_浅海水声多途信道建模与仿真

Abstract: M ak ing a study of shallow w ater acoustic channe l is the basic o f underw ater acoustic signal processing, such as resum ing the signa,l detecting ob jects, trace, orient and comm un icate. T his paper analyses brief ly characteristics of shallow w ater acoust ic channe,l studies physica lm ode l a im ing at intense m ult-i path propagat ion, and im p lem ents the simu lation of sound fie ld and channe.l The sim ulat ion resu lts to sound field distribu tions in d ifferent depth and channe l im pu lse responses in d ifferent transceiver cond itions, validate shallow w ater acoustic channel characteristics of m ult-i path, propagation w aste, t im e-varying, space-vary ing and sparseness.
第 32卷第 9期 2010年 9月
舰船科学技术 SH IP SC IENCE AND TECHNOLOGY
Vo.l 32, No. 9 Sep. , 2010
浅海水声多途信道建模与仿真
兰 英1, 章新华 2, 熊 鑫 1
( 1. 海军大连舰艇学院 研究生队, 辽宁 大连 116018; 2. 海军大连舰艇学院 信息与通信工程系, 辽宁 大连 116018)
水声信道带宽 [ 2] 受限的主要原因是海洋中水声 信号的吸收损失。它与水声信号频率密切相关, 信号 频率越高吸 收损失越 大。研究 表明, 声波频率 在 4 kH z左右是远距离传播的最佳频率。此外, 水声换能 器带宽的限制也是原因之一。 113 传播损失
声波在海洋介质中的传播损失 [ 2 ] , 主要有 3个方 面: 扩展损耗 ) ) ) 由于波阵面在传播中的不断扩大, 使得单位时间内单位面积上能量减少; 吸收损耗 ) ) ) 声能在传播过程中不可逆的转换为热能而消耗; 边界 损耗) )) 声波在海洋边界的反射使声能发生 / 泄 漏 0。浅海区域由于泥沙、污物的影响, 水质浑浊, 使 得声散射强度较强, 声信号也易被吸收, 因而传播损 失更为严重。 114 多径效应
充分的研究。
1 浅海水声信道特点
由于各种自然条件、地理条件等因素的影响, 水 声信道非常复杂。可以说海洋信道是一个环境噪声 高、信道带宽窄、传播损失大、多途效应严重的时变、 空变的随机信道。 111 海洋环境噪声
海洋环境 噪声 [ 1] 主要 来源于海洋动力 噪声、生 物噪声、交通噪声和工业噪声、地震噪声、冰下噪声,
收稿日期: 2010- 04- 07; 修回日期: 2010- 05- 11 基金项目: 海军大连舰艇学院科研发展基金项目资 助 作者简介: 兰英 ( 1984- ), 女, 硕士研究生, 研究方向为水声信道辨识。
第 9期
兰 英, 等: 浅海水声多途信道建模与仿真
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是声波在海水中传播主要的背景干扰之一, 不仅会造 成信号波形失真, 也会大大降低信噪比。由于浅海区 域船舶的起航、停靠等活动, 以及浅海大陆架的潮水 涨落, 浅海环境噪声要远远高于深海。 112 有限信道带宽
从仿真可以看到, 这种浅海环境下的多途信号到
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舰船科学技术
第 32卷
图 4 信道冲激响应 F ig14 Channel im pu lse response
4结 语
达结构有明显的时延, 并且随着时延的增加, 响应值 逐渐变小; 信号能量集中在几个显著的抽头上, 信道 响应具有明显的稀疏特性。分析其原因, 主要是海水 中声速远小于大气中电磁波速度, 使得传播相同长度 的路径所耗费的时间急剧增加, 从而导致不同路径到 达信号的时延差更加明显, 能量分布比较分散; 同时, 传播路径越远, 能量损耗越大, 响应值也越小。另一 方面, 可以看到信道冲激响应随声源深度、接收距离、 接收深度等参数明显变化, 而这些参数又受到海面风 浪、潮汐、海底地貌等因素的影响, 这从侧面验证了水 声信道的时变、空变、随机性。
M odeling and simu lation on shallow water acoustic mu lt-i path channels
LAN Y ing1, ZHANG X in-hua2, X IONG X in1 ( 1. PG T eam o f D alian N ava l Academ y, Da lian 116018, China; 2. Departm ent of Info rm ation and Communication Eng ineering, D alian Nava l Academ y, Da lian 116018, China)
建模。通过比较不同深度声源的 声场分布, 以及不同收发条件下的 水声信道 冲激响应, 验证了 水声信道 的多径效应、
稀疏性、传播损失、时变空变以及 随机性等特性。
关键词: 多途信道; 物理模型; 仿真
中图分类号: TN911
文献标识码: A
文章编号: 1672- 7649( 2010) 09- 0120- 03 DO I: 1013404 / j1 issn11672- 7649120101091030
本文简要分析了浅海水声多途信道的特点, 针对 浅海信道的强多途传播特性建立了清晰的物理模型, 模拟出浅海声场环境并计算不同收发条件下的水声 信道冲激响应, 验证了水声信道的多径效应、传播损 耗、稀疏特性、时变空变等特性。本文仿真的信道对 水声系统建模、水声通信仿真、信道的辨识与均衡仿 真等有重要作用。
图 1 多途传播物理模型 F ig1 1 Physical model o fm ult-i path propaga tion
3仿 真
假定海面为绝对软边界, 海深 135 m, 海底介质 内纵波声速为 1 607 m / s, 海底内没有横波, 海底密度 1195 g / cm3, 海 底 对 P-w ave 的 吸 收 系 数 为 0137 dB /m。海水中声速剖面如图 2所示。
N
E h( t ) = ai D( t - Si )。 i= 1
其中, ai 和 Si 分别为对应于不同路径的传播衰减系 数与相对时延。由于不同路线的距离不同, 到达接收 点的时间延迟以及能量衰减也就不同。这些不同时 延不同幅度的射线叠加, 使接收信号波形发生畸变。 图 1是 3条路径传播的物理模型。这里假设每个响 应幅度相等, S21 和 S31 分别表示第 2条路径与第 1条 路径、第 3条路径与第 1 条路径的时延差, 3条路径 的信号叠加后得到接收信号。
[ 4] 吴开明. 水下声信道的仿真与应用研究 [ D ]. 哈尔滨: 哈 尔滨工程大学, 2005.
K ey w ords: m ult-i path channe;l physical m ode;l simu lation
0引 言
随着科学技术的不断进步, 人类对海洋的探索、 开发和利用不断加深, 水下信息获取技术受到越来越 广泛的重视。然而, 由于浅海水声信道的复杂性, 特 别是浅海环境中具有的强烈的多径效应, 使得声源发 出的声波可能沿着几条不同的路径先后到达接收点, 接收信号不但会产生衰减而且会产生明显的畸变, 这 严重影响水下信息的获取。要消除这种信道带来的 干扰, 准确提取出声源发射信号, 必须对水声信道有
多途传播 [ 2] 的原因 是声线弯曲、海底海面的 反 射, 以及海水中随机分布的杂乱体的散射。声波通过 不同路径传播, 到达接收点的声波能量和时间也不相 同, 信道呈现选择性衰落特性, 使得信号的持续时间 和频带被展宽, 从而造成信号畸变。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。 115 时变、空变及随机性
参考文献:
[ 1] 惠俊英, 生雪莉. 水下声信道 (第二 版 ) [M ] . 北 京: 国防 工业出版社, 2007.
[ 2] 朱昌平, 等. 水声通信基本 原理与 应用 [M ]. 北京: 电 子 工业出版社, 2009.
[ 3] ETT ER P C. 水声信道建模与 仿真 [ M ]. 蔡 志明, 等译. 北京: 电子工业出版社, 2005.
摘 要: 在进行水声信号恢复和增强、目标探测、跟踪、定位、水声通信等技术的研究过程中, 对海洋信道 的仿
真研究是进行这些水声信号处理 仿真的基础。简要分析了水声信道的传 播特性, 主要针对 水声信道 强烈的多径 效应
这一特点, 研究了浅海水声多途信道的物理模型, 并通过 BELLHOP 射线传播模型实现了声 场环境模 拟以及水声 信道
1) 声速度不随水平方向变化, 仅是海水深度的 函数;
2) 海底海面为平整界面; 3) 声源和接收点位置不随时间变化; 4) 整个海洋信道看作一个网络系统;
5) 声场由本征声线决定。 经典射线声学 [ 3 ] 通 过声线轨迹计算 传播损失。 从声源出发的射线经过多条路线到达接收点, 接收到 的声场是所有到达射线 ( 本征声线 ) 的叠加结果。假 设本征声线有 N 条, 则认为水声多径信道有 N 条路 径。可得到水声多径信道的脉冲响应为:
由于海洋中存在种类繁多的随机不均匀性, 水声 信道可被看作时变、空变的随机信道 [ 2] , 对水声系统 的传播距离、信噪比、信号频率和系统带宽等都有很 大影响。百度文库
2 水声多途信道模型
大多数情况下, 水声信道可以看作缓慢时变的相 干多途信道, 若观察或处理的时间不太长, 则水声信 道可以描述成时不变滤波器。根据这一原则, 多途信 道仿真模型的假设条件 [ 4] 如下:
声源发射角 ? 11b, 声源频率 4 kH z, 声场距离 6 km, 利 用 BELLHOP 射线模型 分别计算声 源深度为 30 m 和 90 m 的声场分布如图 3所示。
根据射线理论, 当声源为冲激信号时, 可以得到 声场中每一点多途到达信号的时延和幅度数据, 根据 这些数据即可计算信道冲激响应。图 4分别给出了 声源深度为 30 m 和 90 m, 接收距离 516 km, 接收深 度 20 m 时的信道冲激响应, 以及 90 m 深处声源发射 信号在接收距离为 5 km、接收深度 20 m 和接收距离 516 km、接收深度 30 m 的信道冲激响应。