淺海高頻水聲信道統計特性分析與仿真

丁 浩，李 偉，鄧 鵬，崔沁青

(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

0 引 言

目前人類在海洋中的活動大都集中在淺海，而水聲信道由于具備良好的傳播特性使其成為海洋研究的主要信息載體，淺海水聲信道也成為人們研究的一個熱點問題[1]。淺海水聲信道具有衰減嚴重、多徑效應和頻散效應等特性，會引起傳輸信號幅度的起伏和相位的波動[2]。

目前，國內外許多學者針對淺海水聲信道開展了研究工作，取得了一系列的成果。如文獻[3]利用AR(p)模型對淺水時變多途信道模型進行修正；文獻[4]在建立系統等效模型的基礎上采用用多項式擬合法得到Rice衰落信道一定范圍內的信噪比近似解；文獻[5 - 6]采用BELLHOP模型對水下信道進行仿真，并研究了對目標聲源的探測方法和陣列最佳布放方法與聲線的關系；文獻[7]應用Rice衰落模型對淺海水聲信道進行研究；文獻[8 - 10]對水聲信道的傳播特性進行了分析研究。

掌握高頻水聲信道的傳播特性在軍用和民用領域都有十分重要的實用價值，本文基于虛源法和Xiao模型建立高頻水聲信道模型，并對其統計特性和傳播特性進行仿真分析。

1 淺海高頻水聲信道模型

1.1 虛源法模型

虛源法就是把每一根聲線等效為一個對應的虛源所射出的到達接收點的直達聲線，到達接收點的信號即為各虛源射出的直達聲線的總和。虛源法的信號傳播示意圖如圖1所示，假設海深為H，海水為均勻介質層，上邊界為自由界面，下邊界為平整海底，發射器位于點O，接收接收器位于點S，R01為直達聲線，R02為折射—海底反射聲線，R03為折射—海面反射聲線，R04為折射—海面反射—海底反射聲線，θ為聲線入射角。

圖1 虛源法信號傳播示意圖Fig. 1 The signal propagation sketch map of image source method

以平面波為例進行研究，根據線性疊加原理，歸一化的接收信號聲壓可表示為：

其中各本征聲線的衰減系數為：

各本征聲線相位為：

式中：k為波數，f0為 信號頻率；c為傳播速度；n為反射次數；Rni為本征聲線的路徑長度，可表示為：

式中：R0為收發點的水平距離。

海面反射系數V1可表示為：

對于均勻海底，其反射系數V2ni可用瑞利反射系數表示：

將發射器到接收器的幾條不同信號傳輸路徑稱為本征路徑。信號在本征路徑上傳輸時，可看作一個穩定的主分量和許多隨機的分散分量之和。其中主分量稱為本征分量（本征聲線），隨機的分散分量稱為多徑分量。實驗證明淺海水聲信道傳輸近距離服從Rice模型，因此，每一條本征路徑信道的傳播特性可通過Rice衰落仿真體現。

1.2 Xiao模型

Xiao模型是一種用正弦波疊加法實現的Rice信道仿真模型，其優越之處在于它對所有正弦波的路徑增益、多普勒頻移、初始相位均引入隨機變量，尤其是引入隨機直射分量，改善了統計特性，能真實反映實際信道的物理特性。其模型如下：

1.3 淺海高頻水聲信道模型

為體現淺海高頻水聲信道的傳播特性，這里用本征聲線來代替Xiao模型中的直射分量，并考慮信道的衰減作用，則接收信號可以表示為：其中： ζm(t) 為第m條 本征路徑信道復傳播系數；x(t)為發射信號； τm為 傳播時延；M為本征路徑數量。則有：

式中：Cm， θm， φm分別為第m條本征聲線的衰減系數、入射角和相位，其他參數含義同前。

2 水聲信道模型統計特性分析

理想Rice衰落過程包絡分布的概率密度函數為：

其中：I0(·) 為 第一類零階修正貝塞爾函數；u為主分量的幅度；2δ2為隨機分散分量的平均功率。令 Ω為ζm(t)的平均功率，則可以推導出：

任選一條本征路徑，分析Rice因子K和諧波函數個數N對 ζm(t) 概率密度分布的影響。令N=10，當K取不同值時，利用式（11）仿真計算與式（14）計算所得概率分布曲線如圖2所示。

圖2K取不同值時 ζ m(t)的概率分布曲線Fig. 2 The probability distribution curve of ζm(t) under different K

對圖2分析可知，當Rice因子K≤3時， ζm(t)的概率密度分布仿真曲線與理論計算曲線高度吻合，隨K值的增大，仿真曲線與理論計算曲線的差距呈增大趨勢。

令K=3 ， 當諧波函數個數N取不同值時，利用本文模型仿真與理論模型計算所得概率分布曲線如圖3和圖4所示。

圖3N=5時， ζ m(t)的概率分布曲線Fig. 3 The probability distribution curve of ζm(t) whenN=5

圖4N=10時， ζ m(t)的概率分布曲線Fig. 4 The probability distribution curve of ζm(t) when N=10

分析圖3和圖4可知，諧波函數個數N取不同值時，ζm(t)的概率密度分布仿真曲線與理論計算曲線都高度吻合。

3 淺海高頻水聲信道仿真

3.1 仿真參數

設發射器與接收器的水平距離R0=2500m，發射器深度z0=10m，接收器深度z=50m，海深H=100m，海水溫度T=20 ℃，鹽度S=35 ‰，靜水壓P=16，收發器相對速度v=10m/s，風速w=3kn，c=1.3，ρ=1.0×103kg/m3，c=1.6， ρ =1.8×103kg/m3。根據信道統計特性分析結果，令諧波函數個數N=10，Rice因子K=3。設發射信號為：

其中發射信號幅度A0=10，頻率f0=20kHz，f1=19.98kHz，f2=20.02kHz，初始相位 θ0=π/3，則發射信號波形如圖5所示。

3.2 傳播損失

在理論上，本征聲線的數量是無窮多的，隨著反射次數n的增大，本征聲線對聲場的影響越來越小，因此本文只將與直達波聲壓之比大于0.1的本征聲線納入計算。

圖5 發射信號波形圖Fig. 5 The waveform image of transmitted signal

接收信號的傳播損失可由射線理論計算得到，即

其中p0為距離聲源1 m處的參考聲壓。接收信號的傳播損失及其與球面擴展損失曲線比較如圖6所示。

圖6 傳播損失示意圖Fig. 6 The sketch map of transmission loss

由圖6分析可知，由本文方法計算所得傳播損失曲線沿球面擴展損失曲線上下震蕩，這是由于本文設定的仿真條件與球面擴展的傳播條件相吻合。

3.3 接收信號分析

由式（10）進行仿真計算可得接收信號的波形如圖7所示。

由圖7可知，與發射信號相比，接收信號的波形明顯發生變化，這是由于經過信道傳播后，信號產生衰減、相移以及頻散的結果。此時，納入計算的本征聲線的數目為6，各本征聲線與直達聲線的幅度比值如表1所示。

圖7 接收信號波形圖Fig. 7 The waveform image of received signal

表1 各本征聲線歸一化幅度衰減值Tab. 1 The normalization amplitude loss value of each eigen acoustic ray

對表1進行分析可知，從3號本征聲線開始，其幅度就出現明顯下降，經計算可知，海面反射系數V1的 幅值僅為 0 .32，因此發生海面反射時，本征聲線的幅度就會明顯減小。

4 結 語

本文基于虛源法和Xiao模型建立高頻水聲信道模型，并分析其統計特性，當Rice因子K≤3時,與理想Rice衰落過程高度吻合，驗證了模型的準確性。傳播衰減符合球面擴展傳播衰減規律，海面（海底）反射系數對本征聲線幅度衰減有明顯影響。由于信道的衰減、相移以及頻散等作用，接收信號波形與發射信號相比發生明顯變化。從而實現了對均勻淺海高頻水聲信道的仿真模擬，能夠對高頻水聲信號的傳播損失以及接收波形進行仿真預報。