水声信道目标噪声干扰特性

第三章 信道、干扰与目标特性

3.1 水声信道特性

3.1.1 稳定单途信道－自由空间的传播

在理想介质自由空间中，信号传输过程如果用一网络来表示，则其脉冲响应为

()()0τ-τδ=τh （3.1.1）

而传输函数为

()0ωτ-=ωe H （3.1.2）

式中0τ为发射点至接收点的传播时间。

在实际海洋中，由于各个频率的吸收系数不同，高频衰减比低频衰减要大的多，传输函数的模()ωH 不在等于1，而是随着频率的增高而衰减，这时脉冲响应也不在是δ脉冲，而是有一定宽度的，其展宽程度与距离等因素有关。

3.1.2 稳定多途信道－海底、海面反射以及声速梯度引起折射产生的影响

实际海洋不可能是一个自由空间，它存在着海面和海底两个界面。由于温度、盐度和静压力的影响，海洋中不同深度声速是不同的，存在着声速垂直分布，这就会使声波产生折射。上下边界的反射和在水中的折射使得实际海洋信道不是单途径信道而是多途径信道。如果我们把海洋看成是一个具有平滑的上下边界的分层不均匀介质，声波在其中传播将产生稳定的多途信号。在已知声速－深度分布曲线时，可用射线理论或简正波理论来预测多途结构。

图3.1.1分别给出相应的多途信号的理论预测图和实际图。

图3.1.1 多途信号的理论预测图和实际图

图3.1.2 a 给出存在跃层时浅海传播的多途结构；b 给出相应的多途信号。图中给出了声源和接收点同在跃层上和分别在跃层上下的两种情况。

图3.1.2 ( a) 存在跃层时浅海传播的多途结构

(b) 相应的多途信号

稳定多途信号用网络来表示时，其脉冲响应可用如下形式来表示：

()()∑=

τ-τδ=τh i （3.1.3）

式中i τ为各个途径信号的时延值。

传输函数为

()e A H ωτ-

=

∑=ω （3.1.4）

由于多途信号间的干涉，()ωH 随频率变化有起伏。

3.1.3 时空变信道

(1) 随机时变信道－随机起伏海面、粗糙海底、不均匀介质产生的影响

由于海面是随机起伏，海底是粗糙不平的，海水存在着宏观的分层不均匀，微观的随温度起伏、湍流、涡流、内波等因素的影响，使得多途信道不是稳定的而是随机时变的，这时脉冲响应函数应该是时间的随机函数。一个实际信道的脉冲响应可表示为

)(())(t h h t h ,~,0τττ+= （3.1.5）

相应的传输函数为

)(())(t H H t H ,~

,0ωωω+= （3.1.6） 式中()ω0H 为传输函数的稳定部分；)(t H ,~

ω为传输函数的随机时变部分，其均值为零。它的特性可用其协方差函数来表征，即 ())(()t t H t H t t ∆+∆+∙=∆∆Γ*,~,~,,,ωωωωω （3.1.7）

式中Γ称为时频相干函数。

若信道满足广义平稳非相关散射条件，即把信道传播过程看作散射过程时，不同时延和不同频移的散射信号间不相关时，Γ仅与ω∆，t ∆有关，则时频相干函数可写成（t ,∆ω∆）形式。如将∆ω∆,t 仍用ω，t 表示，并对作傅立叶变换可得：

()()dt d e e t ,,R ωωΓ=ϕτϕ-ωτ-⎰⎰ （3.1.8）

式中称为R s 散射函数。

散射函数在τ轴上投影)(τs R （也称时间弥散函数）表征了信号随机起伏部分能量沿τ轴弥散分布的情况。散射函数在ϕ轴（多普勒频移）上的投影)(ϕs R 表征了由于信道的随机时变性而产生的多普勒频移在频率轴上的分布情况。

(2) 随机时空变信道－广义散射函数

在讨论传感器阵信号的时空最佳处理时，还需要考虑到随机信道引起的入射角度的弥散，这就要求把随机时变信道讨论推广到空间维得到广义散射函数。

水声信道（z 轴代表深度，信号沿x 方向传播）的传输函数可表示为

()()()z y x t H H z y x t H ,,,,~,,,,0ωωω+= （3.1.9）

()()z y x t H H ,,,,ω=ω （3.1.10）

()

22020~/H H H +=γ （3.1.11）

其中γ称为相干度。

相干度与观察时间的长度和观察空间的大小有关，时间愈长，空间愈大，相干度

就愈低。这是因为随着时间增长，空间范围扩大，影响传输函数H 变化的因素将愈多。

随机部分H ~的增长将导致相干度下降。

可定义时频空间相干函数()z y x t ,,,,ωΓ的傅立叶变换为广义散射函数

()jvy jux t j j s e e e e z y x t w v u R ----⎰⎰⎰⎰⎰

Γ=ϕωτωϕτ,,,,),,,,(dtdxdydz

d e jwz ω-∙ （3.1.12） 式中τ表示时延；ϕ表示频移；u ，v ，w 为空间频率。

广义散射函数的物理意义可作如下解释：设信道的输入为来自一点源的信号，其模糊度函数具有极高的时频分辨率，而接收机由一尖锐指向性的基阵后接高分辨率的时－频处理器构成。接收机可测量τ,ϕ,y x θθ,（入射波与X 、Y 轴的夹角）四个参数，其输出构成一个四维显示空间。对理想单途径信号，在四维显示空间中得到一个点。在稳定多途信道中将显示多个点，每个点对应一个途径。这部分用平均扩展函数来表示。而信道的随机时变部分会在显示器中产生一些“云”。广义散射函数用来表示这些“云”在四维显示空间中的分布。

3.2 噪声干扰特性

3.2.1 海洋环境噪声

3.2.1.1 概述

粗略的讲，环境噪声就是海洋本身的噪声。它是用指向性水听器测量到的海洋总噪声背景中的一部分。它既不是由于水听器及其固有安装方式引起的自噪声，也不是某些局部的可辨别的噪声源产生的噪声，它是除去所有可分辨的噪声源后所剩下的那一部分。就我们所讨论的来说，环境噪声（ambient noise ）是指那些由周围所有方向传到水听器处的噪声，尽管来自各个方向的噪声各有差异，是各向异性的。

环境噪声级，是指无指向性水听器测得的环境噪声的声强（以分贝表示），参考级是具有均方根声压等于一微帕的平面波声强。虽然它们实际上是在不同带宽中测得的，但常常把所测得的噪声级折算成1赫带宽的值，并称为环境噪声谱级。

3.2.1.2 深海环境噪声

深海环境噪声在不同频率上有不同的特性，随着环境条件例如风速等的变化，在谱的不同部分具有不同的频谱斜率和不同的特征。因此，噪声必然是由于各种源的组合产