深海RAP下的水聲信道特性與通信技術研究

李偉哲，韓 笑，*，曹 然，劉嘉奧

（1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室（哈爾濱工程大學）工業和信息化部，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

“以深制海”已成為越來越多國家的戰略目標，而力求在更大深度上取得進展已成為各國努力的方向[1]。隨著科學技術持續不斷的發展，未來的作戰模式無疑將形成海陸空一體化的協同作戰網絡。目前，水上部分大多使用高速、寬帶的電磁通信技術，且已經實現了聯合作戰，現在軍事方面的重點發展和突破對象就是水下傳感器和水下各個平臺之間的跨區域跨層通信問題，實現深海潛水器和水面艦艇之間的跨層信息傳輸也是對深海進行科學勘測的關鍵[2]。

近年來，越來越多的研究人員將水聽器放置在臨界深度（此深度的聲速等于地表附近的最大速度）以下來進行水下的定位和探測，其效果相對于其他路徑要好很多[3]。因為在深海區域，海面對環境的影響較小，而且在遠處的航船等產生的噪聲很難滲入，這就使得深海水聲環境變化小，且信道結構更加穩定?？煽柯暵窂剑≧AP）是深海聲傳播的一種特殊而重要的通道[4]。假設某一海洋的臨界深度存在且和海底之間存在深度余量（臨界深度到海底之間的深度），當聲源或接收點位于臨界深度和海底之間時其傳播將遵循可靠聲路徑聲傳播，此時的聲線受界面影響很小可以到達較遠的距離[5]。換句話說，當聲源處于較淺的深度時，可以通過接收深度設置的較深一些來減小海面效應和海底的反射，而且在此條件下的接收信號中以直達聲信號和海面反射聲信號為主，傳播損失相對于其他的聲傳播路徑可以降低10～20 dB[6]。

在可靠聲路徑方面美國投入的研究較多一些，最初美國的深海海嘯災害監測系統（DART和DART Ⅱ）就是基于可靠聲路徑建立的，該系統的監測儀被放置在了海底，通過可靠聲路徑傳播可以為美國的大氣管理局對海嘯提供遠程監測[7]；為了改變安靜型潛艇發展的不對等威脅，美國國防部率先啟動了基于可靠聲路徑的分布式潛艇獵捕系統（DASH）[8]。國內對于可靠聲路徑的研究相對較少，西北工業大學的楊坤德、段睿等對可靠聲路徑的物理特性進行了分析，在深海可靠聲路徑條件下提出了基于多途到達結構的目標定位方法[8-9]；國防科技大學的邱春燏、陳羽等人在可靠聲路徑下改變改變聲源的距離，針對深度余量內的信號垂直相關性的變化進行了仿真分析[10]；海軍航空工程學院的王鴻吉、楊日杰等對可靠聲路徑的物理機理進行了分析，然后在Munk聲速剖面下將可靠聲路徑與時間反轉鏡結合，對垂直水聽器陣時反定位問題進行了研究和分析[11]。

目前國內對于可靠聲路徑的研究較少，而且主要是利用可靠聲路徑進行目標的探測和定位。本文主要以射線聲學仿真為基礎，從可靠聲路徑的聲傳播出發，對比分析了幾種不同海洋參數條件下的聲傳播特性，然后在可靠聲路徑聲線結構的基礎上分析了可靠聲路徑下單載波通信算法的性能，并總結了利用可靠聲路徑進行信息傳輸的優勢。

1 RAP的形成機理與聲傳播特性

深海聲道存在于全球的深海海域，例如我國的南海和臺灣海峽等，因其具有十分良好的聲傳播性能而受到廣泛的關注。聲道軸是深海聲道所特有的，在聲道軸處的聲速是一個極小值，在聲道軸的上下其聲速梯度正相反；深海聲道的另一個不同于表面聲道特點就是其不受季節變化的影響，聲道效應穩定[12]。

圖1 典型深海區域的Munk聲速剖面Fig.1 Munk sound velocity profile of a typical deep-sea area

可靠聲路徑（RAP）存在于深海海域，對于有臨界深度的深海，將聲吶設備放置于臨界深度和海底之間（存在深度余量），此時海面反射和海底散射對聲傳播的影響較小，遠處的航船等噪聲對聲場分布影響也較小，直達聲可以到達的距離較遠，根據聲場的互易性，收發位置互換也是遵循的。Munk模型通常被用來描述深海聲道的聲速分布，Munk模型的數學表達式為[12]

式中：η= 2 (z-z0)/B；z0= 1 000 m 為聲速極小值的位置；B= 1 000 m為波導寬度；c0= 1 500 m/s為聲速極小值；ε= 0 .0057為偏離極小值的量級。典型的深海 Munk聲速分布模型如圖 1所示，海深5 000 m，聲道軸位于1 000 m，臨界深度大致位于3 700 m左右，本文可靠聲路徑的相關仿真工作都是基于該聲速剖面進行的。

圖2給出了聲源位于海底和海面附近的2種典型的RAP聲傳播損失分布（傳播損失是在聲源輻射頻率附近的窄帶內取平均得到的，且單位是dB，下同）。從圖2（a）可以看出聲源位于海面附件時，在臨界深度以下，低傳播損失區域的分布可以達到40 km左右。在此區域之內，直達波能量強，主要原因是由于臨界深度的存在，當深度余量足夠大時，聲線在接觸海底之前由于折射會反轉，不經海底反射而繼續以直達聲和海面反射聲的形式傳播，在海面附近形成一個匯聚區，傳播損失很低。

圖2 聲傳播損失空間分布（1 kHz）Fig.2 Spatial distribution of sound propagation loss (1 kHz)

根據聲場互易性，聲源放在海底附近時（深度余量內），如圖2（b）在40 km左右的整個中等距離內不存在影區，尤其是左側的一個“碗”狀區域之內，傳播損失更低，這個“碗”狀區域就是RAP的主要分布區域。根據RAP的分布特性，將接收器放在海底附近時，可以無盲區的對近海面區域進行探測，同樣可以實現海底與淺層區域的跨層通信。

2 環境參數變化對RAP聲傳播的影響

在實際的海洋中，水體介質的分布是隨機的、不均勻的，海洋參數動態起伏導致了實際的海洋環境中存在各種不確定性。下面分析幾種海洋環境參數對RAP聲傳播的影響。

2.1 海水深度對RAP聲傳播的影響

在圖1的聲速剖面下，分別設置海深3 000 m，3 500 m，4 000 m，5 000 m進行仿真，聲源位置固定，都放置在50 m深的位置，結果如圖3所示。很明顯，隨著海深的不斷降低，低傳播損失區域也在不斷地變小，較遠距離的海面處的匯聚區也在不斷的變小。5 000 m海深對應的深海低傳播損失區域可以達到47 km左右；4 000 m海深也存在臨界深度，但是其深度余量小，導致其低傳播損失區域也小一些，最遠可以到達 40 km左右；在海深3 500 m時，臨界深度不存在，此時海底附近的低傳播損失區域只有 28 km左右，同樣的，在海深3 000 m時，低傳播損失區域僅有19 km左右。

圖3 不同海水深度下的傳播損失圖Fig.3 Propagation loss diagram at different sea depths

值得一提的是，我國南海部分海域的海深不足4 000 m，其不存在臨界深度，聲傳播模型類似于3 500 m和3 000 m海深的仿真結果，當聲源布放在海面較淺區域時，海底附近的低傳播損失區域范圍較小，此時的低傳播損失區域也可當作RAP處理，且由于擴展損失小，聲場能量更強。在處理不存在臨界深度的海域時，可以根據實際情況將海面處聲源布放的稍微深一些，如圖4所示。聲源深度200 m，此時3 000 m海深的低傳播損失區域達到了35 km左右，相對于圖3（d）遠了15 km左右，此時可以找到聲源位置處聲速對應的共軛深度，使更多的聲線在到達海底之前反轉，繼續以直達聲的形式傳播。

圖4 海深3 000 m聲傳播損失分布Fig.4 Distribution of sound propagation loss at a depth of 3000m

聲源深度50 m固定，海水深度從1 000 m變化到5 000 m，進行最大低傳播損失區域的對比，如圖5所示?？梢钥闯鲭S著海深的不斷增加低傳播損失最大區域也在增加，且在臨界深度（3 700 m）附近存在一個跳變，使低傳播損失區域增大很多。

圖5 不同海深對應的海底低傳播損失區域Fig.5 Different seabed low propagation loss area at different sea depths

2.2 水平聲速變化對RAP聲傳播的影響

在實際的海洋環境中，海水的聲速受海洋中尺度運動等現象的影響而不斷變化，一個典型的例子就是海洋內波，海洋內波是一種由于海水密度分層而產生的重要的海洋現象。當海洋內波水平傳播時，其會與海洋中的隨機表面波發生混合，從而導致等密度面的波動，等密度面的波動會導致聲速的方向和大小都發生改變[8]，對聲吶的性能有很大的影響。

在圖1的聲速剖面的基礎上，選取3個不同的觀測時刻，每個觀測時刻的水平聲速變化如圖6（a），6（c），6（e）所示，通過水平聲速變化對圖1的聲速剖面進行修正，然后仿真得到每個聲速剖面對應的聲傳播損失圖，如圖6（b），6（d），6（f）所示。

圖6 3個不同觀測時間對應的聲速變化和傳播損失圖Fig.6 Diagram of sound velocity change and propagation loss at 3 different observation times

通過圖6可以看出，在1 500 m深度以上，內波引起的速度的變化相對較大一些，而在1 500 m以下，其聲速變化很小，在3 000 m深度時幾乎就沒有變化了。結合圖 2（a）對比聲傳播損失圖可以看出水平聲速變化對中等距離內RAP區域的聲傳播特性影響很小，不同的是在影區部分出現了一些干涉條紋，這說明了RAP信道穩定，線性內波對其聲傳播影響很小。聲速起伏對可靠聲路徑影響小的原因是經海底附近傳播的直達聲波在海洋上層區域傳播時掠射角較大，根據Snell定律可以知道，聲線掠射角大，聲速的起伏變化對其折射角的影響相對較小。

2.3 海底參數變化對RAP聲傳播的影響

在實際的海洋環境中，海底的介質不是均勻的，而且受環境的影響，海底介質的參數也不是一成不變的，為了更好的分析RAP區域的聲傳播特性，改變海底底質參數（聲速、密度和聲衰減系數）來進行對比分析。得到的結果如圖7所示。

圖7 不同海底參數下的聲傳播損失空間分布Fig.7 Spatial distribution of sound propagation loss under different seabed parameters

從圖7中的4個圖可以看到，對應不同的海底參數得到的聲傳播損失在中等范圍內的RAP區域是一樣的，海底參數主要影響的是更遠距離的聲影區，因為在RAP區域聲線主要以直達聲和海面單次反射聲線為主，海底反射聲能量很低。這進一步說明了RAP聲傳播的穩定性，受界面影響較小。

3 RAP區域的單載波通信性能分析

3.1 基于RAP的聲線結構分析

聲線結構的仿真采用圖 1所示的聲速剖面，聲源輻射頻率1 kHz，海底聲學參數如下：假設海底平坦，海底參數為c=1 600 m/s，ρ=1.7 g/cm3，α=0.8 dB/λ。聲源深度取 50 m，接收機深度取4 900 m，改變接收水平距離，本征聲線結構如圖8所示。

圖8 不同接收距離處對應的本征聲線Fig.8 Eigen sound rays corresponding to different receiving distances

圖8中：紅色聲線代表直達聲線，藍色聲線代表海底反射聲線，綠色聲線代表海面反射聲線，黑色聲線代表同時經過海底和海面反射的聲線。在圖8（a）中可以看出在30 km之內的距離的各個接收點都可以收到直達聲線還有海面海底單次反射的聲線，但是隨著距離的增加，聲線逐漸彎曲，而且經過界面的反射次數也在增加；在圖8（b）中可以看出，這2個位置接收到的聲線的界面反射次數在不斷增加，在35 km處海底反射聲線和直達聲線都不存在了，海面反射聲線也發生了明顯的彎曲，該距離已經到達甚至超出了可靠聲路徑分布范圍，根據Snell定律，聲速梯度的存在會使聲線發生折射，產生強烈的彎折，此時只有極少部分能量可以進入接收機，聲線幅度很低。在40 km處接收到的只有經過海面海底多次反射的聲線，其傳播損失較大，此時已經完全脫離了可靠聲路徑的傳播區域。

海洋環境參數設置同圖8，圖9給出了2個接收位置的聲線到達結構，對于每個接收位置都只選取了第一組多途進行觀察，因為在仿真的可靠聲路徑環境下，只有第一組多途能量最高，穩定且容易利用，各多途結構如圖10所示。從圖9可以看出，在10 km的接收位置，有4種類型的聲線，其中直達聲線和海面反射聲線對聲場的貢獻最大，能量最強；經過海底反射的聲線能量較弱，主要原因是聲線在到達海底時，較大掠射角的聲線會穿透海底，主要的能量在海底中衰減，只有較小掠射角的聲線經過海底的時候會被反射回到水中，經過海底海面多次反射的聲線由于幾何衰減而變的更弱。

圖9 不同接收距離處對應的聲線到達結構Fig.9 Corresponding sound ray arrival structures at different receiving distances

圖10 各組多途到達結構Fig.10 Multi-reach structure for each group

3.2 基于RAP的單載波通信性能分析

本節在分析RAP聲傳播特性的基礎上結合單載波時域均衡算法對可靠聲路徑下單載波通信的有效性進行了仿真驗證。

聲場的環境參數同圖8的仿真，水聲信道就是前面仿真分析的 RAP信道，信噪比根據公式SNR=SL-TL-NL得到，其中聲源級假設160 dB不變；傳播損失根據Bellhop仿真得到；由于遠距離聲源輻射噪聲的出射掠射角較小，無法穿過臨界深度到達 RAP信道之內，環境噪聲在臨界深度以下降低的很快，距離臨界深度最深的位置其環境噪聲相對于聲道軸位置低大約10 dB[8]。在仿真中假設臨界深度以下的環境噪聲級為50 dB，臨界深度以上的環境噪聲級為60 dB。

通信系統仿真采用如下參數。采樣頻率：fs= 4 .8 kHz；載波頻率：f0=1 kHz；符號率：Baud = 0 .2 kS/s；映射方式：QPSK；脈沖成型濾波器采用開方升余弦濾波器，滾降系數α=1；同步信號為線性調頻信號，其中心頻率f0=1 kHz，帶寬B= 4 00 Hz，脈寬200 ms，保護間隔Td=200 ms。均衡器結構采用帶分數間隔的判決反饋均衡器（采樣間隔稱為碼元間隔的一半），時域均衡算法使用遞歸最小二乘算法（RLS），仿真發送 10 000 bits數據，其中前2 000 bits數據作為訓練序列，用于更新均衡器抽頭系數，抽頭系數共80個，前后均衡器各40個。數據幀結構如圖11所示。

圖11 數據幀結構Fig.11 Data frame structure

仿真：聲源深度 50 m，接收深度選取 500～4 900 m，每 20 m一個接收，接收水平距離選取15 km，得到的結果如圖12所示。

圖12 水平距離15 km處對應不同深度的誤碼率和輸出信噪比Fig.12 Bit error rate and output signal-to-noise ratio at different depths with a horizontal distance of 15 km

圖12中給出的誤碼率曲線和接收信號信噪比曲線是經過100次獨立的仿真后取平均得到的。根據圖12可以看出在在較淺的區域其誤碼率較大而且輸出信噪比也較低。

根據圖2（a）可以看出水平距離15 km處的低傳播損失區域的邊界在2 500 m左右，因此圖12（a）中2 500 m以下的區域其誤碼率幾乎都為0，接收信號的信噪比也更高。這里可以看出的是在海深4 200 m左右的位置，誤碼率曲線有一個突出的峰值，此時誤碼率量級為10-3，對應的接收信號信噪比也有一個谷值。對谷值處的聲場結構進行仿真如圖13所示，4 200 m深處和4 700 m深處的聲線組成是一樣的，且幅度相差很?。徊煌氖牵捎诤５椎姆瓷渎窂降牟煌? 200 m接收位置的最大多途時延達到了300 ms，而4 700 m接收位置的最大多途時延僅有100 ms左右。即便如此，該位置的通信效果相對于RAP之外的區域還是較好的。綜上，接收位于RAP區域時，其通信誤碼率都低于10-2，很多位置都是0，接收信號信噪比高出非RAP區域10 dB左右，尤其是在海底附近，通信誤碼率都是0，輸出信噪比高出非RAP區域15 dB左右；接收位于非RAP區域時，其通信誤碼率平均都在10-1之上。

圖13 2個接收位置聲場對比Fig.13 Comparison of sound fields of 2 receiving positions

接下來進行不同接收位置（同時考慮深度和距離）的通信性能的仿真，進一步分析在可靠聲路徑下單載波通信算法的性能。

圖14中接收深度選取1 000～4 900 m，接收水平距離選取 10～50 km，其中誤碼率偽彩圖是經過100次獨立的仿真后取平均得到的。如圖14所示，在相同的仿真條件下，RAP分布區域內部的誤碼率較非RAP區域的誤碼率低很多，因為在RAP信道內，聲線以直達聲為主，傳播損失低，信噪比高。同時可以看出，通過可靠聲路徑進行通信時，無誤碼（誤碼率低于10-3）通信的通信距離最遠可以達到38 km。根據聲場互易性，海底布放的通信節點通過RAP信道可以將信息穩健的傳輸到表層，實現海底-海面之間信息的跨域傳輸；而且，在RAP信道內，傳播損失低，信噪比高，可以適當地降低發射功率，提高信息傳輸的隱蔽性。

圖14 誤碼率和傳播損失隨接收深度和接收距離變化Fig.14 Bit error rate and propagation loss varying with reception depth and reception distance

4 結束語

本文在射線模型的基礎上對深海 RAP信道的聲傳播特性進行了研究，分析了海水深度、水平聲速變化以及海底介質參數變化對可靠聲路徑聲傳播的影響。仿真結果顯示，RAP在35 km左右的中遠程距離內不存在聲影區，海水深度影響低傳播損失區域的最大范圍，通過可靠聲路徑傳播的聲波可以達到更遠的距離，同時可靠聲路徑對聲速起伏和界面散射不敏感，信道穩定。然后，針對RAP信道內的聲線到達結構以及 RAP信道下跨層通信實施的可行性進行了仿真分析。仿真結果表明：在RAP信道內，直達聲能量較強，信噪比高；相同的仿真條件下，RAP區域的通信效果較同距離上淺深度的接收好很多；通過RAP進行通信時，深度余量內的低誤碼通信距離最遠可以達到38 km左右。

通過 RAP通信可以實現海底-海面之間信息的跨域傳輸，將近海底探測節點的探測結果傳輸到表層，而且由于RAP區域傳播損失小，可以采用低發射功率，實現隱蔽信息傳輸。本文的研究結果可以為日后的深海信息傳輸，如海底預置武器的喚醒與遙控等提供技術基礎。