基于簡正波的水聲通信接收器置放規則分析

林 琳

(大連艦艇學院 遼寧 大連 116000)

基于簡正波的水聲通信接收器置放規則分析

林 琳

(大連艦艇學院 遼寧 大連 116000)

目前，隨著海洋的開發和軍事領域的應用要求，人們越發重視對水下通信系統的研究。遠程通信常使用的無線電波因海水吸收作用，在海洋中的傳播距離有限[1]，水聲通信是目前實現水中遠距離數據傳輸的唯一方法[2]。

水聲信道具有通信帶寬極其有限、多途效應嚴重、噪聲水平高等特點，在實現高速通信時，有限的信道帶寬和信號的多途傳輸會引起嚴重的碼間干擾，造成接收數據的嚴重誤碼，降低通信的有效性和可靠性，從而產生傳播損失。水聲信道遠遠不如電磁波的介質大氣或真空那樣，允許非常多的信號通道，水聲通信可以利用的頻率范圍非常窄，水下遠距離傳輸的水聲信號頻率通常在10kHz以下，如果放寬要求，水聲通信可以用的頻率也不超過50kHz。聲傳播損失不僅與頻率有關，而且還受海水的含鹽度、溫度、密度、深度、距離等的影響。為了減小這些因素對水聲通信的影響，本文以傳播損失(TL)為衡量標準，對水聲通信接收器的置放規則進行分析。首先，建立簡正波模型，計算傳播損失。其次，改變接收器的位置，分別對固定海洋環境、變海底參數、變海深、變聲速剖面這幾種情況進行傳播損失的仿真。然后，從仿真結果中提取小于某固定閾值的概率生成概率曲線，通過分析圖像得出結論，進而在應用中通過合理放置水聲通信接收器來實現對傳播損失的控制。

1 基于簡正波的聲傳播與分析

第一 固定海洋環境下的聲傳播仿真分析

基于水聲的水下信息傳輸，主要指的是以水聲傳輸方式的海洋中信息傳播技術。海水對聲波的吸收與頻率有關。頻率越高，聲波的衰減越大。反之，要實現遠距離水下信息傳輸，唯一可行的方式就是使用低頻、甚低頻信號。以下利用簡正波技術，計算不同頻率的聲波在典型海洋環境中的傳播，獲得聲源到達各深度和距離的傳播損失，并以此獲得接收端的最佳布放規則。

圖1是聲源深度為200m，海底密度為1.8g/cm3、P波衰減為0.8情況下的海洋環境示意圖。圖中給出了海洋聲速剖面，呈負梯度分布，海水深度1100m。

圖2給出了聲源頻率為500Hz和1000Hz時，聲源深度為200m的50km范圍內，1100海深的各點處傳播損失圖。傳播損失越大，說明到達接收點處的聲強越小，而傳播損失越小，說明更容易實現水下通信。

從圖2中可以看出水下信息傳輸的一定規律，聲源發出的信號，經水下信息傳輸后，會經海底和海面的反射和折射，從而在水下形成匯聚區和聲影區。并且，對比兩種頻率下的傳播損失圖可以可出結論：低頻更適宜水下通信。

由于水下信息傳輸過程中，接收端的信噪比將影響信息傳輸誤碼率和傳輸率，而傳播損失與接收信噪比成反比。因此，在設定一定接收端傳播損失閾值的情況下，計算各深度小于該傳播損失的閾值，即可大致估計聲源固定情況下，接受傳感器位于水下各深度的效果。

圖3給出了聲源位于水下50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m時，接受傳感器位于水下0～1100m時的傳播損失小于70dB的概率，圖中給出了聲源頻率為500Hz和1000Hz的仿真結果。

從圖3中的效果可知，當聲源與接收端位于同一水下深度時，對于單頻信號通信效果最好，此時的通信距離最遠，誤碼率最低。

第二 變聲速剖面情況下的聲傳播仿真分析

我國近海基本上是淺海大陸架。聲速剖面圖隨季節變化更大。一般在冬天是等溫層，而到夏天會出現明顯的負梯度或負躍層。

南海典型海洋環境條件下，聲速剖面在海表面100m以下幾乎保持不變，受影響最多的是海表面至水下50m以內范圍，產生表面聲道。現檢驗表面聲道條件下，對傳播損失的影響。

第三 聲波在水下信息傳播的結論

本文針對聲波在水下的信息傳輸，研究了水聲信道模型及其基本特點。通過波動方程及簡正波計算聲源到達水下各處的傳播損失，并基于傳播損失小于某閾值的概率作為水下信息有效傳輸的標準。得出結論如下：

(1)聲源和接收端位于同一海深時，傳播損失小于某固定閾值的概率較大；

(2)隨頻率的增高，傳播損失增大，且傳播損失小于某固定閾值的概率整體下移。因此，低頻更適宜于水下信息傳輸；

(3)在聲源、接收端位于相同或相近海深時，傳播損失隨距離呈有規則的變化，兩波峰的距離約為11.5km；

(4)對比表面聲道和負梯度聲道，可以看出，聲速剖面是影響水下信息傳輸傳播損失分布的最主要因素。

[1] 朱長寶.水聲通信網絡仿真軟件的設計與實現[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文.2009，5：34-38.

[2] 賈寧，黃建純.水聲通信技術綜述[J].物理，2014，10

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1672-5832(2016)02-0248-01