基于簡正波的水聲通信接收器置放規(guī)則分析

林 琳

(大連艦艇學(xué)院 遼寧 大連 116000)

基于簡正波的水聲通信接收器置放規(guī)則分析

林 琳

(大連艦艇學(xué)院 遼寧 大連 116000)

目前，隨著海洋的開發(fā)和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用要求，人們越發(fā)重視對水下通信系統(tǒng)的研究。遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)水中遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ环椒╗2]。

水聲信道具有通信帶寬極其有限、多途效應(yīng)嚴(yán)重、噪聲水平高等特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)高速通信時，有限的信道帶寬和信號的多途傳輸會引起嚴(yán)重的碼間干擾，造成接收數(shù)據(jù)的嚴(yán)重誤碼，降低通信的有效性和可靠性，從而產(chǎn)生傳播損失。水聲信道遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如電磁波的介質(zhì)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(yuǎn)距離傳輸?shù)乃曅盘栴l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(guān)，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(biāo)準(zhǔn)，對水聲通信接收器的置放規(guī)則進(jìn)行分析。首先，建立簡正波模型，計(jì)算傳播損失。其次，改變接收器的位置，分別對固定海洋環(huán)境、變海底參數(shù)、變海深、變聲速剖面這幾種情況進(jìn)行傳播損失的仿真。然后，從仿真結(jié)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(jié)論，進(jìn)而在應(yīng)用中通過合理放置水聲通信接收器來實(shí)現(xiàn)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(huán)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(shù)。海水對聲波的吸收與頻率有關(guān)。頻率越高，聲波的衰減越大。反之，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shù)，計(jì)算不同頻率的聲波在典型海洋環(huán)境中的傳播，獲得聲源到達(dá)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(guī)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(huán)境示意圖。圖中給出了海洋聲速剖面，呈負(fù)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(nèi)，1100海深的各點(diǎn)處傳播損失圖。傳播損失越大，說明到達(dá)接收點(diǎn)處的聲強(qiáng)越小，而傳播損失越小，說明更容易實(shí)現(xiàn)水下通信。

從圖2中可以看出水下信息傳輸?shù)囊欢ㄒ?guī)律，聲源發(fā)出的信號，經(jīng)水下信息傳輸后，會經(jīng)海底和海面的反射和折射，從而在水下形成匯聚區(qū)和聲影區(qū)。并且，對比兩種頻率下的傳播損失圖可以可出結(jié)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(shè)定一定接收端傳播損失閾值的情況下，計(jì)算各深度小于該傳播損失的閾值，即可大致估計(jì)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(jié)果。

從圖3中的效果可知，當(dāng)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(yuǎn)，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?；旧鲜菧\海大陸架。聲速剖面圖隨季節(jié)變化更大。一般在冬天是等溫層，而到夏天會出現(xiàn)明顯的負(fù)梯度或負(fù)躍層。

南海典型海洋環(huán)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(nèi)范圍，產(chǎn)生表面聲道?，F(xiàn)檢驗(yàn)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(jié)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(diǎn)。通過波動方程及簡正波計(jì)算聲源到達(dá)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?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。得出結(jié)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(guī)則的變化，兩波峰的距離約為11.5km；

(4)對比表面聲道和負(fù)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(wǎng)絡(luò)仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009，5：34-38.

[2] 賈寧，黃建純.水聲通信技術(shù)綜述[J].物理，2014，10

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