合并㊂在水声信道中，由于声速受海水温度㊁压力和盐度的影响，在深度方向上变化剧烈，到达接收点的声线可能经过高声速区，所以多径信号可能在直达信号之前到达，也可能在直达信号之后到达，这里用非最小相位系统来描述水声信道多径特性，此时，第ｉ条多径信号可以表示为Ｓｉ＝αｉｅ－ｊ２πｆτｉ（２）式中：τｉ表示多径信号相对于主径的时延，αｉ表示多径的幅度㊂在ＤＳＳＳ系统中，Ｔｓ为符号时长，信息被调制到以Ｔｓ为周期的扩频序列上㊂接收机按照主路径的节拍在长度为Ｔｓ的检测窗口范围内解码㊂当Ｔｓ大于信道的最大多径扩展τｍ时，各多径落在时间窗口范围内信号包含两部分：当前符号的多径和前一符号的多径㊂如果信道较为复杂，存在τｉȡＴｓ或τｉ＜０的情况，即存在大于符号长度的多径扩展或者存在主路径之前到达接收点的多径信号的情况㊂此时，落在检测窗Ｔｓ内的多径信号除了当前符号和前一符号的多径之外，还包含其他符号ｋ，ｋ＋１的多径能量的一部分，如图１所示，这些多径是造成干扰的主要原因㊂图１㊀多径信号干扰Ｆｉｇ．１㊀Ｍｕｌｔｉｐａｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ㊀㊀综上，认为检测窗口Ｔｓ内包含２种状态的多径㊂文献［１６］将这两种多径定义为自多径和互多径㊂自多径即图１中落在Ｔｓ－τｉ中的多径信号能量，互多径为落在τｉ中的前一符号的能量和落在Ｔｓ内所有信道延迟在（０，Ｔｓ）范围之外的路径的能量㊂自多径是落在检测窗内的当前符号，和主径信号叠加后，形成稳定的信号，可以利用Ｒａｋｅ接收机将其合并到主径信号上，并最终决定了解调后基带信号的相位和包络，定义该部分为有用信号能量Ｓ㊂互多径为落在检测窗内的其他符号的多径，属于多径干扰，其能量为Ｍ㊂文献［１６］还定义了信号多径比（ｓｉｇｎａｌｔｏｍｕｌｔｉｐａｔｈｒａｔｉｏ，ＳＭＲ）：ＳＭＲ＝ＳＭ（３）其中，可以在检测中被利用的有用信号的能量即有用信号Ｓ可以表示为Ｓ＝ðｒｉ＝１１－τｉＴｓæèçöø÷Ｓｉ（４）式中：ｒ代表了在检测窗时间Ｔｓ内信号的数目㊂互多径干扰的能量为Ｍ＝ðｒｉ＝２τｉＴｓＳｉ＋ð¥ｉ＝ｒ＋１Ｓｉ（５）式中：ðｒｉ＝２τｉＴｓＳｉ表示时延τｉ＜Ｔｓ的情况，ð¥ｉ＝ｒ＋１Ｓｉ表示τｉȡＴｓ或τｉ＜０的情况㊂ＳＭＲ的定义为确定Ｒａｋｅ接收机多径合并准则提供了依据㊂对于不同的检测窗长度，多径信号可能落在窗内被Ｒａｋｅ接收机合并至主路径，成为有用信号的一部分，也可能落在检测窗外，成为互多径干扰，影响信号的解调㊂关键在于检测窗的长度和信道多径结构的配合㊂利用式（３）计算信道ＳＭＲ，能够对扩频通信符号时长和调制形式的设计提供参考，还能够通过ＳＭＲ预测系统性能㊂对于相移键控调制来说，无错误传输的ＳＭＲ最低要求为ＳＭＲ＞１ｔａｎ（３６０ʎ２υ）（６）式中：υ代表调制相位数目㊂２㊀海洋信道分析对实测不同海底条件下的海洋信道冲击响应的ＳＭＲ进行研究㊂１号信道位于巴基斯坦城市敖马拉附近，发射换能器和接收换能器的位置分别为北纬２５ʎ１０ᶄ，东经６４ʎ４２ᶄ，和北纬２４ʎ５９ᶄ，东经６４ʎ４１．９ᶄ㊂发射点和接收点之间水平距离为２０．４ｋｍ，试验水域水深从１０ｍ逐渐变化到７２２ｍ，是一个典型的倾斜海底信道，其信道冲激响应如图２（ａ）㊂２号信道为平坦海底深海环境的信道冲激响应，如图２（ｂ）所示㊂发射换能器位置为北纬２３ʎ５３．９ᶄ，东经６１ʎ５９．７ᶄ，接收换能器位置为北纬２３ʎ４０ᶄ，东经６１ʎ５８．１ᶄ㊂实验水域平均水深３４００ｍ，收发换能器水平距离为２５ｋｍ㊂３号信道为平坦海底浅海信道㊂发射换能器位于北纬２４ʎ３２．９ᶄ，东经６６ʎ４５ᶄ，接收换能器位于北纬２４ʎ２６．９ᶄ，东经６６ʎ４８．７ᶄ㊂收发换能器水平距离１２．７ｋｍ㊂实验水域平均水深为１２０ｍ左右，信道冲击响应如图２（ｃ）所示㊂㊃９２６㊃第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀孙宗鑫，等：不同海底地形下海洋信道对水声通信的影响从图２所示的３种实测的水声信道冲击响应可以看出，由于海底地形的不同，接收信号中海底散射信号在时间和幅度上均有很大差别㊂可以看到，平坦海底的冲击响应模型有明显的分簇，簇与簇之间的时间间隔随时间推移增加而加大，深海和浅海都有这样的特点；深海和浅海的区别仅在于信号在海面和海底反射间隔之间的扩展损失㊂而倾斜海底则没有这种规律，其原因是由于倾斜海底对反射信号方向的改变，信道更像是一种楔形的非等深介质㊂（ａ）倾斜海底信道（ｂ）平坦海底深海信道（ｃ）平坦海底浅海信道图２㊀３种不同海底类型的水声信道冲击响应Ｆｉｇ．２㊀Ｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅｉｎ３ｔｙｐｅｓｏｆｃｈａｎｎｅｌｓｗｉｔｈ㊀㊀ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｂｅｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｅｓ㊀㊀浅海信道冲激响应在时间上较为集中，由于水深较小，信号能量集中于水层，各多径信号信道增益较大，如果扩频符号长度较小，符号时长Ｔｓ较短，这些信号将被认为是互多径干扰，对主径信号的解调带来较大的影响㊂深海平坦海底信道，由于信号各簇之间的时延较大，传播损失导致多径信号的信道增益随时延逐渐降低，在能量上对主径信号影响不如浅海信道大；但是由于深海信道多径时间扩展较大，这些多径扩展全部落在检测窗口Ｔｓ之外，成为其他扩频符号的互多径干扰㊂而倾斜海底信道不论是信道增益还是信道延迟，只要检测窗口合适，多径信号大部分为自多径，和主径叠加后增加了信号的能量㊂图３为３种实测信道的ＳＭＲ，以不同的时间比例显示㊂可以看到，随着符号时长的增加，ＳＭＲ也随之增加，这说明更长的积分时间使更多的多径信号由互多径干扰变成自多径，提高了有用信号Ｓ的能量，同时也降低了互多径干扰㊂在足够长的观测时间内，倾斜海底的ＳＭＲ最高，其次是扁平浅海海底，最后是深海海底㊂倾斜海底的信道多径归一化幅值较小，多径持续时间只有几十毫秒，平坦海底的信道多径归一化幅值较大，多径持续时间达到了２００ｍｓ左右㊂深海平坦海底的信道冲击响应虽然幅度随时间延续而逐渐变小，但是由于其多径扩展时间过长，有时甚至达到几十秒，所以在连续数据传输时，有更多的互多径干扰进入检测窗，造成干扰㊂所以，ＳＭＲ是衡量多径衰落程度的一个重要指标，ＳＭＲ越低，多径对通信的影响就越大㊂（ａ）符号时长１ｍｓ １０ｓ（ｂ）符号时长１０ １００ｓ图３㊀３种海底地形的ＳＭＲＦｉｇ．３㊀ＣｈａｎｎｅｌＳＭＲｉｎ３ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅａｂｅｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｅｓ㊀㊀要达到无错误传输，就需要尽量把所有可以利用的声线都包括在检测窗中㊂对于一定的信道冲击响应结构，这样做最直接的影响是降低通信速率㊂而ＳＭＲ提供了一个选择检测窗长度的标准㊂例如在式（６）中，ＱＰＳＫ调制的无错误传输所需的最低ＳＭＲ为１，所以，在上述３种不同海底地形的信道㊃０３６㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷中，倾斜海底信道需要２２ｍｓ的检测窗，浅海平坦海底信道需要３０３ｍｓ的检测窗，而深海平坦海底信道则需要１４ｓ的检测窗㊂３㊀３种海底地形信道中的ＤＳＳＳ信号下面研究３种海底条件对ＤＳＳＳ通信性能的影响㊂在特定的信道冲击响应下，不同的检测窗长度对应不同的ＳＭＲ，同样的通信参数在不同的信道中有不同的表现，通过通信的误比特率（ｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅ，ＢＥＲ）来说明信道对系统性能的影响㊂利用实测的信道来进行通信解码仿真分析㊂信道冲击响应来自阿拉伯海北部海域的实测信道，如图２所示㊂这里，接收机采样率为４８ｋＨｚ，ＤＳＳＳ信号带宽４ １０ｋＨｚ㊂解调时首先对信道进行估计，然后按照不同的检测窗对多径信号进行分类，将自多径信号与主径信号进行合并，最后将再进行解扩和解码㊂（ａ）Ｔｓ＝３．５ｍｓ（ｂ）Ｔｓ＝１５．５ｍｓ（ｃ）Ｔｓ＝６３．５ｍｓ（ｄ）Ｔｓ＝１２７．５ｍｓ（ｅ）Ｔｓ＝２００ｍｓ图４㊀不同检测窗长度ＤＳＳＳ系统性能Ｆｉｇ．４㊀ＤＳＳＳｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ㊀㊀㊀㊀ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｚｏｎｅｓ㊀㊀图４中，用加性高斯白噪声信道（ＡＷＧＮ）作为参考，信道中仅有噪声干扰，多径干扰是０，可以认为ＡＷＧＮ信道中的ＳＭＲ为无穷大㊂图４（ａ）－（ｄ）中，在检测窗长度一定的情况下，倾斜海底信道的性能最好，深海平底信道的性能优于浅海平底信道，对应于ＳＭＲ的值㊂在图４（ｅ）中可以看到，当检测窗长度为２００ｍｓ时，浅海信道的性能略优于深海平坦海底信道，这是由于浅海平底信道最大信道延迟小于２００ｍｓ，如图２（ｃ）所示，检测窗已经能够将所有路径的能量都包含进来，而对于深海平底信道，如图２（ｂ）所示，检测窗为２００ｍｓ时仅包括第一簇路径，其他路径在检测窗外，成为互多径干扰㊂㊀㊀对于平底浅海信道，检测窗长度较小的时候，由于信道中存在大量的互多径干扰，致使ＳＭＲ过低，ＤＳＳＳ系统已经不能收敛㊂随着检测窗长度增加，更多的多径信号被当做自多径来处理，ＳＭＲ逐渐增大，ＤＳＳＳ系统的抗多径能力也随之提高，趋向于ＡＷＧＮ信道㊂㊀㊀ＳＭＲ的重要意义在于平衡通信速率和误码率，从而确定扩频通信参数㊂为了更直观的比较几种不同海底地形信道和不同扩频码长条件下的表现，本文通过比较达到１０－３的误比特率所需要的ＳＮＲ来说明不同海底地形对ＤＳＳＳ系统性能的影响，如图５所示㊂㊀㊀图５直观的表现了在几种不同海底地形信道下，ＤＳＳＳ系统在不同的检测窗长度下的表现㊂可以看出，在同等检测窗长度条件下，要达到１０－３的㊃１３６㊃第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀孙宗鑫，等：不同海底地形下海洋信道对水声通信的影响ＢＥＲ，倾斜海底信道需要的信噪比最低，是深海信道，平底浅海信道由于海底反射致使信道中存在较高能量的多径㊂当检测窗缩短以后，更多的多径信号被限定在检测窗外，成为互多径干扰，降低了ＳＭＲ，所以底浅海信道在短检测窗下ＢＥＲ已经不能达到１０－３了㊂图５㊀实测信道１０－３ＢＥＲ需要的ＳＮＲＦｉｇ．５㊀ＴｈｅＳＮＲｎｅｅｄｅｄｂｙｔｈｅＢＥＲｏｆ１０－３ｉｎｒｅａｌｃｈａｎｎｅｌ４㊀结束语本文根据实测的阿拉伯海西北部海域的水声信道冲击响应数据，对３种不同海底地形信道对扩频信号的影响进行了仿真分析㊂利用ＳＭＲ描述多径信号的影响，ＳＭＲ较大时系统的抗多径干扰能力强，能够达到较低的ＢＥＲ㊂不同海底地型影响了信道的冲击响应结构，也影响了通信系统的ＳＭＲ㊂通过对比和比较，可以得到这样的结论，浅海平坦海底使信道产生最严重的多径衰落，是３种信道中最恶劣的；深海平底信道的ＳＭＲ适中，对于猝发扩频通信影响较小，当通信数据量较大时成为互多径干扰，使ＳＭＲ降低；倾斜海底信道由于海底地形的原因一部分海底反射无法到达接收点，其多径信号的时延较短且幅度较小，拥有较大的ＳＭＲ㊂参考文献：［１］ＳＴＯＪＡＮＯＶＩＣＭ，ＰＲＥＩＳＩＧＪ．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉ⁃ｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｓ：ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓａｎｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒ⁃ｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＭａｇａｚｉｎｅ，２００９，４７（１）：８４⁃８９．［２］ＫＩＬＦＯＹＬＥＤＢ，ＢＳＧＧＥＲＲＯＥＲＡＢ．Ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｒｔｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｔｅｌｅｍｅｔｒｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｃｅａｎ⁃ｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，２５（１）：４⁃２７．［３］于洋，周锋，乔钢．Ｍ元码元移位键控扩频水声通信［Ｊ］．物理学报，２０１２，２３：２８７⁃２９３．ＹＵＹａｎｇ，ＺＨＯＵＦｅｎｇ，ＱＩＡＯＧａｎｇ．Ｍ⁃ａｒｙｃｏｄｅｋｅｙｉｎｇｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｈｙｓＳｉｎ，２０１２，２３：２８７⁃２９３．［４］何成兵，黄建国，韩晶，等．循环移位扩频水声通信［Ｊ］．物理学报，２００９，１２：８３７９⁃８３８５．ＨＥＣｈｅｎｇｂｉｎｇ，ＨＵＡＮＧＪｉａｎｇｕｏ，ＨＡＮＪｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｃｙｃｌｉｃｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉ⁃ｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｈｙｓＳｉｎ，２００９，１２：８３７９⁃８３８５．［５］殷敬伟，惠俊英，王逸林．Ｍ元混沌扩频多通道Ｐａｔｔｅｒｎ时延差编码水声通信［Ｊ］．物理学报，２００７，１０：５９１５⁃５９２１．ＹＩＮＪｉｎｇｗｅｉ，ＨＵＩＪｕｎｙｉｎｇ，ＷＡＮＧＹｉｌｉｎ，ｅｔａｌ．Ｍａｒｙｃｈａ⁃ｏｔｉｃｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｐａｔｔｅｒｎｔｉｍｅｄｅｌａｙｓｈｉｆｔｃｏｄｉｎｇｓｃｈｅｍｅｆｏｒｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｈｙｓＳｉｎ，２００７，１０：５９１５⁃５９２１．［６］ＣＨＩＴＲＥＭ，ＳＨＡＨＡＢＵＤＥＥＮＳ，ＳＴＯＪＡＮＶＯＩＣＭ．Ｕｎｄｅｒ⁃ｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ：ｒｅｃｅｎｔａｄ⁃ｖａｎｃｅｓａｎｄｆｕｔｕｒｅｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ［Ｊ］．ＭａｒｉｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｏｃｉｅｔｙＪｏｕｒｎａｌ，２００８，４２（１）：１０３⁃１１６［７］ＳＵＮＺｏｎｇｘｉｎ，ＱＩＡＯＧａｎｇ．Ｍａｒｙｃｏｄｅｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇｄｉｒｅｃｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｗｉｔｈｇｏｌｄｓｅｑｕｅｎｃｅｕｓｉｎｇｉｎｕｎ⁃ｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＮｅｔｗｏｒｋｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．Ｒｏｍｅ，Ｉｔ⁃ａｌｙ，２０１４．［８］尹艳玲，乔钢，刘凇佐，等．基于基追踪去噪的水声正交频分复用稀疏信道估计［Ｊ］．物理学报，２０１５，６４（６）：０６４３０１０１⁃０６４３０１０８．ＹＩＮＹａｎｌｉｎｇ，ＱＩＡＯＧａｎｇ，ＬＩＵＳｏｎｇｚｕｏ，ｅｔａｌ．Ｓｐａｒｓｅｃｈａｎ⁃ｎｅｌｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉ⁃ｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｂａｓｉｓｐｕｒｓｕｉｔｄｅｎｏｉｓｉｎｇ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｈｙｓＳｉｎ，２０１５，６４（６）：０６４３０１０１⁃０６４３０１０８．［９］ＢＪＥＲＲＵＮＮＣ，ＬＵＴＺＥＮＲ．Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｃｏｕｓ⁃ｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｕｒｂｕｌｅｎｔｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪｏｕｒ⁃ｎａｌｏｆＯｃｅａｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，２５（４）：５２３⁃５３２．［１０］ＰＲＥＩＳＩＧＪＣ，ＤＥＡＮＥＧＢ．Ｓｕｒｆａｃｅｗａｖｅｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄａ⁃ｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｕｒｆｚｏｎｅ［Ｊ］．ＪＡｃｏｕｓｔＳｏｃＡｍ，２００４，１１６（４）：２０６７⁃２０８０．［１１］ＣＨＩＴＲＥＭ．Ａｈｉｇｈ⁃ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｒｍｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＪＡｃｏｕｓｔＳｏｃＡｍ，２００７，１２２（５）：２５８０⁃２５８６．［１２］ＹＡＮＧＴＣ．Ｔｅｍｐｏｒａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｏｆａｃｏｕｓｔｉｃｒａｙｓａｎｄｍｏｄｅｓｕｓｉｎｇｔｈｅｐａｔｈｉｎｔｅｇｒａｌａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＪＡｃｏｕｓｔＳｏｃＡｍ，２０１２，１３１（６）：４４５０⁃４４６０．［１３］尹艳玲，乔钢，刘凇佐．基于虚拟时间反转镜的水声ＯＦＤＭ信道均衡［Ｊ］．通信学报，２０１５，３６（１）：２０１５０１１０１⁃２０１５０１１１０．ＹＩＮＹａｎｌｉｎｇ，ＱＩＡＯＧａｎｇ，ＬＩＵＳｏｎｇｚｕｏ．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａ⁃ｃｏｕｓｔｉｃＯＦＤＭｃｈａｎｎｅｌｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｔｉｍｅｒｅｖｅｒｓａｌｍｉｒｒｏｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２０１５，３６（１）：２０１５０１１０１⁃２０１５０１１１０．［１４］ＳＵＮＺｏｎｇｘｉｎ，ＷＡＮＧＷｅｉ，ＷＡＮＧＹｕｅ，ｅｔａｌ．Ｐｉｌｏｔｓｕｐ⁃ｄａｔｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｂａｓｅｏｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒＭＩＭＯ⁃ＯＦＤＭ［Ｃ］／／ＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆ＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｃｈｉｎａ，２０１２：１７６１⁃１７６７．［１５］孙宗鑫，于洋，周锋，等．二进制偏移载波调制的零相关窗水声同步技术研究［Ｊ］．物理学报，２０１４，６３（１０）：１０４３０１０１⁃１０４３０１１０．ＳＵＮＺｏｎｇｘｉｎ，ＹＵＹａｎｇ，ＺＨＯＵＦｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｔｅｌｅｍｅｔｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｂａｓｅｄｏｎｂｉｎａｒｙｏｆｆｓｅｔｃａｒｒｉｅｒｍｏｄｕｌａｔｅｄｓｉｇｎａｌｗｉｔｈｚｅｒｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｎｄｏｗ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｈｙｓＳｉｎ，２０１４，６３（１０）：１０４３０１０１⁃１０４３０１１０．［１６］ＺＩＥＬＩＮＳＫＩＡ，ＹＯＯＮＹＨ，ＷＵＬＸ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｉｇｉｔａｌａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎａｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒｃｈａｎ⁃ｎｅｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥＯｃｅａｎＥｎｇ，１９９５，２０（４）：２９３⁃２９９．㊃２３６㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷不同海底地形下海洋信道对水声通信的影响作者：孙宗鑫， 于洋， 周锋， 刘凇佐， 乔钢， SUN Zongxin， YU Yang， ZHOU Feng， LIU Songzuo， QIAO Gang作者单位：孙宗鑫,周锋,刘凇佐,乔钢,SUN Zongxin,ZHOU Feng,LIU Songzuo,QIAO Gang(哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨150001; 哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江哈尔滨150001)， 于洋,YU Yang(哈尔滨工程大学 水声工程学院,黑龙江 哈尔滨,150001)刊名：哈尔滨工程大学学报英文刊名：Journal of Harbin Engineering University年，卷(期)：2015(5)引用本文格式：孙宗鑫.于洋.周锋.刘凇佐.乔钢.SUN Zongxin.YU Yang.ZHOU Feng.LIU Songzuo.QIAO Gang不同海底地形下海洋信道对水声通信的影响[期刊论文]-哈尔滨工程大学学报 2015(5)。
浅海水声信道模型分析及频率选择性衰落仿真
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 。
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图４ ， ５ ５ ． ６公里站位各深度信道匹配处理对信
号检测信噪比的改善效果 （ 简称匹配增益）
噪比。此时，信道匹配技术可用来消除多途的这种影响，文献「 ２ ］ ［ ３ 〕 对信道匹配进
行了理论实验研究，分别提出了解卷积信道响应法和自 适应信道匹配方法。 近年来，
在时间 反转和水声通讯信道均衡研究中 〔 ４ ， ５ １ ， 类似 信道匹配的 算法受到越来越多的 关
注。浅海低频声信道的多途特征明显，脉冲信号在其中传播时受多途影响较大。而
为 ， 在２ ４ 米 深 度 接 收 的 各 个 站 点 发 射 的５ １ １ 码 元 信 号 的 脉 冲 压 婀 结 果 ， 表 格１ 为 图
１ 脉冲压缩信号信噪比的理论值和实测值对比， 结果说明， 实验所用脉冲信号获得了 与理论值一致的脉冲压缩时间增益，补充多途扩展附加传播损失非常必要。
表 １水声通信接收 ５ １ １ 码元脉冲压缩信号的信噪比理论实验对比 （ 接收深度 ２ ４ 米）
在已 有的研究中， 对浅海信道低频信号的脉冲压缩和信道匹配及信道匹配增益的理
论实验研究较少。
１ ，接收信号的脉冲压缩相当于发射信号自 相关函数的传播
脉冲压缩技术是白噪声背景下有规信号检测的最佳处理方案，由于是线性处理
方法，可用于水声信道的传播研究。若发射有一定脉宽和频带宽度的复杂信号
则经过传递函 数为Ｈ （ ｒ ｏ ） 的 信道后 在 背 景 噪 声ｎ （ ｔ ） 对 接 收 信 号 进 行 脉 冲 压 缩 处
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浅海脉冲声传播的信道匹配＊
宫在晓、张仁和、李秀林、吴立新
（ 中 科院声学研究所 声场声 信息国 家重点实验室 北京 １ ０ ０ ０ ８ ０ ）
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引言
水声应用中， 由于发射换能器的功率限制， 常使用具有一定频带宽度和时间长度
的复杂信号结合脉冲压缩来代替简单脉冲信号〔 ’ Ｊ 。随着数字信号处理技术的不断发 展，该方法在浅海领域的应用需求也越来越广泛。声信号在浅海声信道中传播时， 会因各号简正波的群速度差异和频散而出现多途扩展，从而影响脉冲信号的检测信
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参考文献
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在脉冲压缩过程中，令信号有效频带的发射声源级为 Ｓ Ｌ （ 单位分贝， 参考 １微帕 为信号有效 ＠ １ 米） ，Ｎ Ｌ 为接收信号位置的噪声谱级（ 分贝，参考 １ 微帕 ｚ ／ 赫兹） ，Ｔ Ｌ 频带的能量传播损失（ 分贝） 。则理论上，脉冲压缩信号的信噪比Ｓ Ｎ Ｒ 为 （ ８ ） Ｓ Ｎ Ｒ＝ Ｓ Ｌ 一 Ｔ Ｌ 一 Ｔ Ｌ Ｒ 一 Ｎ Ｌ ＋ ｌ ０ ｌ ｏ ｇ ， ｏ ２ Ｔ ，
信号峰值功率的信道衰减和信号能量的信道衰减存在差异，此差异称为多途附加传
，自 然科学基金资助项目 （ 批准号：１ ０ ２ ３ ４ ０ ５ ０ ）
－ ３ ２ －
播损失，可用下式描述
Ｔ Ｌ Ｒ ＝１ ０ ｌ ｏ ｇｏ
一１ ０ ｌ ｏ ｇｏ Ｉｅ ｓ ｅ ｓ ＿ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｅ ｓ ｅ ｅ ， － ＿ 一 一 Ｉ ，
２ ．浅海远程声脉冲传播信道匹配实验
２ ０ ０ ０ 年１ １ 月， 在黄海４ ０ －７ ０ 米深的海区实施了ｍ序列编码脉冲声信号远程传 播实验，发射船依次在六个距离上发射 ｍ序列编码脉冲声信号。实验期间海况 １ － ３ 级， 声速剖面基本为等温层。 实验中发射信号有效频带为４ ５ ０ 至５ ０ ０ 赫兹． 图１ 所示
１ ９ ６ ０
５ ２ 一３ ６ ３ １ 月：３ １ 卷，第 ２ 期，１ ９ ９ ６ 年３ “ 海洋声信道 自适应匹配实验研究” ，声学学报，第 ２ 陈庚，
ｒ ， Ｉ Ｒ ＥＴ ｒ ａ ｎ ｓ ． 徐俊华、陈庚
信道相干部分的修正匹配” ， 声学学报， 第７ 卷， 第６ 期， １ ９ ８ ２
３ ７ ６ 一 ３ ８ ３
Ｓ Ｎ一 １ ０ １ ｏ ｇ ， ｏ 恤冲 信 号 峰 值 功 率 ／ 背 景 噪 声 平 均 功 率 ）
（ ５ ）
（ ６ ）
经 过 传 递 函 数 为Ｈ （ ｔ ｏ ） 的 水 声 信 道 后 得 到 的 接 收 信 号 。 带 限 信 号 经 声 信 道 传 播 后 的 脉
冲压缩信号会受信道的影响，其信噪比会与信道传播损失和信道多途关系密切。
８ ２ １ 一 ８ ３ １ Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｔ ｅ ｌ
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３ ．结论
通过以上实验数据和理论分析，有以下几点结论：
信道匹配处理能够有效补偿信道的多途扩展附加传播损失， 抑制多途效应对信噪 比的不利影响，提高接收脉冲声信号的识别信噪比。在实际应用中，可根据多途扩
－ ３ ３ －
展附加传播损失预报信道匹配处理增益，从而确定信道匹配处理的适用范围。
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图３ ，５ ． ５ ６ 公里站位信号的脉冲压缩结果
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使 用 高 信 噪比 实 验收 发 信 号 对 信 道 传 递 函 数Ｈ （ ｃ ｏ ） 进 行 估 计， 对 低 信 噪 比 接 收 信
号进行信道匹配。 图２ 所示为 ５ ５ ． ６ 公里站位深度 ３ ０ 米接收的 ６ ３ 码元脉冲信号 （ 脉 宽１ ． ３秒）脉冲压缩的结果和进一步信道匹配后的结果，脉冲信号的峰值检测信噪 比得到了明显的提高。 图３ 所示为垂直阵记录的 ５ ５ ． ６ 公里距离 ５ １ １ 码信号脉冲压缩 结果。对各个深度接收信号信道匹配处理前后的检测信噪比增加值 （ 称为匹配增益） 进行统计分析，结果如图 ４ 所示。根据多途扩展附加传播损失 Ｔ Ｌ Ｒ 的计算公式（ ７ ） ， 得到 ５ ５ ． ６ 公里站位各接收深度 Ｔ Ｌ Ｒ 的理论值，如图 ５ 所示。图 ４ 和图 ５ 对比分析 表明， 信道匹配增益的实验统计结果和多途扩展附加传播损失 Ｔ Ｌ Ｒ 理论值基本一致， 也就是说信道匹配处理有效补偿了多途附加传播损失（ Ｔ Ｌ Ｒ ） ｏ