淺海水聲信道模型

淺海水聲信道模型對淺海水聲信道建模，一方面可以大致估計水聲通信設(shè)備在不同水聲信道下的性能；另一方面，可以很方便地控制各種不同的輸入?yún)?shù)，以便模擬不同的實際環(huán)境，大大節(jié)省出海實驗的費用和時間。但是，要想獲得完全符合實際應(yīng)用環(huán)境的水下通信信道的解析模型在目前是不可能的，我們只能在假設(shè)一些理想條件的前提下，針對淺海信道影響信號傳輸和接收的主要干擾因素加以考慮，建一個半經(jīng)驗的模型。水聲信道尤其是淺海水聲信道是典型的變參信道，其特性隨時間和空間不斷地變化，稱為時變多徑衰落信道。在水聲數(shù)字通信系統(tǒng)的研究中，常用圖3-3的模型表示：圖3-3淺海水聲信道模型圖中，為發(fā)射信號，為水聲信道單位沖激響應(yīng)，為信道噪聲，為經(jīng)過信道后的信號，為接收信號，其中t為時間變量，為時間延遲。那么接收信號可表示為：〔3-13〕根據(jù)淺海水聲信道的特點，淺海水聲信道可以建立兩類模型[5,27,28]：一是建立一個N徑非時變確實定性模型。二是建立一個隨機(jī)統(tǒng)計模型，對于近距離的淺海水聲信道可以建立萊斯衰落和加性高斯白噪聲信道模型；對于中、遠(yuǎn)距離的淺海水聲信道可以建立瑞利衰落和加性高斯白噪聲信道模型。N徑確定性模型針對淺海水聲信道，在建立淺海水聲信道N徑確定性傳播模型之前，先假設(shè)幾個理想條件：水深為常數(shù)；當(dāng)聲線掠射角小于5°、載波頻率小于50KHz和海底介質(zhì)的密度大于〔例如沙，淤泥，粘土等介質(zhì)〕時，海底的反射系數(shù)近似為1，同時相位偏移為180°,考慮到淺海海底介質(zhì)一般由細(xì)沙和淤泥構(gòu)成，同時掠射角總是大于0°，無論怎樣，聲波由海底反射時，聲能總是有所損失的，而且隨著掠射角的增大而增加，在這里假設(shè)海底的反射系數(shù)等于0.9；海面的粗糙程度可以用瑞利參數(shù)R來描述：〔3SEQ公式\*ARABIC\s114〕其中，f為工作頻率，c為聲速，為海面波浪高度〔波峰到波谷〕的均方根值，為聲線掠射角。經(jīng)驗數(shù)據(jù)說明，當(dāng)瑞利參數(shù)，海面可以被認(rèn)為是平滑的；當(dāng)瑞利參數(shù)，那么海面被認(rèn)為是劇烈起伏不定的。對于小掠射角，海面的反射系數(shù)只與海面的風(fēng)速和載波頻率有關(guān)，并且海面的反射系數(shù)可以由下式給出：〔315〕其中，，?為載波頻率，單位是kHz，w為風(fēng)速，單位是節(jié)〔knots〕。假設(shè)使用的載波頻率，當(dāng)風(fēng)速為10knots時，海面反射系數(shù)；由于淺海的發(fā)射端和接收端的水平距離遠(yuǎn)大于海水深度，即，傳播中彎曲的聲線弧線可以近似用直線代替；從發(fā)射端到接收端，直達(dá)路徑所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離可以根據(jù)下式計算：〔316〕其中a為發(fā)射端距離海底的高度，gr為聲速梯度且，稱為相鄰兩次反射之間的最大跨距。圖3-4所示為淺海水聲信道傳播路徑模型。圖3-4淺海水聲信道聲傳播路徑模型把發(fā)射端發(fā)出的聲射線分成五種類型，圖中各種聲線的標(biāo)志及其代表的聲線類型如下表3-2所示。下標(biāo)n代表經(jīng)過海底反射的次數(shù)，圖中只標(biāo)出n=1的聲線。表3-2各種聲線的標(biāo)志及其代表的聲線類型標(biāo)志聲線類型直達(dá)聲線從發(fā)射端出發(fā)第一次反射經(jīng)由海面，到達(dá)接收端時又經(jīng)過海面反射而來的聲線從發(fā)射端出發(fā)第一次反射經(jīng)由海面，到達(dá)接收端時經(jīng)過海底反射而來的聲線從發(fā)射端出發(fā)第一次反射經(jīng)由海底，到達(dá)接收端時經(jīng)過海面反射而來的聲線從發(fā)射端出發(fā)第一次反射經(jīng)由海底，到達(dá)接收端時又經(jīng)過海底反射而來的聲線定義為直達(dá)路徑所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離，那么在不考慮淺海水聲信道的時變因素和環(huán)境噪聲的情況下，在接收端可得到接收信號表示如下：當(dāng)時，〔3-17〕當(dāng)時，為遠(yuǎn)距離通信，無直達(dá)信號，那么：〔3-18〕其中，，，，為海水吸收系數(shù)，上述式子中各符號的定義如上表，為海面反射系數(shù)。下表3-3給出了不同路徑的延遲及海面和海底反射的聯(lián)合衰減系數(shù)。表3-3不同路徑的延遲及海面和海底反射的聯(lián)合衰減系數(shù)不同路徑聲線經(jīng)過每條路徑的延遲海面和海底反射的聯(lián)合衰減系數(shù)淺海水聲信道N徑確定性模型如圖3-5所示。圖3-5淺海水聲信道N徑確定性模型3.2.2隨機(jī)統(tǒng)計模型實際上，淺海水聲信道是非常復(fù)雜和多變的，這些不確定性只能用統(tǒng)計的方法來描述。實驗證明淺海水聲信道近距離服從萊斯〔Rice〕衰落模型，而傳輸中、遠(yuǎn)距離上服從瑞利〔Rayleigh〕衰落模型。萊斯衰落信道模型對圖3-5所示的N徑確定性模型進(jìn)行一些調(diào)整，將固定延時修改為隨機(jī)變量，呈高斯正態(tài)分布，均值為該路徑上的主聲線的時延值；各個路徑的固定幅度修改為，為高斯正態(tài)分布，均值為該路徑上主聲線的幅值，這樣就得到關(guān)于水平近距離淺海水聲信道的萊斯衰落信道模型，如圖3-6所示。圖3-6萊斯衰落信道模型瑞利衰落信道模型圖3-7瑞利衰落信道模型在圖3-6的根底上去掉直達(dá)路徑，