水声信道特性与信号在水声信道中的传播特性研究∗

代 伟

（91388部队 湛江 524022）

1 引言

随着海洋开发需求的日益增大以及海军现代化建设步伐的逐渐加快，人们对海洋研究的相关内容以及相关课题的探索范围正在逐步扩大，水声通信技术［1～4］、匹配场处理技术［5～7］、阵列波束形成技术、水声信道特性［8～12］等领域的研究正处于蓬勃发展阶段。水声信号以其优异而又独特的性能使其成为在水下传输信号的最理想的载体。水声信号的传输是通过声纳系统来完成的，首先将要发送的信号输入到水声信号发射机，发射机将电信号输入到水声换能器，水声换能器通常由压电晶体材料或磁致伸缩材料制作而成，输入到水声换能器的电信号被由压电晶体材料制成的换能器转换为声音信号并向水中辐射，如果若干个换能器构成一个阵列，那么可以通过改变换能器阵列的指向性来改变发射信号的发射方向。水声信道的特性对于声纳发射的信号有很大的影响，影响声线的传播路径、水声信号的传播损失、水声信号的多径效应、水声信号的传播距离等等，水声信道可以看作是由不平整的海面和海底构成的波导而形成的随时间、频率、空间变化的滤波器，它受声速剖面、海水温度、盐度、海水压力、海面粗糙度、海底粗糙度、海水中悬浮的固体物以及浮游生物、海浪噪声、船舶噪声、近岸工业噪声等多种因素的影响，由于水声信号在水声信道中传输，所以研究水声信道的特性以及它对于水声信号的影响是十分必要的。

对于水声信道特性的研究，已经有很多科研机构做了大量详细而又系统的工作，对水声信道的理论研究做了很好的支撑。文献［13］对水声信号的传输特性做了细致的研究，对水声应用系统的开发提供了很好的理论依据。文献［14］通过计算机仿真实验，在不同声速梯度海况下仿真分析多径效应对水声通信系统的影响，同时还仿真分析了多径效应与水声信道的衰减、多普勒效应和噪声等因素相结合时的信道模型。文献［15］对水声信道的建模和仿真进行了分析，并采用Matlab对水声信道模型进行了仿真。而在文献［16］中对水声信道的时变特性进行了研究，研究了时变水声信道对通信的影响。

针对水声信道受时间、频率、空间等多种因素的影响，并对水声信号的传播会产生多种影响，本论文对水声信道的特性做了研究。基于BELLHOP声线传播模型研究了水声信号在水声信道中传输时传播损失随深度和距离的变化、声速剖面对声线传播的影响、水声信道的冲击响应特性、水声信号经过水声信道后的特性等，并得出了一些有价值的结论。

2 仿真计算过程［17～18］

本文仿真计算基于BELLHOP计算出水声信道的特性，再计算出水声信道的冲击响应，运用Matlab 软件设计线性调频信号，并计算线性调频信号在水声信道中的传播特性。

BELLHOP是美国海洋声学实验室开发的声学工具箱中的常用声场模型之一，也即高斯射线跟踪模型，它基于声线理论模型，是计算水声信道特性的常用工具之一，这种声线跟踪结构使得其算法较为简单，它是基于几何和物理的传播规律的信道模型，利用它可以计算声线的传播规律，声线的传播损失随传播深度和传播距离的关系，海底掠射角与海底反射损失的关系，时延与传播距离的关系，声速剖面对水声信道的影响等。

水声信道可以看作是一个时间、空间、频率变化的滤波器，它受水声信道中多种因素的影响。为了说明这些因素对水声信道的影响，设计了本文的仿真计算实验，仿真计算时设定发射信号声波频率为200Hz，海深100m，声源深度为50m，接收换能器深度为50m，传播距离为1000m，海水密度为1022kg/m3，海水中横波吸收系数为69.2912dB/wavelength 至69.4261dB/wavelength，海底沉积层厚度为20m，沉积层中声速度为2000m/s，沉积层密度为1810 kg/m3，沉积层中横波吸收系数为0.5dB/wavelength，仿真计算了10条声线的传播路径。

3 计算结果与分析

图1 所示为声线传播损失随深度和距离的变化关系图。二维图形更加直观地反映了声线传播损失随深度和距离的变化关系。可以清晰地看到在声源位置处声线的传播损失最小，为20dB 左右，随着深度和距离的增加，声线的传播损失逐渐增大。

图1 声线传播损失随深度和距离的变化关系

表1 所示为海水声速剖面的变化对声线传播的多个特性的影响。海水中声速的变化从1400m/s到1800m/s，按照50m/s 的间隔逐渐增加，影响声线传播的各个参数设定为声源到海面第一反射点的水平距离，海底掠射角，海底反射损失，传播损失随深度变化的平均值，传播损失随距离变化的平均值等5 个，这5 个参数反映了影响海水中传播的水声信号的不同方面，一定程度上反映了声线的传播规律。从表中可以看出对于声源到海面第一反射点的水平距离，随着海水声速的增加，这一水平距离变量呈现逐渐增大的趋势，当海水声速位于1400m/s 至1450m/s 区间时，声源到海面第一反射点的水平距离值最小，为167m；当海水声速达到1750m/s 到1800m/s 时，这一变量值达到最大，为170.3m。定义海底掠射角拐点为随着海底掠射角的增大，海底的反射损失值急剧变大的位置所在处的掠射角的值。对于海底掠射角拐点，随着海水声速的逐渐增大，海底掠射角拐点的值呈现逐渐减小的趋势，当海水声速的值为1400m/s 到1450m/s 时，海底掠射角拐点的值最大，为42.78°；随着海水声速值的逐渐增大，海底掠射角拐点的值逐渐减小，当海水声速增加到1750m/s 到1800m/s 时，海水掠射角拐点的值减小为23.97°。这一参数的变化说明对于较小的海水声速，在海水中传播的声线可以在更大的掠射角范围内实现较小的海底反射损失。对于海底反射损失，随着海水声速的逐渐增大，海底反射损失值呈现逐渐增大的趋势，当海水声速处于1400m/s 到1450m/s 区间时，海底反射损失值最小，为7.369dB，随着海水声速的增加，这一值也呈现逐渐增大的趋势，当海水声速达到1750m/s 到1800m/s 时，海底反射损失值达到9.477dB。随着海水声速的逐渐增大，水声信号传播损失随深度变化的平均值呈现先减小后增大的趋势，当海水声速处于1400m/s 到1450m/s 区间时，这一平均值为50dB，当海水声速的值增加到1550m/s 到1600m/s 时，这一平均值减小到最小，为45dB，随着海水声速的进一步增大，这一平均值又呈现增大的趋势，当海水声速达到1750m/s 到1800m/s 时，这一平均值达到52dB。对于水声信号传播损失随距离变化的平均值而言，随着海水声速的增加，这一值大致呈现逐渐增大的趋势，当海水声速处于1400m/s 到1450m/s 区间时，传播损失随距离变化的平均值最小，为45.5dB，当海水声速达到1650m/s 到1700m/s 时，传播损失随距离变化的平均值最大，为47.92dB。

表1 海水声速剖面对声线传播的多个参数的影响

图2 所示为水声信道的声速剖面。此声速剖面为正声速梯度分布的海水层中的声场，是一种典型的秋冬季节的浅海声速剖面，声速剖面的声速从1523m/s逐渐增加至1541m/s。

图3 所示为水声信道的冲击响应曲线。由图中可以看出本论文中的多径信道的冲击响应曲线比较复杂，多途信号多且幅度较大，但也可以看到多途信号的时延扩展没有，几乎都是分开独立存在于信道中的，选择的信道冲击响应的时间长度为1200ms，可以看出在140ms 的时间码片上，出现信道中信号最强的脉冲峰值，而在150ms 到730ms 这一时间段上连续出现了峰值幅度较大的脉冲峰，在其它的时间码片上，信道冲击响应的幅度很低或者没有。

图3 水声信道的冲击响应曲线

线性调频信号是水声中常用的一种信号体制。它占用的频带宽度远大于信息带宽，可以获得很大的系统处理增益。同时由于线性调频信号具有较好的时延分辨力、频率分辨力，较大的多普勒容限，可同时调整距离和速度的测量精度，并且在混响背景中检测信号的能力较强等一些优点，使得线性调频信号在声纳体制中应用十分广泛。线性调频信号的函数为y=exp(1j*pi*k*t.^2)，其中k为线性调频的系数，k=B/T，B为信号的带宽，T为信号的时间宽度。线性调频信号是通过对载波频率进行调制从而增加信号的发射带宽并在接收时实现脉冲压缩，由于线性调频信号具有较高的距离分辨力，当在速度上无法区分多目标时，可以通过增加目标距离测试解决多目标的分辨问题，同时在抗干扰方面，线性调频信号可以在距离上区分干扰和目标，因而可以有效地对抗拖曳式干扰。图4 所示为线性调频信号的时域波形图，图5 所示为线性调频信号的时域离散波形图。从图4和图5可以看出线性调频信号在信号持续时间内，频率成线性增加的趋势。本论文中线性调频信号的采样率为100Hz，时间宽度为5s，带宽为10Hz，线性调频信号时域离散波形的采样间隔为0.05s。

图4 线性调频信号的时域波形图

图5 线性调频信号时域离散波形图

图6 所示为线性调频信号经过水声信道与信道冲击响应作用后的输出信号的波形图。从图中的包络曲线可以很清楚地看到信道冲击响应的作用结果，输出信号的波形结果中信号峰值强度最大的地方与信道的冲击响应曲线的峰值结果对应一致，由于是与线性调频信号卷积的结果，时间上有一些延迟，并且从输出结果来看，输出信号前半部分频率较低，后半部分频率较高，这与线性调频信号的频率持续增加有关系。

图6 线性调频信号经过水声信道后的输出波形图

4 结语

本文以BELLHOP声线模型作为水声信道的传播模型，对水声信号在水声信道中的传播特性做了研究。研究了声线传播损失随深度和距离的变化关系，发现在声源位置处声线的传播损失最小，随着深度和距离的增加，声线的传播损失逐渐增大。研究了海水声速剖面的变化对声线传播的多个特性的影响，结果表明对于声源到海面第一反射点的水平距离，随着海水声速的增加，这一水平距离变量呈现逐渐增大的趋势；随着海水声速的逐渐增大，海底掠射角拐点的值呈现逐渐减小的趋势；随着海水声速的逐渐增大，海底反射损失值呈现逐渐增大的趋势；随着海水声速的逐渐增大，水声信号传播损失随深度变化的平均值呈现先减小后增大的趋势；对于传播损失随距离变化的平均值，随着海水声速的增加，这一值大致呈现逐渐增大的趋势。水声信道的冲击响应曲线比较复杂，多途信号多且幅度较大，但可以看到多途信号的时延扩展没有。线性调频信号经过水声信道后的输出结果充分展现了信道的特性和线性调频信号的特点。