基于BELLHOP的水声信道时变模型
基于射线模型的典型海底地形下的声传播
基于射线模型的典型海底地形下的声传播海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。
声波是目前水下信息传输的主要载体。
文章基于射线模型对深海环境下四种典型海底地形声传播展开研究。
仿真结果表明，可利用海底地形对声波的反射和折射效应，获得声源达到空间任意位置的声线传播轨迹和传播损失，基于射线模型的声传播研究可为实际海洋环境下的水下信息传输以及探测提供技术支持。
标签：典型海底地形；射线模型；声线传播1 概述在海洋环境中，海底地形是水声传播的下边界，不同的海底地形对水下声传播有着重要的影响。
研究海底地形与声传播的关系对水下探测、定位和信息传输等有着极其重要的作用。
射线模型在声传播的研究中使用比较广泛，该模型应用简单直观、计算速度快。
射线模型计算出声场的传播损失以及声线的传播路径等多种数据，是声场研究的一种有效方法。
射线模型在处理声线的会聚区与影区、声线的传播路径等方面要优于简正波模型。
在射线模型中，Bellhop模型引入高斯波束跟踪法，在处理声线完全影区和能量焦散等问题方面与传统模型相比有非常明显地改进。
需要说明的是，Bellhop模型在计算高频率的声传播时，结果与实际比较接近，效果比较好，并且随着研究的不断深入，通过对Bellhop模型的处理和改进，在低频率的声传播研究中，也能够得到较好的结果[1]。
本文针对典型声速剖面下，利用Bellhop模型实现了深海环境中，四种典型海底地形的水下声学仿真实验，可为水下信息传输和探测提供理论的研究依据。
2 射线理论模型在射线模型中，声场中的能量是靠声线来传播的，声源发出的声线在信道中按照一定的路径传播后到达接收点，接收点所接收到的声能是所有到达该点的声线能量之和。
因为不同的声线有不同的传播路径，因此到达接收点的相位和时间也有所不同。
所有声线携带的能量是守恒的，经过传播过程中的扩展损失和吸收损失后，到达接收点的能量会有衰减，但是通过对传播损失的规律的研究，可以确定到达接收点的声线强度。
水声通信中信道建模方法研究
水声通信中信道建模方法研究随着科技的不断发展，水声通信作为一种非常重要的通信方式，正在越来越广泛地应用于军事、海底能源开发、海底地质勘探和海洋生态环境监测等领域。
但是，由于水声信道具有高时变性、多径效应、多变的海况环境等特点，使得水声通信信号传输的可靠性和质量受到了很大的制约，因此需要对水声信道进行建模和研究，以便更好地使用该通信方式。
1. 水声信道特点水声信道具有很高的时变性和多径效应。
这是因为水声信号在水中传输会被海水中的声音速度、密度和压力等参数影响，这些参数又与海洋动态环境密切相关，而海洋动态环境又缺乏规律性。
因此，水声信道中的信号会发生衰减、时延扩散、相位扭曲等现象。
另外，由于水声信号需要穿越水面和海底两个不同介质，因此还会发生反射、折射等多径效应。
2. 水声信道建模方法2.1 统计建模方法统计建模方法是利用概率和统计学方法来描述水声信道的特性，主要包括分布模型、随机过程模型、卡尔曼滤波模型等。
其中，分布模型利用概率密度函数来描述水声信号的时变性和多径效应，通常使用的分布模型有高斯分布模型、瑞利分布模型、约翰尼斯分布模型等。
随机过程模型则是利用随机过程来描述信号的统计特性，通常使用的随机过程模型包括高斯白噪声模型、马尔可夫模型、欧拉马尔柯夫模型等。
卡尔曼滤波模型则是利用卡尔曼滤波算法来对信道进行建模，可以有效地预测信号的时变性和多径效应。
2.2 物理建模方法物理建模方法是利用物理原理和实验数据来描述水声信道的特性，通常包括时频域建模方法、波浪算法建模方法等。
时频域建模方法利用时频分析技术对信道进行建模，通常使用的方法有傅里叶分析法、小波分析法、能量子空间法等。
波浪算法建模方法则是利用海洋波浪运动模拟水声信道的变化，通常使用的方法有海洋波浪模型、海洋动态模型等。
3. 信道建模方法的比较和选择在实际应用中，选择适合的信道建模方法对于提高水声通信系统的性能和可靠性至关重要。
一般来讲，物理建模方法更加贴近实际应用环境，具有更好的准确性和可预测性。
声纳 将海底世界尽收眼底
潜艇声纳角度和潜艇运行罗盘方向角度一致吗？ 例如，潜艇朝正东行驶， 声纳显示90度方向有螺旋桨声，能判断是何位置？ 潜艇可以360度探测声音来源。如果90度有螺旋桨声，可以将舰艏对准声源， 0度时就可以往声源靠近并发射鱼雷。
数字声纳是相对哪种声纳而言的?有光学声纳吗? 一般声纳是发射模拟声波，撞击目标后的声波返回后，由声纳兵监听后分析结果， 而数字声纳发射的则是由计算机控制的，返回后的声波由计算机处理成计算机可 以识别的0和1，和计算机数据库中的数据对比，得出目标的具体情况，这种声纳 称之为数字声纳。 数字声纳是相对于模拟声纳而言的，没有光学声纳，只有光纤声纳。相对于传统的 压力敏感陶瓷（受压时陶瓷的电阻会发生变化）为基础的声纳，现代的光纤声纳， 利用光纤受压时在光纤中传导的光的相位会发生变化，该相位差利用没有受压的 光与受压光的衍射效应精确测定。利用一组摆放方位不同的光纤可以在水中精确 测定声源的位置。探测距离和精度提高很多。 数字管道成像声纳是干什么用的，有什么作用？ 数字管道成像声纳主要用于在有水的条件下检查各类管道、水渠、方沟的缺陷、破 损及淤泥状态等。声纳的探头通过CCTV机器人、浮筏及专用机架等载体进入满 水或其他水位条件下的管道、水渠、方沟中，通过操作操作系统的画面，直观地 描述管道、渠沟的状态，为维修养护提供决策依据。
被动声纳指什么？ 被动声纳技术是指声纳被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备 发射的信号，以测定目标的方位。它由简单的水听器演变而来，它收听 目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声 暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。
声纳用什么测距离？ 利用回声时间*声速来测距离，具体来说就是发射声波，然后收到目标回声 ，利用发射和接收到回声这段时间乘以声速，然后除以2就得到目标距离 。当然要得到精确的结果还要考虑多普勒效应。 鲨鱼皮有吸收声纳的效果吗？ 有，因此有人造鲨鱼皮做成潜艇的外壳，可以有效的降低声纳的刺探。
浅海水声通信中纠错编码的应用
２１ ０ １年 ２ 月 舰船科学技术
Ｖｏ ． ３．ＮＯ ２ １３ ． Ｆｅ ｂ．，２ ０１ １
Ｓ Ｐ Ｓ ＥＮＣＥ ＨＩ ＣＩ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
浅海 水 声通 信 中 纠错 编码 的应 用
刘 磊 ， 邦 杰 ， 冀 岳 玲 淦 华 东 ， ，
（ ． － 船 舶 重 工 集 团公 司 第 七 。 五研 究 所 ， 西 西安 ７ ０ ７ ； １ ｑ国 陕 １０ ５
２ 水 下信 息与控制 重 点实验 室 ， 西 西安 ７ ０７ ） ． 陕 １ ０ ５
摘 要 ： 针 对复杂多变 、 强多途和起伏干扰 的浅海水声信道 ， 了基于 Ｂ Ｌ Ｈ Ｐ 建立 Ｅ Ｌ Ｏ 射线模型 的时变 衰落水
Ｌ Ｕ Ｌ ｉ ，ＩＢ ｎ ｉ ， Ｅ Ｌｎ Ｇ ａｄ ｎ ’ Ｉ ｅ Ｊ ａ ｇｊ ｅ ＹＵ ｉｇ ， ＡＮ Ｈｕ —ｏ ｇ ’ （ ． ｈ ０ ｓ ａｃ ｎ ｔｕｅ ｏ ＳＣ，Ｘｉ ｎ ７ ０ ７ Ｃ ｉａ １ Ｔ ｅ７ ５ Ｒｅｅ ｒｈ Ｉｓｉ ｔ ｆＣ Ｉ ｔ ’ １ ０ ５， ｈｎ ； ａ
结 果 表 明 ， 织 器 位 于 串 行 级联 码 编码 之 后 具 有 更 强 的 纠错 能 力 ， 合 复 杂 多 变 的 水 声衰 落 信 道 。 交 适
关键词 ： 跳 频通信 ； 积码 ； 卷 ＲＳ码 ； 串行 级 联 码 ； 织 器 交
中 图分 类 号 ： Ｔ ９ ． Ｎ１ ７ １
声 信 道 模 型 。在 此 基 础 上 通 过 系 统 仿 真 的 方法 ， 析 了卷 积 码 、 Ｓ 和 串 行 级 联 码 ３种 纠 错 编 码 方 案 在 水 声 跳 频 通 分 Ｒ 码 信 系 统 中的 性 能 ， 出了 信 道 下 的 仿 真 结 果 并 进 行 了对 比分 析 ； 究 了 交 织 器 位 置 对 串 行 级 联 码 纠 错 性 能 的 影 响 。 给 研
BELLHOP模型应用实例
BELLHOP模型应用实例从信道估计的角度出发，发射信号x(p,τ,t)相当于信道的输入信号，把水声信道看做一滤波器，其冲激响应函数为ℎ(p,t,f)，接收信号y(p,t,f)相当于信道的输出信号。
这里用p代表空间位置，t代表时间，f代表频率。
将海洋海军看做水声信道的原理图如下图所示。
水声信道原理图信道的输入与输出可以由卷积运算结合起来，即；τy(p,t,f)=∫ℎ(p,t−τ,f)x(p,τ,t)dτ−∞从这个观点看，声波信号在水声信道传播过程中所受到的影响都是由信道的冲激响应函数ℎ(p,t,f)来决定。
因此，只要取得发射信号x(p,τ,t)和接收信号y(p,t,f)，就有可能通过一定的数学运算来求解ℎ(p,t,f)，从而掌握水声信道的性质，也即掌握了声波在海洋中传播的规律。
反过来，只要掌握了反映水声信道特性的脉冲响应函数ℎ(p,t,f)，就有可能通过卷积等数学运算从接收信号y(p,t,f)中恢复出发射信号x(p,τ,t)，从而解决了水声通信、水声信号探测、识别等诸多问题。
同理，我们通过配置海洋水声信道的环境参数，通过BELLHOP模型计算出水声信道的冲激响应函数ℎ(p,t,f)，从而可以通过x(p,τ,t)和ℎ(p,t,f)的卷积得到接收信号y(p,t,f)。
本文以正弦信号为例，通过配置海水信道的环境参数，通过BELLHOP模型计算出水声信道的冲激响应，从而通过输入信号与冲激响应的卷积得到输出信号。
1. 首先设置海水信道的环境参数文件“test.env”，本文的参数设置如下：在matlab 的命令行操作如下： >>bellhop 'test'<ENTER>生成“test.arr ”文件，读取“test.arr ”文件，绘制冲激响应如下图所示：2. 编写matlab 程序，计算输出信号。
1）参数设置：相对时延/s归一化幅度归一化冲激响应2）创建输入信号：3）读取“test.arr”文件，获取所需的幅度和时延：4）对单位冲激响应进行采样，并与输入信号做卷积，得到输出信号：5）绘制发送与接收信号波形：发送与接收信号波形如下图所示：对单位冲激响应采样的函数：00.050.10.150.2发送信号时间/s 幅值(V )5.255.35.355.4 5.45 5.54接收到的信号时间/s幅值(V )。
基于BELLHOP模型的水中目标回波亮点特征建模与分析
第1"卷第1期2019年2月指挥信息系统与技术Command Information System and TechnologyVol. 10 No.1Feb.2019•实践与应用•do# 10. 15908". cnki.cist.2019. 01. 015基于B E L L H O P模型的水中目标回波亮点特征建模与分析"崔化超晏谢飞(中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007)摘要：水中目标回波亮点的时空特性是主动声呐进行目标检测、跟踪与识别的主要依据，由于水声环境复杂多变，回波亮点结构受环境因素影响较大。
建立了主动声呐目标回波的5亮点模型，并利用BELLHOP模型仿真复杂的水声传播环境。
在浅海正声速梯度、浅海负声速梯度和深海声道3种信道条件下，提取并分析了不同舷角下目标回波亮点的时空特性。
仿真结果表明，该模型反映了不同声传播环境下的目标回波亮点特征变化情况，可为主动声呐的目标检测与识别提供支撑。
关键词：5亮点模型；BELLHOP声传播模型；亮点特征提取；时空特性中图分类号：TP391. 9文献标识码：A文章编号：1674-909X(2019)01-0080-05Highlight Feature Modeling and Analysis for Underwater Target EchoesBased on BELLHOP ModelCUIHuachao YAN Xiefti(The28th Research In stitute of C h in a Electronics Technology G roup Corporation,N anjing210007, C hina) Abstract:The spatial-temporal characteristics of the underwater target echo highlights are the basis of target detecting,tracking and identifying for the active sonars.Due to the changeable water acoustic environment,the e cho highlight structure is affected by the environment factors.Five highlights model for the active sonar target echoes are established plex water acoustic environment is simulated with the BELLHOP model.Under the three conditions of shallow sea positive sound velocity gradient,shallow sea negative sound velocity gra and deep sea channel,the spatial-temporal characteristics of the target echo highlights at differentshipboard angles are extracted and analyzed.Simulation results show that the model can the changes of target echo highlight features in different acoustic propagation environments,andprovide the target detection and identification of active sonar.Key words：five highlights model；BELLHOP acoustic transform model；highlight feature extraction；spatial-temporal characteristics〇引言回波信号是主动声呐获取目标特征信息的主要 来源，建立准确的回波信号数学模型有助于目标检 测、跟踪和识别方法的分析研究。
水声通信信道建模及信号检测技术研究
水声通信信道建模及信号检测技术研究水声通信是一种利用水介质进行通信传输的技术，其信道特性的建模和信号检测技术的研究对于水声通信系统的设计和性能提升具有重要意义。
本文将对水声通信信道的建模方法及信号检测技术进行综述，展示当前研究进展和未来发展方向。
水声通信信道建模是研究水声通信的基础工作之一，主要通过对水声信道的特性进行建模和分析，为水声通信系统的设计和性能评估提供理论支持。
根据水声通信信道的特点，一般可以将其建模为时变、多径、多路徑衰落且噪声干扰较大的信道。
具体的建模方法包括几何模型、传输模型和统计模型等。
几何模型通过建立海底和海面几何形状、声源位置和接收器位置等信息，来预测水声信号的传播损耗和传播路径。
传输模型则是基于声波传播的物理特性和扩散特性进行建模，通过模拟诸如反射、折射、散射等传播效应来描述水声信道。
统计模型则通过对实际采集到的水声信号进行统计分析来提取相关的信道参数，并基于这些参数构建信道模型。
信号检测技术是水声通信系统中关键的研究内容之一，其目的是在复杂的水声信道中，通过设计有效的检测算法来实现对发送信号的准确接收。
由于水声信道的时变性和多普勒效应等因素的影响，传统的通信系统中常用的信号检测技术在水声通信中并不适用。
因此，研究者们提出了许多针对水声通信信道的信号检测算法。
其中，常用的方法包括：1.盲源分离算法：利用信号的独立性和非高斯性来从混合信号中分离出原始信号。
通过将混合信号与水声通信信道建模进行比较，可以实现盲源分离和信号检测。
2.自适应均衡算法：通过对接收到的信号进行均衡处理，抵消信道引起的时移和符号间干扰。
自适应均衡算法在估计信道响应的同时，实时调整均衡滤波器的系数，以适应信道变化。
3.多解码器组合算法：将多个解码器输出的结果进行组合，通过结合不同解码器的输出信息提高系统的译码性能。
4.采用智能算法：如神经网络和遗传算法等，用于优化信号检测算法的参数设置，提高检测性能。
除了上述方法，还有一些新兴的技术正在被研究和应用到水声通信中，例如多输入多输出（MIMO）技术、空时编码技术等，这些技术可以提高水声信道容量和系统的可靠性。
水声通信中的信道建模与仿真技术研究
水声通信中的信道建模与仿真技术研究作者：牛停举杨日杰刘凤华来源：《硅谷》2009年第09期[摘要]水声信道是水声通信的一个重要组成部分，它的研究可以提高水声信号传输的可靠性。
对水声通信中不同信道模型的传播特性进行较为详细的理论分析，并用MATLAB仿真软件对不同的信道模型的传播损失特性进行仿真，为水声通信系统的信道设计提供理论基础。
[关键词]水声通信信道模型仿真中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0510103－02一、引言水声通信的难点集中在复杂多变的水声信道上，水声信道的传播损失、多径衰落、噪声、混响等特性极大的影响了传输信号，使其产生幅度起伏和相位波动。
因此分析研究水声信道的传播特性对于水声通信研究有重大意义。
本文从基本的波动方程出发，详细分析了波动方程的不同解法，并用MATLAB对不同信道模型进行了仿真分析。
二、水声通信中的信道模型从基本的状态方程、连续方程和运动方程可以推导理想流体中的小振幅波的波动方程：其中为定义的一个新的标量函数，称为声速势函数；为拉氏算符。
利用边界模型来限制波动方程的解在边界上的取值，然后再根据给定的声波辐射条件（在无穷远处的定解条件）就可以完全确定波动方程的解。
（一）简正波模型在柱坐标中可将波动方程方程成为简化的椭圆波动方程，假设分层介质是圆柱对称的，那么方程中的势函数的解可以写成。
然后用作为分离变量常数对变量进行分离，可得到一下两个方程：方程1是著名的简正波方程；方程2是距离方程。
简正波方程解称为格林函数。
距离方程的解可写成汉克尔函数（）。
如假定声源为单色点源，则的通解可用无限积分表示：射线声学是把声波的传播看作是一束无数条垂直于等相位面的射线传播，每一条射线与等相位面相垂直。
从声源发出的声线按一定的路径达到接收点，接收点接收到的声场是所有达到该点声线的叠加。
用两个基本方程来确定声场的路径和强度：程函方程和强度方程：由程函方程和强度方程就可以得到波动方程的近似解。
基于BELLHOP模型的水下信道仿真方法研究
助。
作者简介：李孟，男，硕士研究生，助教，研究方向：水下信道建模仿真，阵列信号处理，水声通信。
2018 年第 8 期
167
舰 船 电 子 工 程
若用 A( n ) 表示节点处接收到第 n 路信号的幅
波的幅度、入射角和通信时延等信息。提取与传感
器节点接收信号相关的传递函数参与运算，同时对
海底地形及声波在海洋界面中的反射和折射损失
算简洁，尤为适合求解和距离相关的声场环境的特
点受到科研人员的追捧 。射线模型以声场中的
线
。计算接收点上的声场就因此被简化了很
［4~5］
多，只需知声源和环境文件即速剖面、几何结构、
等各种相关参数进行输入和设置［7］，通过基于 Bell⁃
优布局中节点的布放位置与声线之间的关系，实验结果表明，采用传递函数能够较好地对水声信道中信号的传播途径进行
模拟，此外，无论声线数目的多少，最优节点始终放置在声线上。
关键词
BELLHOP 模型；水下信道；声线；最优布局
中图分类号
TP391.9
DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2018. 08. 037
Vol. 38 No. 8
166
总第 290 期
总第
290
2018
年第
8期
舰 船 电 子 工 程
Ship Electronic Engineering
基 于 BELLHOP 模 型 的 水 下 信 道 仿 真 方 法 研 究
李
（1. 南阳理工学院
摘
要
孟1
周荣艳 1，2
473000）
（2. 西北工业大学航海学院
BELLHOP模型
The BELLHOP Manual and User’s Guide: PRELIMINARY DRAFTMichael B.PorterHeat,Light,and Sound Research,Inc.La Jolla,CA,USAJanuary31,2011AbstractBELLHOP is a beam tracing model for predicting acoustic pres-surefields in ocean environments.The beam tracing structure leads to a particularly simple algorithm.Several types of beams are imple-mented including Gaussian and hat-shaped beams,with both geomet-ric and physics-based spreading laws.BELLHOP can produce a vari-ety of useful outputs including transmission loss,eigenrays,arrivals, and received time-series.It allows for range-dependence in the top and bottom boundaries(altimetry and bathymetry),as well as in the sound speed profile.Additional inputfiles allow the specification of directional sources as well as geoacoustic properties for the bounding media.Top and bottom reflection coefficients may also be provided. BELLHOP is implemented in Fortran,Matlab,and Python and used on multiple platforms(Mac,Windows,and Linux).This report describes the code and illustrates its use.12Contents1Map of the BELLHOP program51.1Input (5)1.2Output (5)2Sound speed profile and ray trace9 3Eigenray plots17 4Transmission Loss214.1Coherent,Semicoherent,and Incoherent TL (25)5Directional Sources27 6Range-dependent Boundaries316.1Piecewise-Linear Boundaries:Dickins seamount (31)6.2Plotting a single beam (34)6.3Curvilinear Boundaries:Parabolic Bottom (35)7Tabulated Reflection Coefficients39 8Range-dependent Sound Speed Profiles41 9Arrivals calculations and broadband results459.1Coherent and Incoherent TL (45)9.2Plotting the impulse response (51)9.3Generating a receiver timeseries (53)10Acknowledgments57341Map of the BELLHOP program1.1InputThe overall structure of BELLHOP is shown in Fig.(1).Variousfiles must be provided to describe the environment and the geometry of sources and receivers.In the simplest case,which is also typical,there is only one such file.It is referred to as an environmentalfile and includes the sound speed profile,as well as information about the ocean bottom.However,if there is a range-dependent bottom,then one must add a bathymetryfile with range-depth pairs defining the water depth.Similarly,if there is a range-dependent ocean sound speed,the one must an an SSPfile with the sound speed tabulated on a regular grid.Further,if one wants to specify an ar-bitrary bottom reflection coefficient to characterize the bottom,then one must provide a bottom reflection coefficientfile with angle-reflection coeffi-cient pairs defining the reflectivity.Similar capabilities are implemented for the surface.Thus there is the option of providing a top reflection coefficient and a top shape(called an altimetryfile).Usually one assumes the acoustic source is omni-directional;however,if there is a source beampattern,then one must provide a source beam pattern file with angle-amplitude pairs defining it.BELLHOP reads thesefiles depending on options selected within the main environmentalfile.Plot programs(plotssp,plotbty,plotbrc,etc.)are provided to display each of the inputfiles.1.2OutputBELLHOP produces different outputfiles depending on the options selected within the main environmentalfile.Usually one starts with a ray tracing option,which produces afile con-taining a fan of rays emanating from the source.If the eigenray option is selected,then the fan is winnowed to include only the rays that bracket a specified receiver location.Thefile format is identical to that used in the standard ray-tracing option.Rayfiles are usually used to get a sense of how energy is propagating in the channel.The program plotray is used to display thesefiles.Usually one is interested in calculating the transmission loss for a tonal source(or for a single tone of interest in a broadband waveform).The transmission loss is essentially the sound intensity due to a source of unit strength.The transmission loss information is written to a shadefile which5plotrayplotshdplottlrplotarrsource timeseries generatorplotts plotsspplotbtyplotbrcplotssp2DFigure1:BELLHOP structure.6can be displayed as a2D surface using plotshd,or in range and depth slices, using plottlr and plottld respectively.If one wants to get not just the intensity due to a tonal source,but the entire timeseries then one selects an arrivals calculation.The resulting arrivalsfile contains amplitude-delay pairs defining the loudness and delay for every echo in the channel.This information can be plotted using plotarr to show the echo pattern.Alternatively it can be passed to a convolver, which sums up the echoes of a particular source timeseries to produce a receiver timeseries.The program plotts can be used to plot either the source or receiver timeseries.782Sound speed profile and ray traceAs afirst example,we consider a deep water case with the Munk sound speed profiually one should start by plotting the sound speed profile and doing a ray trace.The inputfile(also called an environmentalfile)isa simple textfile created using any standard text editor and must have a’.env’extension.It is usually easiest to start from one of the examplefiles.Here we consider at/tests/Munk/MunkB ray.env:MunkB ray.env1’Munk profile’!TITLE250.0!FREQ(Hz)31!NMEDIA4’SVF’!SSPOPT(Analytic or C-linear interpolation) 5510.05000.0!DEPTH of bottom(m)60.01548.52/7200.01530.29/8250.01526.69/9400.01517.78/10600.01509.49/11800.01504.30/121000.01501.38/131200.01500.14/141400.01500.12/151600.01501.02/161800.01502.57/172000.01504.62/182200.01507.02/192400.01509.69/202600.01512.55/212800.01515.56/223000.01518.67/233200.01521.85/243400.01525.10/253600.01528.38/263800.01531.70/274000.01535.04/284200.01538.39/294400.01541.76/304600.01545.14/314800.01548.52/325000.01551.91/33’A’0.0345000.01600.000.01.0/351!NSD361000.0/!SD(1:NSD)(m)3751!NRD380.05000.0/!RD(1:NRD)(m)9391001!NR400.0100.0/!R(1:NR)(km)41’R’!’R/C/I/S’4241!NBeams43-20.020.0/!ALPHA1,2(degrees)440.05500.0101.0!STEP(m),ZBOX(m),RBOX(km) The inputfile is read using list-directed i/o,so the data does not need to be precisely positioned on each line.As a convenience we also append comments,preceded by’!’.These are optional and are not read by the program.The source frequency(line2)is not terribly important for the basic ray trace.The rays are frequency independent;however,the frequency can have an impact on the ray step size,since the code assumes more accurate ray trajectories will be needed at higher frequencies.NMedia(line3)is always set to one in BELLHOP.This parameter is included for compatibility with other models in the Acoustics Toolbox,which are capable of handling multi-layered problems.The top option(line4)is next specifed as‘SVF’indicating that a spline fit should be used to interpolate the sound speed profile;that the ocean sur-face is modeled as a vacuum;and that all attenuation values are specified in dB/mkHz.We chose the splinefit here knowing that the profile is smoothly varying.In such cases,the splinefit produces smoother looking ray trace plots.The only important parameter in the next line(5)is the bottom depth (5000m),which indicates the last line that needs to be read in the sound speed profile.Thefirst two parameters are not used by BELLHOP.Next we see a sequence of depth-soundspeed pairs defining the ocean soundspeed profile.The last value in the soundspeed profile must start with the previously specified value for the bottom depth.To ensure compatibility with the other models in the Acoustics Toolbox,we normally terminate each line with a’/’.The other models are expecting attenuations,shear speeds, and a density as additional parameters and the’/’tells them to stop reading the line and use default values.Next we have two lines specifying the bottom boundary.The option letter‘A’indicates that the bottom is to be modeled as an Acousto-Elastic halfspace.The lines following specify that halfspace as having a sound speed of1500m/s and unit density(which is not very realistic).The next6lines specify the source depths,receiver depths,and receiver ranges.Depths are always specified in meters and ranges in kilometers.10For ourfirst run,we are producing a ray trace so the receiver locations are irrelevant;however,they do need to be provided.Note also that51 receiver depths have been specified.Often the user simply wants a uniform distribution of receiver depths to display the acousticfield.To avoid forcing the user to type in all those numbers one has the option of simply putting in thefirst and last values and terminating the line with a’/’.The code detects the premature termination and then produces a full set of receivers by interpolation.The sources and receivers must lie within the interior of the waveguide.The choice of units is motivated by typical ocean acoustic scenarios. However,fundamentally the code is simply solving the wave equation so any self-consistent set of units could be used.Next is the RunType(line41).For a raytrace run,we select option‘R’. The following lines then specify the fan that will be used,given as a number of rays,together with the angular limits in degrees.We follow a convention that the angles are specified in declination,i.e.zero degrees is a horizontally launched ray,and a positive angle is a ray launched towards the bottom.For a ray trace run,the plot usually becomes too cluttered if we use more than about50rays.This is a matter of taste.Likewise,the angular limits are determined by what part of thefield the user is interested in seeing.The last line(44)specifies the step size in meters used to trace a ray, along with the depth and range of a box beyond which no rays are traced. Usually,a step size of0should be selected and then BELLHOP will make an automatic selection of about a tenth of the water depth.Regardless of what step size is selected,BELLHOP dynamically adjusts the step size as the ray is traced,to ensure that each ray lands precisely on all depths where a sound speed is given.Thus,the sound speed profile itself usually controls the ray step size.If you provide more sound speed points than are necessary, BELLHOP will similarly run slower.On the other hand,for a given sampling of the sound speed profile,you may be able to obtain a more accurate ray trace by specifying a step size that is smaller than the default value.Now that the inputfile has been created,we can start by plotting the soundspeed profile,using the Matlab routine plotssp.m.The syntax of the Matlab command to run this is:plotssp’MunkB ray’where’MunkB ray.env’is the name of the BELLHOP inputfile.This pro-duces the plot in Fig.(2).1115001510152015301540155015600500100015002000250030003500400045005000Sound Speed (m/s)D e p t h (m )Figure 2:The Munk sound speed profile.We started first with the sound speed profile plot,to introduce the sce-nario in a logical fashion.However,in practice it is recommended to do a trial BELLHOP run on the input file first.BELLHOP will produce a print file as show below,which echoes the input data in a clear format.In addition,it will stop at the first place it encounters something unintelligible.Thus,by examining the print file one can usually see clearly any formatting errors.MunkB ray.prt1BELLHOP-Munkprofile 2frequency =50.00Hz34Dummy parameter NMedia =156SPLINE approximation to SSP7Attenuation units:dB/mkHz 8VACUUM 910Depth =5000.0000000000000m1112Spline SSP option 1314Sound speed profile:150.001548.5216200.001530.2917250.001526.6918400.001517.781219600.001509.4920800.001504.30211000.001501.38221200.001500.14231400.001500.12241600.001501.02251800.001502.57262000.001504.62272200.001507.02282400.001509.69292600.001512.55302800.001515.56313000.001518.67323200.001521.85333400.001525.10343600.001528.38353800.001531.70364000.001535.04374200.001538.39384400.001541.76394600.001545.14404800.001548.52415000.001551.914243(RMS roughness=0.00)44ACOUSTO-ELASTIC half-space455000.001600.000.00 1.000.00000.0000 4647Number of sources=148Source depths(m)491000.005051Number of receivers=5152Receiver depths(m)530.00000100.000200.000300.000400.000 54500.000600.000700.000800.000900.000 551000.001100.001200.001300.001400.00 561500.001600.001700.001800.001900.00 572000.002100.002200.002300.002400.00 582500.002600.002700.002800.002900.00 593000.003100.003200.003300.003400.00 603500.003600.003700.003800.003900.00 614000.004100.004200.004300.004400.00 624500.004600.004700.004800.004900.00 635000.006465Number of ranges=100166Receiver ranges(km)670.000000.1000000.2000000.3000000.40000013680.5000000.6000000.7000000.8000000.90000069 1.00000 1.10000 1.20000 1.30000 1.4000070 1.50000 1.60000 1.70000 1.80000 1.9000071 2.00000 2.10000 2.20000 2.30000 2.4000072 2.50000 2.60000 2.70000 2.80000 2.9000073 3.00000 3.10000 3.20000 3.30000 3.4000074 3.50000 3.60000 3.70000 3.80000 3.9000075 4.00000 4.10000 4.20000 4.30000 4.4000076 4.50000 4.60000 4.70000 4.80000 4.9000077 5.0000078...100.0000007980Ray trace run81Geometric beams82Point source(cylindrical coordinates)83Rectilinear receiver grid:Receivers at rr(:)x rd(:)8485Number of beams=4186Beam take-off angles(degrees)87-20.0000-19.0000-18.0000-17.0000-16.000088-15.0000-14.0000-13.0000-12.0000-11.000089-10.0000-9.00000-8.00000-7.00000-6.0000090-5.00000-4.00000-3.00000-2.00000-1.00000910.00000 1.00000 2.00000 3.00000 4.0000092 5.00000 6.000007.000008.000009.000009310.000011.000012.000013.000014.00009415.000016.000017.000018.000019.00009520.00009697Step length,deltas=500.00000000000000m9899Maximum ray Depth,zBox=5500.0000000000000m100Maximum ray range,rBox=101000.00000000000m101No beam shift in effect102103104105CPU Time=0.781E-01sThe Matlab command to run BELLHOP is:bellhop’MunkB ray’where’MunkB ray.env’is the name of the inputfile.Assuming a successful completion,BELLHOP produces a print-file called’MunkB ray.prt’and a rayfile called’MunkB ray.ray’.One should carefully examine the printfile to verify that the problem was set up as intended and that BELLHOP ran to14012345678910x 1040500100015002000250030003500400045005000Range (m)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profileFigure 3:Ray trace for the Munk sound speed profile.completion.The latter can be verified by checking that there are no error messages in the print file,and that the last line of the print file shows the CPU time used.The next step is to plot the rays using the Matlab command:plotray ’MunkB ray’This produces the plot in Fig.(3).Notice that the range axis is in me-ters.If kilometers are preferred,then one simply sets the global Matlab variable:units =’km’The rays have are plotted using different colors depending on whether the ray hits one or both boundaries.The number of surface and bottom bounces are written to the ray file so it is simple to modify plotray to color code the rays in whatever way best illustrates the propagation physics.15163Eigenray plotsBELLHOP can also produce eigenray plots showing just the rays that con-nect the source to a receiver.To do this,one simply changes the RunType to‘E’.However,to run this reliably one should understand the way this is implemented.The code does exactly the same computation as is done for a regular ray trace;however,it only saves the rays to the rayfile,whose as-sociated beams makes a contribution to the specified receiver points.There are many implications in this statement.First,one should be aware of which beam type is used.For a true eigenray calculation one should use the default beam,which has a beamwidth defined by the ray tube formed by adjacent rays.We call that a geometric beam.The default beam also has a hat-shape in the traditionalfinite element style,so that it vanishes outside the neighboring rays of the central ray of the beam.Other beam types,such as the Cerveny,Popov,Psencik beams are generally much broader beams,and so one would get lots of additional rays that pass at greater distances from the receiver.When we use the default beam type,the rays that are written will be only the bracketing rays for the receiver location.Second,one typically needs to use a muchfiner fan.For instance,if one used41rays as we did in the previous example,then the rays are quite spread out at long ranges.Then when we save the bracketing rays,they may still miss the receiver location by a wide margin.For this example,we therefore increase the number of rays to5001.The more rays used,the more precise the eigenray calculation will be.However,the run time will increase accordingly.Finally,one should generally do an eigenray calculation with just a single source and receiver.Otherwise,the resulting ray plot would be too cluttered.The inputfile MunkB eigenray.env with these changes is shown below.The eigenrays are plotted using the usual plotray command,yielding the plot in Fig.(4).MunkB eigenray.env1’Munk profile’!TITLE250.0!FREQ(Hz)31!NMEDIA4’CVF’!SSPOPT(Analytic or C-linear interpolation) 5510.05000.0!DEPTH of bottom(m)60.01548.52/7200.01530.29/8250.01526.69/9400.01517.78/10600.01509.49/11800.01504.30/17121000.01501.38/131200.01500.14/141400.01500.12/151600.01501.02/161800.01502.57/172000.01504.62/182200.01507.02/192400.01509.69/202600.01512.55/212800.01515.56/223000.01518.67/233200.01521.85/243400.01525.10/253600.01528.38/263800.01531.70/274000.01535.04/284200.01538.39/294400.01541.76/304600.01545.14/314800.01548.52/325000.01551.91/33’A’0.0345000.01600.000.01.0/351!NSD361000.0/!SD(1:NSD)(m)371!NRD38800.0/!RD(1:NRD)(m)391!NR40100.0/!R(1:NR)(km)41’E’!’R/C/I/S’425001!NBeams43-25.025.0/!ALPHA1,2(degrees)440.05500.0101.0!STEP(m),ZBOX(m),RBOX(km)18012345678910x 1040500100015002000250030003500400045005000Range (m)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profileFigure 4:Eigenrays for the Munk sound speed profile with the source at 1000m and the receiver at 800m.19204Transmission LossWe can calculate transmission loss by selecting RunType=‘C’as shown in the listing below.As we will discuss in more detail shortly,‘C’stands for Coherent pressure calculations.The pressurefield,p,is then calculated for the specified grid of receivers,with a scaling such that20log10(|p|)is the transmission loss in dB.One may also select multiple source depths,in which case BELLHOP does a run in sequence for each source depth.The frequency(here50Hz)is now a very important parameter,since the inter-ference pattern is directly related to the wavelength.The frequency also affects the attenuation,when present.The number of beams,NBeams,should normally be set to0,allow-ing BELLHOP to automatically select the appropriate value.The number needed increases with frequency and the maximum range to a receiver.To understand this one may imagine a point source in free space.The beam fan expands as we go away from the source.Meanwhile,thefield at a given point is essentially an interpolation between adjacent beams.To accurately interpolate we need the wavefronts of adjacent beams to be sufficiently close.MunkB coh.env1’Munk profile,coherent’!TITLE250.0!FREQ(Hz)31!NMEDIA4’CVW’!SSPOPT(Analytic or C-linear interpolation) 5510.05000.0!DEPTH of bottom(m)60.01548.52/7200.01530.29/8250.01526.69/9400.01517.78/10600.01509.49/11800.01504.30/121000.01501.38/131200.01500.14/141400.01500.12/151600.01501.02/161800.01502.57/172000.01504.62/182200.01507.02/192400.01509.69/202600.01512.55/212800.01515.56/223000.01518.67/233200.01521.85/243400.01525.10/253600.01528.38/263800.01531.70/21274000.01535.04/284200.01538.39/294400.01541.76/304600.01545.14/314800.01548.52/325000.01551.91/33’A’0.0345000.01600.000.01.80.8/351!NSD361000.0/!SD(1:NSD)(m)37201!NRD380.05000.0/!RD(1:NRD)(m)39501!NR400.0100.0/!R(1:NR)(km)41’C’!’R/C/I/S’420!NBEAMS43-20.320.3/!ALPHA1,2(degrees)440.05500.0101.0!STEP(m),ZBOX(m),RBOX(km)BELLHOP tends to be conservative in selecting the number of beams, assuming that the details of the interference pattern in the acousticfield are important.That makes sense for benchmarking applications,or often for lower frequencies.However,as we go to higher frequencies,e.g.10kHz, the environmental uncertainty in a real world case,makes it impossible to replicate these patterns(as they would be observed in a sea test)in detail.You may then wish to experiment with reducing the number of beams to save run time.The next step is to plot thefield using the Matlab command: plotshd’MunkB Coh’However,we can also do a multipanel plot using:plotshd(’MunkB Coh’,2,2,1)where’2,2,1’tells Matlab that we wish to use thefirst panel in a2x2 set.We repeat for several other cases discussed shortly,to produce the plot in Fig.(5).The lower two TL plots are reference solutions calculated by KRAKEN and SCOOTER respectively,which are other models in the Acous-tics Toolbox.They may be considered exact.Most people would consider the agreement between BELLHOP and the other models to be excellent.People are also usually surprised to see that this occurs at50Hz,which is considered a low frequency in a certain taxonomy.Ray/beam methods are22based on high-frequency asymptotics so the incorrect prejudice is that they are not suitable for this sort of problem.We observe thatfine details of the interference pattern are reproduced correctly.That interference pattern results from the ensemble of propagating beams and they must all add up in the right place and with the right phase.Thus,this case provides a rigorous test of the numerics.Nevertheless,we can identify some well-known artifacts of classical ray theory,namely the perfect shadows and the caustics.These are places where thefield goes to zero of infinity,respectively.For better accuracy,we invoke the Gaussian beam option.The specific type of beam used is selected using the second letter in RunType.If,as in the above,we omit the second letter,the code uses option‘G’for geometric beams.Selecting RunType=‘CB’(B for beam), yields the result in the upper right panel.This produces some leakage energy in the shadow zones and smooths out the caustics.In general,wefind this option produces more accurate TL plots.However,the geometric beam option is left as the default since people are usually most familiar with that approach.23Range (km)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profile, coherent Freq = 50 Hz Sd = 1000 m501000100020003000400050005060708090100Range (km)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profile (Gaussian beam option)100020003000400050005060708090100Range (km)D e p t h (m )KRAKEN− Munk profile0100020003000400050005060708090100Range (km)D e p t h (m )SCOOTER−Munk profile0100020003000400050005060708090100Figure 5:Transmission loss for the Munk sound speed profile using a)geo-metric beams,b)Gaussian beams,c)KRAKEN normal modes,d)SCOOTER wavenumber integration.244.1Coherent,Semicoherent,and Incoherent TLAs discussed above,RunType=‘C’produces a so-called coherent TL calcu-lation.By simply changing thatfirst option letter to‘S’,or‘I’we produce semi-coherent and incoherent TL calculations,respectively.For each of these options one may use the second letter to select the type of beam(geometric or Gaussian).The full set of combinations is shown in Fig.(6).The motivation for the incoherent TL option is that sometimes the de-tails of the interference pattern are not meaningful.For instance,if we consider an acoustic modem operating in the10-15kHz band,then the in-terference pattern will vary widely across the band.It will also be very sensitive to details of the sound speed profile that are not measurable.The individual TL plots are representative samples of what might be seen at a given frequency,but cannot be considered as deterministic forecasts.With that in mind,one may be just as happy to get a TL averaged(loosely speak-ing)across all the frequencies.There are many ways to get such averaged TL surfaces.In ray models, we typically throw away the phase of each path,while in mode models we throw away the phase of the individual modes.The effects are not the same.However,these are both reasonable approaches to capturing a smoothed energy level.Hence,the very smoothedfigures seen at the bottom of Fig.(6).The user must decide for herself which display captures the relevant information for her particular application.The middle panel shows a semi-coherent calculation which preserves some,but not all of the interference effects.The motivation for this op-tion is that one may have a mid-frequency source near the surface.The frequency is sufficiently high that many of the interference effects are not significant or reliably predictable.However,a core feature is the interfer-ence with the surface image,i.e.the reflection of the source in the mirror formed by the ocean surface.Because the source is close to the surface this basic radiation pattern is a stable feature even at higher frequencies.The semi-coherent option captures this effect by putting a Lloyd mirror pattern in for the source beam pattern,but throwing away the phase of the rays.In practice,we have rarely used this option.The incoherent and semi-coherent TL options attempt to capture less of the detail of the acousticfield.As a result,BELLHOP can be run with less stringent accuracy requirements(fewer beams and larger step sizes).This in turn can save on the run time.25Range (km)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profile, coherent Freq = 50 Hz Sd = 1000 m050100200040006080100Range (km)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profile, coherent, Gaussian beamFreq = 50 Hz Sd = 1000 m200040006080100Range (km)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profile, semi−coherentFreq = 50 Hz Sd = 1000 m200040006080100Range (km)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profile, semi−coherent, Gaussian beamFreq = 50 Hz Sd = 1000 m200040006080100Range (km)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profile, incoherentFreq = 50 Hz Sd = 1000 m200040006080100Range (km)D e p t h (m )BELLHOP− Munk profile, incoherent, Gaussian beamFreq = 50 Hz Sd = 1000 m200040006080100Figure 6:Transmission loss for the Munk sound speed profile using (top to bottom)coherent,semi-coherent,and incoherent TL calculations;and left to right geometric and Gaussian beams.265Directional SourcesWe considerfirst a point source in free space(in a homogeneous medium).The BELLHOP environmentalfile uses a sound speed profile going from ±10000m in depth.The depth interval is selected there to cover the range over which we are interested in seeing thefield,since BELLHOP will only calculate thefield within the waveguide.To make sure there are no boundary reflections,we use the Acousto-Elastic halfspace option with a sound speed and density precisely matching that within the water column.We set NBeams and Step to zero,letting the code automatically select appropriate values.The environmentalfile for this case is shown below and the resulting TL plot is shown in the upper panel of Fig.(7).omni.env1’Point source in free space’2100.0!Frequency(Hz)314’CAF’5-10000.01500.00.01.0/615000.010000.07-10000.01500.00.01.0/810000.0/9’A’0.010/111!NSD120.0/!SD(1:NSD)13501!NRD14-5000.05000.0/!RD(1:NRD)15501!NR16-10.010.0/!R(1:NR)(km)17’C’!Run type:’Ray/Coh/Inc/Sem’180!NBEAMS19-180180/!ALPHA1,2(degrees)200.010001.010.0!STEP(m),ZBOX(m),RBOX(km)21Directional sources are commonly used in underwater acoustics.Often, the directional patterns are generated by adjusting the phase and amplitude of a discrete set of omni-directional projectors.One may model such sources using BELLHOP or any of the other models in the Acoustics Toolbox,by simply running the model for each source position and then summing up the resulting acousticfields using that same phase and amplitude weighting.This is often the most faithful approach;however,it has the disadvantage of27。
bellhop 模型的水下声场传递函数
标题：探究bellhop模型的水下声场传递函数1. 介绍bellhop模型Bellhop模型是一种用于描述水下声场传播特性的数学模型。
它可以帮助我们理解声波在水下的传播规律，包括传播路径、传播时间、衰减等方面的特性。
Bellhop模型得名于"the BELL Laboratory Hemispherical Surface Program"，是由美国贝尔实验室在20世纪70年代开发的。
2. 水下声场传递函数的定义和作用水下声场传递函数是指声波在水下传播过程中的传递特性函数。
它可以描述声波在水下的传播路径、声能的衰减情况、折射和反射等现象。
水下声场传递函数是水下声学研究中非常重要的一部分，对于海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着重要的应用价值。
3. bellhop模型的原理和计算方法bellhop模型是基于线性波动理论和数值计算方法的。
它通过数学建模和计算机仿真的方式，可以准确地模拟声波在水下的传播情况。
其原理主要包括对水下声速结构、介质性质、声波源和接收器位置等因素进行建模，然后通过数值计算方法来求解声场传递函数。
4. bellhop模型的适用范围和局限性bellhop模型在水下声学研究中有着广泛的应用，可以用于预测声波在复杂水下环境中的传播情况。
它在海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着重要的应用价值。
但是，bellhop模型也存在一些局限性，比如对于非线性效应和非均匀介质的情况，它的适用性会受到一定的限制。
5. 水下声场传递函数的应用实例通过bellhop模型可以对水下声场传递函数进行计算和分析，从而可以帮助海洋工程师预测声波在海底传播的情况，为海洋工程设计提供参考；也可以帮助通信工程师优化水声通信系统的设计，提高通信的可靠性和稳定性；声纳探测系统也可以利用bellhop模型计算声波在复杂水下环境中的传播路径和特性，从而提高探测的准确性和效率。
6. 结论bellhop模型是一种重要的水下声学数学模型，它可以帮助我们理解声波在水下的传播规律，对于海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着重要的应用价值。
基于AR模型的时变水声信道统计分析方法
Abstract: Bellhop beam tracking method can be used to get correct underwater acoustic channels under given geometry and sound source frequency with the ray theory, but it does not consider random channel changes. Here, the large-scale effect caused by position uncertainty and surface wave change was modeled as a first-order AR model. The relation among channel power gain, communication bandwidth and communication distance was theoretically modeled and analyzed, and this relation was verified with numerical simulation. The least square fitting was adopted to do local average of channel power gain, and then estimate the probability density function of a time-varying underwater acoustic channel・ It was shown that time-varying surface waves can cause path length change ； through calculating the auto-correlation function of channel power gain, the model parameters can be estimated to provide a possibility for channel prediction.
基于BELLHOP的水声信道时变模型
３ ． 热 调 法 和 冷 调 法 优 缺 点 热 调 法 主 要 是 利 用 行 波 系 数 表 对 工 作 在 单 频 或 双 频 的 天 线 驻 波 比进 行 调 整 ， 调 整 效 果 好 ， 而 对 于 目前 广 泛 使 用 的 宽 频 段 同 相 水 平 天 线 的 驻 波 比调 整 存 在 局 限 性 ，且 调 整 中 需 要 加 高 压 ，对 人 员 安 全 造 成 威 胁 。冷 调 法 在 确 定 短 截 线 接 入 点 时 比较 麻 烦 ，但 可 以快 速 定位 宽 频 段 同 相 水 平 天 馈 线 通 路 上 引 起 驻 波 比变 差 的 位 置 ， 同 时 可 对 驻 波 比进 行 精 确 的调 整 ，大 大 缩 （ 上接 第１ Ｏ ５ 页） 谱如 图ｌ Ｏ 所示 。 从图８ 中 可 以 明 显 看 出 不 同时 刻 信 道 冲 激 响 应 发 生 变 化 ， 图９ 显 示 出不 同 时 刻 接 收 波 形 不 同。可 见 ，仅在 １ ８ 的 时 间 内 ，信 道 环 境 有 明显变化 。此结 果与 图１ 中 的 实 测 波 形 特 点 一 致 ， 因 此 可 以证 明 本 文 提 出 的Ｂ Ｅ Ｌ Ｌ Ｈ Ｏ Ｐ 一 多 普 勒 时 变 信 道 模 型 可 以模 拟 出 浅 海 水 声 信 道 的 时 变特 性。
不 。
再 返 回时 域 继 续 进 行 故 障 定 位 及 调 整 。
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其 次 ，选 择 高 频 ６１ ｌ ５ Ｋ ｈ ｚ 作 为 第 一 个 匹 配 频 率 ，采用 图４ 所示 的典型 短截线 调配方 式 ， 并利 用 式 （ １ ） 和式 （ ２ ） 计算出：
Ｉ ． ． 研筮羼…………………………一
水下声信道建模与信号处理技术研究
水下声信道建模与信号处理技术研究随着近年来深海资源开发与利用的不断加深，水下通信的需求越来越高。
而水下通信的实现离不开水下声信道建模与信号处理技术。
水下声信道建模是指对于水下声波传播的特性进行模拟并进行实际检测所得数据的处理，以得到更准确的声波传播特性。
在此基础上进行信号处理技术研究可以提高水下通信的可靠性和数据传输速率。
本文将从水下声信道建模和水下声信道信号处理两个方面进行探讨。
一、水下声信道建模1.水下声波传播特点在水下声波传播中，声波受到水下海水的影响，其传播过程中会遇到水气两相介质、厚度变化大的海底和障碍物等限制因素，最终影响声波能量的传播距离、传播速度、声能损耗等等，从而使得水下信号的可信度和传输速率受到限制。
2.水下声信道建模方法传统的水下声信道建模方法主要包括统计建模和物理建模两种。
统计建模方法是基于采集的实际数据进行建模，针对现有的声信道实验数据进行分析并建立模型，以模拟海洋环境下声波传播的特性。
而物理建模则是基于传输链路的物理和数学特性，通过建立模型来描述海洋环境、声源和接收系统之间的传输链路，从而分析水下声波传播的系统特性。
3.水下声信道建模影响因素水下声信号传输往往受到各种因素的影响，如声源、声波频率、水深、海水的盐度、温度和压力等。
因此，在进行水下声信道建模前，需要考虑这些影响因素，建立合适的信道模型来描述水下声波传播的特性。
二、信号处理技术研究1.水下声信号处理基本原理水下声信号处理技术包括：声波信道均衡、自适应滤波、多路径干扰消除、波束成形等。
不同的信号处理方法都有其独特的适用范围，在处理水下声信号时需要根据不同的场景选择不同的信号处理方法。
2.水下声信道均衡处理为了控制信号在传输过程中的衰减和色散，需要对水下声信号进行均衡处理。
水下声信道均衡处理可以通过数字信号处理技术进行实现，在一定程度上可以降低数据传输错误率和提高数据传输率。
3.自适应滤波处理自适应滤波处理基于自适应滤波算法，能够自动地通过连续学习处理过程的误差估计来调整接收信号的权重，从而消除信号的多径干扰和其他噪音。
水声通信中的信道建模与信号处理研究
水声通信中的信道建模与信号处理研究水声通信是一门利用水介质进行数据传输通信的技术，其广泛应用于海底探测、海洋观测和军事领域等。
在水声通信中，信道建模与信号处理是重要的技术环节，因为水声信号在水中传播具有比较复杂的特性。
因此，本文将分别从信道建模和信号处理两个方面探讨水声通信中的技术研究。
一、信道建模在水声通信中，信道建模的主要目的是对水声信道进行建模，以便于设计和评估水声通信系统。
由于水声信道存在时变性、多途效应、噪声干扰等问题，因此对其进行建模具有挑战性。
1.1 时变性建模水声信道中的时变性主要体现在信号的传播距离、温度、盐度等因素的影响下。
因此，时变性建模需要考虑这些因素对信号传播的影响，并建立相应的数学模型。
目前，研究者主要采用了经验模型、传输函数模型和随机过程模型等技术进行时变性建模。
1.2 多途效应建模水声信道中存在多途效应，即信号到达接收器时，会有多个不同的信号路径达到接收器。
这种信号在接收器处叠加导致信号失真和失真，影响了接收器的性能。
因此，多途效应建模是水声通信中不可或缺的一项技术。
现有的多途效应建模技术主要包括脉冲响应技术、波导模拟技术和统计学方法等。
二、信号处理水声信号具有信噪比低、复杂多变的特点，因此信号处理是水声通信中的关键技术。
目前，信号处理主要涉及压缩感知、自适应信号处理和多输入多输出技术等。
2.1 压缩感知压缩感知是一种通过少量的非随机测量来恢复高维信号的技术。
在水声通信中，压缩感知可以用于压缩水声信号并恢复信号，从而提高传输效率。
2.2 自适应信号处理自适应信号处理技术是一种能够对信号进行实时跟踪和自适应调整的技术。
在水声通信中，自适应信号处理可用于抑制多径效应和噪声干扰，提高信号的抗干扰性能，并有效地提高水声通信的可靠性。
2.3 多输入多输出技术多输入多输出技术是一种用于水声通信系统的空间码技术，其利用多个发射和接收单元构成的线阵列实现信号的空间编码和解码。
这种技术可以使得水声通信系统在增加信息传输速率的同时，提高系统的可靠性。
水声通信信道特性的建模与分析
水声通信信道特性的建模与分析水声通信是一种可以在水下进行的无线通信技术。
由于水声传播环境的特殊性质，水声通信的信道特性与地面无线通信等有很大的不同。
因此，为了优化水声通信系统性能，需要对水声通信信道特性进行建模和分析。
本文将从多路径传播、衰减、拓扑结构等方面对水声通信信道特性进行探讨。
一、水声通信多路径传播水声通信的信道会出现多径传播的问题。
多径传播是指一个信号在传播过程中沿着不同路径到达接收端的现象。
当这些信号到达接收端时，会出现一定的时间差和相位差，导致信号干扰和失真。
因此，需要对水声通信信道中的多径传播进行建模和分析，以便在设计系统时对这些影响进行补偿。
建立水声通信信道多径传播模型需要考虑多种因素，包括水声信号的频率、信道的拓扑结构、传播距离和传播路径等。
多径传播的影响可通过信道衰减、时延扩散等方式进行描述。
其中信道衰减是指水声信号在传播过程中由于能量损耗而逐渐减小，而时延扩散是指信号到达接收端的时间差异。
对于水声信号的频率选择，一般会优先选用非低频信号。
因为在水下的传播中，低频信号会因为衰减和多径传播的影响而表现出明显的失真，使得接收端无法准确地还原原始信号。
而非低频信号在传播过程中会受到少量的衰减和干扰，同时其信号特性不容易被多种复杂的传播环境影响，更容易在水声通信中得到较为准确的还原。
二、水声通信信道衰减水声通信信道中会产生一些因素导致信号的衰减，如传播距离、水下控制和干扰等等。
因此，了解和描述信道衰减的特点对于进行水声通信建模和分析是非常重要的。
在水声通信中，信号会因为许多因素而衰减。
实际上，水声信号的衰减总是存在的，其强度主要受到水中分子的散射和吸收、传播距离的增加、和海底或其他水下装置的干扰等因素的影响，这些因素使得传输过程中的信号强度逐渐减小。
因此，在水声通信中，必须要对信道衰减进行建模和分析。
在数学模型中，通常采用衰减模型、路径损耗模型、能量损耗模型等来描述和处理信道衰减。
基于BELLHOP的水声信道时变模型
基于BELLHOP的水声信道时变模型【摘要】随着海洋开发和信息产业的发展，对水声信道的研究日益重要。
传统的射线声学模型不能很好地反映水下环境的复杂多变性。
本文提出的BELLHOP--多普勒时变模型充分考虑了水体环境和信道几何结构等物理因素，反映了水声信道的衰减、多径、时变特性，并重点分析了多普勒效应造成信号频移和时间扩展（或压缩）的问题。
【关键词】水声信道；BELLHOP模型；多普勒时变效应；时变模型1.引言随着海洋开发和信息产业的发展，利用水声信道传送数据信息（如海洋环境监测数据、水下图像等）的需求不断增加。
因此，了解水声信道的传播特性并建立相应的信道模型对水声通信的发展具有十分重要的意义。
水声信道是一复杂多变的信道，具有严重的衰减、多径传播和时变的特性，同时受到海洋环境噪声的影响[1]。
因此要用准确的数学模型来描述水声信道是很困难的。
传统的水声通信信道仿真主要基于射线声学模型[2][3]，如BELLHOP 模型[4]等。
BELLHOP模型是通过高斯波束跟踪方法[5]，计算水平非均匀环境中的声场，它克服了传统射线模型中声影区强度为0和焦散线截面为0处声强度为无穷大的缺陷。
但它是静态模型，当收发节点固定时，信道冲激响应保持不变，因此它不能反映水声环境的时变特性。
本文在BELLHOP射线模型的基础上，针对水声信道的传播特性，重点考虑多普勒效应对信道的影响，引入了一种BELLHOP--多普勒时变信道模型。
同时对仿真中的各种参数进行了一定的理论分析。
2.时变信道模型2.1 信道时变特性图1为在实验室水池中的实测波形，接收端和发射端的水平距离为6m，信号持续时间为1ms。
在本实验中，我们让接收端换能器以一定的速率靠近发送端换能器，然后观察任意3个不同时刻的接收信号波形。
从图1可以清楚地看出3个不同时刻的接收信号波形和强度发生了变化。
可见，实际的浅海水声信道具有严重的时变性。
图1 水池实测波形2.2 多普勒和时变效应声波在海水中传播时会受到多普勒效应的影响，这主要是由收、发端相对运动及海洋环境的不稳定性（如海面波浪运动和海中湍流等）引起的。
水下传感网络中基于bellhop模型的声测距算法
Bellhop模型在水声网络仿真中的实现和应用
Bellhop模型在水声网络仿真中的实现和应用
刘奇佩;刘琨;罗逸豪;吴鑫莹;周河宇
【期刊名称】《水下无人系统学报》
【年(卷),期】2024(32)1
【摘要】随着水声技术的发展,水声网络(UANs)因其在海洋监视、灾害预警和海洋安全等领域的表现而备受关注。
水声信道是影响UANs性能的重要因素之一,其复杂特性直接影响着UANs相关协议的前期设计和评估,对于协议走向实际应用至关重要。
有别于传统理论模型,Bellhop水声信道模型通过跟踪射线计算海洋声场,提供了一种更准确的获得不同海洋环境下信道特性的方法,但该方法不能直接用于网络仿真。
针对此,文中在目前主流的网络仿真平台NS3上构建了基于Bellhop的水声信道模型,将高斯射线模型用于水声网络仿真。
对比结果表明,该模型能够有效仿真声信号在水下的传播特性,可为实际UANs协议开发提供参考。
【总页数】6页(P124-129)
【作者】刘奇佩;刘琨;罗逸豪;吴鑫莹;周河宇
【作者单位】中国船舶集团有限公司第710研究所;国家计算机网络应急技术处理协调中心黑龙江分中心;华东理工大学艺术设计与传媒学院
【正文语种】中文
【中图分类】TJ630.34;U674.76
【相关文献】
1.认知Ad Hoc网络仿真模型的设计与实现
2.基于BELLHOP的水声信道时变模型
3.基于ATM的MPLS网络仿真模型设计与实现
4.水下传感网络中基于BELLHOP 模型的声测距算法
5.基于BELLHOP声线模型的水声信道特性研究
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基于BELLHOP的水声信道时变模型
【摘要】随着海洋开发和信息产业的发展，对水声信道的研究日益重要。
传统的射线声学模型不能很好地反映水下环境的复杂多变性。
本文提出的BELLHOP--多普勒时变模型充分考虑了水体环境和信道几何结构等物理因素，反映了水声信道的衰减、多径、时变特性，并重点分析了多普勒效应造成信号频移和时间扩展（或压缩）的问题。
【关键词】水声信道；BELLHOP模型；多普勒时变效应；时变模型
1.引言
随着海洋开发和信息产业的发展，利用水声信道传送数据信息（如海洋环境监测数据、水下图像等）的需求不断增加。
因此，了解水声信道的传播特性并建立相应的信道模型对水声通信的发展具有十分重要的意义。
水声信道是一复杂多变的信道，具有严重的衰减、多径传播和时变的特性，同时受到海洋环境噪声的影响[1]。
因此要用准确的数学模型来描述水声信道是很困难的。
传统的水声通信信道仿真主要基于射线声学模型[2][3]，如BELLHOP 模型[4]等。
BELLHOP模型是通过高斯波束跟踪方法[5]，计算水平非均匀环境中的声场，它克服了传统射线模型中声影区强度为0和焦散线截面为0处声强度为无穷大的缺陷。
但它是静态模型，当收发节点固定时，信道冲激响应保持不变，因此它不能反映水声环境的时变特性。
本文在BELLHOP射线模型的基础上，针对水声信道的传播特性，重点考虑多普勒效应对信道的影响，引入了一种BELLHOP--多普勒时变信道模型。
同时对仿真中的各种参数进行了一定的理论分析。
2.时变信道模型
2.1 信道时变特性
图1为在实验室水池中的实测波形，接收端和发射端的水平距离为6m，信号持续时间为1ms。
在本实验中，我们让接收端换能器以一定的速率靠近发送端换能器，然后观察任意3个不同时刻的接收信号波形。
从图1可以清楚地看出3个不同时刻的接收信号波形和强度发生了变化。
可见，实际的浅海水声信道具有严重的时变性。
图1 水池实测波形
2.2 多普勒和时变效应
声波在海水中传播时会受到多普勒效应的影响，这主要是由收、发端相对运动及海洋环境的不稳定性（如海面波浪运动和海中湍流等）引起的。
多普勒效应使接收信号的强度和波形随时间改变，表现为两个方面：频移和扩展[6]。
频移即是频率在原来基础上产生了一定的偏差，扩展指的是在时域上信号被压缩或展宽了。
不同声线到达接收点时的入射掠角是不同的，所以各声线相应的多普勒系数将是不同的。
设第i条声线水平入射掠角为，则其对应的多普勒系数为：
（1）
上式中为收发机相对速度，c为声速。
由于在[-1，1]间取值，所以最大多普勒频移为：
（2）
其中fc为载波频率；则受多普勒影响后信号频率将位于[fc-fd，fc+fd]，如图2中所示。
图2 多普勒频谱扩展
2.3 时变信道建模
由于BELLHOP模型没有考虑水声信道的时变特性，它的信道冲激响应可表达为：
（3）
其中，N为到达接收点对声场有贡献的本征声线的数目。
和为声波沿第i条传播路径到达接收点的本征声线的声压幅度和传播时间。
信号在传播时，若收发机距离发生改变，从发送端到接收端的本征声线路径将发生变化，到达接收端的声线入射角将随时间变化，声线的传播时间也将随之改变，它们之间的关系如下[7]：
（4）
（5）
其中，为t时刻第i条本证声线的传播时间，为第i条本征声线在t时刻对应的多普勒系数，与这一时刻到达接收点的声线入射掠角有关；c为声速，v为收发机的相对速度。
将（4）式的代入方程（3）中，便产生了考虑多普勒时变效应的修正后BELLHOP信道冲激响应：
（6）
对于方程（6），在不同观察时刻和，若||>（=，为信道的相干时间），则信道冲激响应发生变化。
因此方程（6）是可以表征信道时变特性的BELLHOP--多普勒信道模型。
其时变传输系统的一般表达式为：
（7）
其中，为系统的输入信号，为信道的时变冲激响应，n（t）为信道噪声，r （t）为系统的接收端信号。
图3 时变系统的传输
从图3中可见，用时间片段（<）将发送信号s（t）进行切割，则每个时间片内可认为信道不变，而整个发送s（t）过程中不同时间片间信道是时变的。
而找出第k（k=1，2，…，K）个时间片处系统的冲激响应是关键，根据方程（4）（5）即是要确定。
可以借助接收端及其邻近观测点的各声线入射角，利用插值方法近似获得接收机移动过程中不同时间片各径的入射角。
3.仿真和分析
本仿真通过文本编辑器编辑BELLHOP水体环境文件*.env[5][8]，通过自己编写的MATLAB程序对*.env进行处理获得信道冲激响应，并画出相应的声线图。
*.env中的声速剖面SSP（如图4所示）是参照台湾海峡中、北部海区1998年2-3月实测数据[9]设置的，其他一些参数设置见表1。
表1 仿真中参数
载波频率f（KHz）收发机水平距离（m）整个水体平均深度（m）发射机深度（m）接收机深度（m）收发机间观测点数目声线数
20 1000 43 10 18 150 9
仿真处理后得到此水体环境条件下BELLHOP模型的声线图及信道冲激响应分别如图5和图6中所示。
图4 声速剖面SSP
图5BELLHOP声线图
图6 BELLHOP模型信道冲激响应图7 发送信号
现在传输系统中加入SNR=5dB的高斯白噪声，发送f0=20KHz的sin信号（如图7所示），信号持续时间为1s。
令接收机以v=10m/s的速率向发送端移动，则通过计算可知最大多普勒频移≈133Hz，信道相干时间≈0.0075s。
由此可见，在sin信号传播过程中信道是时变的。
将sin信号以=0.003s进行时间切片，取传播中的任意3个时间片的信道冲激响应（如图8所示）及接收信号（如图9所示）来观察结果。
发送信号和各时刻接收信号的单边幅度（下转第112页）（上接第105页）谱如图10所示。