水声信道传输特性研究
水声通信信道特性测量研究
目录摘要 (I)Abstract.......................................................................................................... I I 1 绪论1.1 引言 (1)1.2水声通信的发展历史及现状 (2)1.3 论文课题介绍 (8)2 水声信道的传输特性及对水声通信的影响2.1海洋中声信道的物理特性 (11)2.2信道特性对通信的影响 (16)2.3水声信道与无线电信道的比较 (18)2.4本章小结 (19)3 水声信道建模与仿真3.1基于传统射线理论的N 径确定性模型 (20)3.2水声信道的仿真与分析 (24)3.3本章小结 (27)4 水声信道特性测量方法研究与仿真4.1信道特性函数分析 (28)4.2信道测量方法 (33)4.3信道测量的仿真分析 (40)4.4本章小结 (45)5 全文总结与展望 (46)致谢 (48)参考文献 (49)1 绪论1.1 引言通信是人们赖以生存的重要手段之一。
现代通信技术己经进入了人们生活的方方面面，卫星通信、移动通信使得居住在世界各地的人们可以通过直接对话进行交流。
同时人类交流信息的空间也不再局限在陆地范围，占地球表面积绝大部分的浩瀚水域作为人们的宝贵资源，己经吸引了许多科技工作者在水下通信领域去探索和开发利用。
随着海洋开发和信息产业的发展，利用海洋信道传递信息的需求大为增加。
各种数据信息，如遥测数据，水下机器人遥控指令，水下无缆电话，水下电视图象，环境系统中的污染检测数据等，都需要通过水声通信系统进行传送，水声通信系统的商用价值凸现，与之相应的是水声通信的研究迅速增加。
在近10年间，水声通信技术迅速发展，各种通信技术，如扩频技术、相位相干检测、自适应均衡等都在水声通信系统中得到了广泛的应用。
要在水下两个距离较远的地点之间建立通信，一种方法就是把发射机和接收机用通信电缆连接起来。
面向水下通信的声波传输信道特性研究
面向水下通信的声波传输信道特性研究随着人类对于海洋资源的不断开发和利用，水下通信变得越来越重要。
与陆地上的通信相比，水下通信存在更多的困难和挑战，其中众所周知的就是水下信号传输的衰减和失真问题。
因此，研究水下通信的声波传输信道特性是十分必要且具有挑战性的任务。
一、水下信号传输的衰减与失真与陆地上的电磁波通信不同，水中的声波通信更像是一种机械振动的形式。
声波的传播受到水环境的影响而存在不同程度的衰减和失真。
首先，倍增距离法则决定了声波传播距离和信号大小的关系，即距离增加一倍，信号强度下降6dB。
这一规律导致声波传输距离有限，导致水下通信距离短，而且对于深海通信来说，衰减更加明显。
其次，在水下信号传输过程中，反射、散射和折射等多种现象也会导致信号失真。
水中的有机物、盐度、温度等因素都会对声波传输保持影响，导致信号传输不稳定，无法成功解决传输速度和可靠性的问题。
二、水下声波传输信道特性研究针对水下信号传输的衰减和失真问题，研究水下声波传输信道特性成为一项重要任务，这也是保证水下通信质量和可靠性的必要步骤。
1.声波传输模型在研究水下声波传输信道特性时，我们需要考虑声波传输的物理模型。
该模型基于声波传播方程，包括源码、传播通路和接收器等元素。
这一模型可以通过实验和模拟来验证和优化。
2.信道建模建立水下声波传输信道模型是十分必要的。
这种信道模型的目的是描述声波传输中存在的各种现象，以及这些现象带来的传输的失真和衰减。
信道模型可以使用信道参数来描述，这些参数包括传播延迟、频率响应、时变性等。
基于这些参数，也可以建立相应的数学模型来对水下声波传输进行研究。
3.信号处理算法针对水下声波传输信道模型建模，我们可以采取不同的信号处理算法来解决信号的失真和衰减问题。
其中，均衡滤波是一种常见的处理方法，可以通过对频域或时域信号进行处理来实现衰减和失真的纠正。
此外，时域均衡法、自适应均衡法等算法也可以得到应用。
三、未来的研究方向水下通信的声波传输信道特性是一个复杂的课题，目前仍然存在着很多未知的问题。
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
14
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
浅海水声信道中声信号特性研究
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。
基于水声信道的通信方法及其性能分析
基于水声信道的通信方法及其性能分析一、引言随着信息技术的飞速发展，人类对于通信技术的需求也不断增加。
特别是在海洋和深海探测、水下机器人、海洋资源开发和保护等领域，对于高效稳定的水下通信技术越发迫切。
由于水声具有长距离传输和适应多种载体等特点，在水下通信中得到了广泛的应用。
本文将介绍基于水声信道的通信方法和其性能分析。
二、水声信道的特点水声传输信道的主要特点如下：1. 衰减大。
水声传输信道的衰减特征主要是频率依赖的、传播距离相关的、空间相关的和环境相关的。
2. 正弦成分丰富。
同时在水声信号中存在各种静态和动态的声学噪声，加剧了信号的复杂度和难度。
3. 时变信道特性。
水下信道的物理环境和水动力学过程均产生了时变效应，影响信号在传输过程中的衰减、时延和相位。
4. 多径效应和散射效应。
水声信源信号在水中经过多次反射、折射、衍射等散射现象而传输过程中，会造成多径效应和散射效应。
5. 可操纵性高。
水声信号能够被水中物体散射和吸收，使其能够被控制和操纵。
以上特点是水声信道特有的，对于水下通信系统的正确设计和信号处理至关重要。
三、基于水声信道的通信方法基于水声信道的通信技术包括传输协议、信号调制、信道估计、信号检测、编/解码和网络处理等环节。
1. 传输协议传输协议是用于在不可靠的信道上传输数据的方法。
传输协议可以用于数据传输，保证不可靠的信道上数据准确的接收，例如ARQ（自动重传请求）。
2. 信号调制水声信道的高噪声、大衰减和运动效应要求信号调制技术有很高的效率和较少的频谱使用。
调制技术的选择要根据操作环境，对抗噪声和抗多径性能等因素。
现在常用的调制方式有脉冲编码调制（PCM）、抗多径频率移位键控（FM）等。
3. 信道估计水声信道的时变性、多径和衰减等影响了传输信号的传播和接收。
正确的信道标定是确定接收信号的准确性的基础。
信道估计技术主要归纳为在线估计和离线估计两种。
在线估计是在信道变化时实时地进行估计，即时性强但计算量大。
水声通信中的信号处理技术研究
水声通信中的信号处理技术研究水声通信是指利用水中的声波进行通信的一种方式。
在水下通信、海洋探测、海底地震监测、水下测量和海洋科学研究等领域，水声通信应用广泛。
在各种复杂水下环境中，通过加强水声通信系统的信号处理技术，能够显著提高水声通信系统的性能。
一、水声通信的特点水声通信的特点是传输距离短，传输速率低，信道复杂。
传输距离受水深、水温、盐度、水下地形等环境因素的影响，一般不会超过几千米。
而且由于水媒介对声速、吸收、散射、多路传播的影响，使得水声通信的传输速率远低于地面通信。
此外，水声通信信道也存在多径干扰、多普勒效应、背景噪声等复杂问题。
二、水声通信中的信号处理技术在水声通信系统中，通过信号处理技术，可以加强信号的抗干扰性能、提高信号的传输速率、改善信号的质量等。
具体来说，水声通信中的信号处理技术包括多普勒补偿、信道均衡、调制识别和自适应等方面。
1. 多普勒补偿技术由于水声信道的移动性，信道中的信号存在多普勒效应。
多普勒效应会导致接收到的信号频率发生变化，导致接收机难以正确解调。
因此，需要在接收端使用多普勒补偿技术来抑制多普勒效应的影响。
多普勒补偿技术的主要方法是采用滤波器或者去除信号中的多普勒偏移，从而恢复原始信号的频率特性。
2. 信道均衡技术水声信道的不稳定性导致信道的动态变化，会影响信号的传输和接收。
在通信过程中，会出现信号损失和误码率的增加的情况。
因此，需要在接收端使用信道均衡技术进行处理。
常见的信道均衡技术包括逆滤波器和均衡器。
逆滤波器通过将通信信号与逆滤波器进行卷积运算实现信道均衡。
均衡器则是通过对信号的频谱特征进行修正来实现信道均衡。
3. 调制识别技术在水声通信系统中，调制信号存在多种模式，包括ASK、 FSK、CPFSK等。
因此，需要使用调制识别技术来判别不同的调制方式，并且对信号进行相应的解调处理。
4. 自适应技术自适应技术是一种基于信道状态的动态调整技术，可以实现水声信号的自适应控制、信噪比优化、自适应均衡等。
水声传播中的声场特性与影响因素研究
水声传播中的声场特性与影响因素研究在我们生活的地球上，水覆盖了大部分的表面。
而在水下世界，声音的传播有着独特的特性和规律。
水声传播中的声场特性及其影响因素的研究对于海洋科学、声学工程、军事应用等众多领域都具有极其重要的意义。
首先，我们来了解一下水声传播中的声场特性。
声场，简单来说，就是声音在水中传播所形成的区域。
在这个区域中，声音的强度、频率、相位等特性都会发生变化。
声音在水中传播时，其强度会随着距离的增加而逐渐减弱。
这是因为水对声音具有吸收作用，就像海绵吸水一样，声音的能量会被逐渐消耗。
而且，这种吸收作用与声音的频率有关，通常高频声音更容易被吸收，这就导致了在远距离传播时，低频声音相对更容易被检测到。
另一个重要的声场特性是声音的传播速度。
与在空气中不同，声音在水中的传播速度要快得多，大约是 1500 米每秒。
但这个速度并不是恒定不变的，它会受到水温、水压和盐度等因素的影响。
例如，水温升高时，声音传播速度会增加；水压增大时，传播速度也会有所提高；而盐度的变化同样会对传播速度产生一定的影响。
除了强度和传播速度，声音在水下传播时还会发生折射和反射现象。
这就好比光线在不同介质中传播时会改变方向一样。
当声音从一种水层传播到另一种具有不同物理特性的水层时，就会发生折射。
而当声音遇到障碍物，如海底、海面或大型物体时，会发生反射，一部分声音能量会被反射回去。
接下来，我们探讨一下影响水声传播的因素。
水温是一个关键因素。
不同的水温会导致水的密度和压缩性发生变化，从而影响声音的传播速度和吸收特性。
在海洋中，水温通常会随着深度和地理位置的变化而变化，形成复杂的温度分层结构，这会对水声传播产生显著的影响。
水压也是不可忽视的因素。
随着水深的增加，水压会不断增大，这会使得水的密度增加，从而改变声音的传播特性。
盐度同样对水声传播有着重要影响。
海水中的盐度分布不均匀，高盐度的海水和低盐度的海水在声学特性上存在差异，这会导致声音在传播过程中发生折射和反射。
水声信道传输性能评估与优化技术研究
水声信道传输性能评估与优化技术研究水声信道是指利用水作为信号传输媒介的通信方式，是水下通信、水下声纳、水下声学观测和控制等方面的重要应用领域。
水声信道的传输性能影响着海洋监测、资源勘探和军事行动等方面的实际应用，并且会受到水温、盐度、水深变化等地理环境的影响。
如何对水声信道传输性能进行评估与优化技术研究成为研究热点。
一、水声信道传输性能评估技术1、传输距离水声信道传输距离受到水的传播损失、散射、多径传播和信道噪声等因素的影响，因此在传输信号时需要考虑传输距离。
通过衰减模型和波束形成等技术可以对水声信道传输距离进行评估，从而提高传输可靠性和效率。
2、信道带宽信道带宽是指该信道中信号可以传输的频带范围。
水声信道的信号受到海洋水域环境的影响，因此其带宽通常比较小。
对于水声信道，我们可以采用频率分集技术、多载波调制技术和码分多址技术等方法提高信道带宽，从而提高传输频宽和信息传输量。
3、误码率和位错率水声信道的误码率和位错率通常受到信道噪声的影响。
通过编码技术和解码技术可以提高信息传输的正确性和准确性。
其中，前向纠错码和卷积编码技术可以有效的降低误码率和位错率。
二、水声信道传输性能优化技术1、多种载波技术多种载波技术是指在不同频段使用不同载波方式，通过选择合适的载波信号可以优化信道传输性能。
例如，在高频段可以采用深水声波和扩谱技术，而在中频段可以采用PSK和FSK调制技术，从而提高信道带宽和传输速率。
在低频段可以采用频率分集技术和空间多址技术，使信道带宽得到更好的利用。
2、频率选择频率选择技术是指通过选择合适的频率范围，避免频率利用冲突和提高信噪比，从而降低误码率和位错率。
在水声通信中，频率选择技术可以有效的减少水声信道传输噪声和多径衰减，提高传输效率和可靠性。
3、倍增技术倍增技术是指在信号传输中采用多个发射器和接收器，同时传输多条信号，从而达到传输效果的同时进行多重检测和消除多重传播效应。
倍增技术可有效的提高信道传输可靠性和抗干扰性。
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水声 信道 脉冲 响应 的基 础 。图 ｌ 给 出 了水 声信 道 仿
・
２ ７ ８・
现 代 导 航
ห้องสมุดไป่ตู้
水声信道传输特性研 究
胡安平 ，高锐 ，张建春
（ 中 国 电子 科 技 集 团 公 司 第 二 十 研 究 所 ， 西 安 ７ １ ０ ０ ６ ８ ）
摘
要：在海洋开发 中，基于水声的应用系统得到越来越广泛的应用。本文对水声信号的传
播速度 、 传播损失、 海洋噪声、 信号带宽、多径传播复、多普勒效应等方面的性能做 了详细分析， 明确 了水声信号的传输特性，对 于水声应用 系统研发有参考作用。 关键词：水声导航 ；水声通信；水声探测；信道特性
Ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ， ｌ ｏ ｓ ｓ ， ｏ ｃ ｅ ａ ｎ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｓ ， ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｂ ａ ｎ ｄ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ， ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｄｏ ｐ ｐ ｌ ｅ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｍｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｒ ｅ
Ｃｈ ａ ｎ ｎｅ １ Ｃｈａ ｒ ａｃ ｔ ｅ ｒ ｊ ｓ ｔ ｉ ｃ
０ 引言
近 年 来 ，海 洋 权 益 越 来 越 来 越 受 到 人 们 的重
１水 声 信 号 环 境 特 性
在海 洋 环境 中 ，水 声信 号受 到传 播速度 低 、传 播 损耗 随频 率增加 、海洋 环境 噪声 高等 诸 多因素 的
分析。 １ ． １声波传 播 速度低
处理和 设计 的物 理基础 ，通过 深入 了解 水声通 信信 道特 异 的声传 播规律 ，才能 设计 出适 配于海 洋 实际 环境 的水 声应 用设备 和 系统 。
与无线 电传播速度相 比，声波的传播速度较
低 ，大约在 １ ５ ０ ０ ｍ ／ ｓ 。声波在 海水 中的传播 速 度取 决于 水温 、盐度和 深度 等 ，海水 中声 速经验 公 式可
２ Ｏ ｌ ２ ０ ２ ０ｌ ０。
ｌ Ｉ ｌ
式中， ｔ 为温度 （ ℃） ， Ｓ 为盐度 （ ％ 。 ） ， Ｈ为深度 （ ｍ） 。
第 ４期
胡安平等 ：水 声信道传输特性研 究
・ ２ ７ ９・
声速 随着水 温 、盐度 及深 度 的增加 而增 加 ，海面 声 速 的变 化主 要 取决 于温 度 ；而 随着 深度 的增 加 ，压
表示 为
ｃ＝１ ４ ４９ ． ２＋４． ６ ｔ 一０． ０ ５５ ｔ ＋０ ． ０ ０ ０ ２ ９ｔ 。 …
＋（ １ ． ３ ４ — ０ ． ０ １ ｔ Ｘ ｓ一 ３ ５ ｝ ＋ ０ ． ０ ｌ ６ Ｈ
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ ． ０ ６ — ０ ５ 。中 国电科集团创 新基 金，编 号：
ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｌ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｕ ｎ ｄ ｅ ｗ ａ ｒ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｉ ｓ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｅ ｄ ， ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｄ ａ ｓ ａ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ
ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ：Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ Ａｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｎａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ；Ｕｎ ｄ ｅ ｗａ ｒ ｔ ｅ ｒ Ａｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｃｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ；Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ Ａｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ；
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中图分类 号 ：Ｔ Ｂ ５ ６ ７ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ： １ ６ ７ ４ — ７ ９ ７ ６ 一（ ２ ０ １ ３） ０ ４ — ２ ７ ８ — ０ ７
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ Ａｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｃｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ
视 ，针 对海 洋开 发和 海洋 军事应 用 的各种 装备 也得
到研 究和发 展 。在 水 下应用 的各种 装 备 中，基 于 水 声信 号传输 的导航 、通信 、探 测装 置得 到更加 广泛 的研 究 。水 声信 道 是水 下 水声 导航 ／ 通 信／ 探 测 信 号
影 响 ，下 面结合 仿 真对水 声信 号环 境特 性进 行详 细