基于GPU的實(shí)時(shí)水聲信道仿真實(shí)現(xiàn)

白敬賢，高天德，夏潤(rùn)鵬，劉 鐳

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072)

基于GPU的實(shí)時(shí)水聲信道仿真實(shí)現(xiàn)

白敬賢，高天德，夏潤(rùn)鵬，劉 鐳

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072)

對(duì)于水下無(wú)人系統(tǒng)跟蹤定位、水聲通信等技術(shù)而言，水聲信道估計(jì)的實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。本文首先簡(jiǎn)要分析了水聲在淺海中的傳播特性及信道模型，包括聲速建模、傳播衰減建模及本征聲線的搜索模型；其次為了滿(mǎn)足水聲信道估計(jì)實(shí)時(shí)性的要求，基于GPU利用OpenCL環(huán)境進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)結(jié)果分析，說(shuō)明了本文對(duì)于水聲信道的建模合理正確，同時(shí)也滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)性這一要求。

水聲信道估計(jì)；本征聲線搜索；實(shí)時(shí)性；GPU；OpenCL

0 引 言

隨著水下探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，水聲信道受到了越來(lái)越多的關(guān)注。由于海水的復(fù)雜性，水聲信號(hào)在傳播過(guò)程中存在多徑效應(yīng)，會(huì)對(duì)水聲信號(hào)造成明顯的衰減和畸變，嚴(yán)重影響水聲信號(hào)的探測(cè)。要消除多徑效應(yīng)的干擾，采取水聲信道均衡、信道匹配[1]等方式實(shí)現(xiàn)水聲通信與水下信號(hào)檢測(cè)，需要了解水聲信道特性并對(duì)其進(jìn)行建模。

隨著水下信道研究的發(fā)展，學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究：高分辨率譜估計(jì)技術(shù)越來(lái)越多的被用于水下信道模型仿真，同時(shí)也出現(xiàn)了許多其他的水聲信道仿真方法[2]，最新的方法包括：非線性最小二乘法[3–5]、最大熵法[6]、最大似然法[7,8]、期望值最大算法[9]、反演濾波法[10]、交替投影法、自相關(guān)算法等。

本文首先簡(jiǎn)要分析了水聲在淺海中的傳播特性及信道模型，包括聲速建模、傳播衰減建模及本征聲線的搜索模型；其次，基于以上理論模型，本文在Matlab平臺(tái)模擬產(chǎn)生了信道沖激響應(yīng)結(jié)果；最后為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，在GPU平臺(tái)上用OpenCL實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信道沖激響應(yīng)的模擬。

1 水聲傳播特性及信道模型分析

水聲信道的特點(diǎn)是環(huán)境噪聲干擾嚴(yán)重、信號(hào)傳播衰減大、隨機(jī)信道等。本文對(duì)水聲信道的模擬主要包括聲速模擬、傳播衰減模擬以及本征聲線搜索模擬3個(gè)方面。

1.1 聲速模型

對(duì)于聲速模型的模擬采用烏德公式：

由式（1）可知，聲速c隨溫度T、鹽度S、壓力P的增加而增加。對(duì)P的求解可以轉(zhuǎn)化為深度的求解，水深下降10 m時(shí)，增加大約一個(gè)大氣壓。溫度T與鹽度S隨緯度變化規(guī)律如圖1所示。

1.2 傳播衰減模型

聲波在海水中的傳播損失主要包括傳播擴(kuò)展損失、介質(zhì)吸收損失和海面海底散射損失。

其中，擴(kuò)展損失公式為：

聲波的傳播形式為平面波時(shí)，n近似取0；聲波的傳播形式為柱面波時(shí)，n近似取1；聲波在淺海傳播時(shí)，n近似取1.5；聲波的傳播形式為球面波時(shí)，n近似取2；r為聲源發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間的距離，m。

吸收損失采用Thorp公式：

式中：a為吸收損失，dB/km；f為工作頻率f，kHz。

散射損失主要為界面衰減，分為海面衰減與海底衰減，海面平均反射系數(shù)為：

式中：f為工作頻率，kHz；H為海浪平均高度，m[11]。

海底反射系數(shù)與入射角及斜率之間的基本特征由三參數(shù)模型來(lái)反映：

式中：θ0為海底反射系數(shù)臨界角；Q為入射角小于臨界角時(shí)，海底反射系數(shù)隨入射角變化的斜率；Vb0為入射角大于臨界角時(shí)海底的反射系數(shù)。

1.3 本征聲線搜索模型

聲場(chǎng)是有聲波存在的彈性媒質(zhì)所占有的空間，通常采用射線來(lái)描述聲波在聲場(chǎng)中的傳播，射線起點(diǎn)為聲源發(fā)射點(diǎn)，按照聲線傳播的曲線到達(dá)接收點(diǎn)，接收點(diǎn)接收到的聲線構(gòu)成了接收點(diǎn)的聲場(chǎng)。本征聲線定義為所有到達(dá)接收點(diǎn)的聲線。由于聲線在海水（非真空）中傳輸，因此相應(yīng)地有一定的時(shí)延和傳播衰減。本文采用Snell折射定律來(lái)計(jì)算水平方向上非均勻海洋環(huán)境的聲場(chǎng)。Snell折射定律為：

掠射角α為聲線傳播方向與水平面的夾角，c為聲線所在深度的海洋聲速。α0和c0為聲線出射處的夾角和聲速對(duì)應(yīng)值。若聲線出射角和聲速隨深度的分布c(z)給出，可以按照式（5）求出海洋中任意深度處聲線傳播方向與水平面的夾角。

根據(jù)Snell定律可導(dǎo)出：

采用聲線跨度法搜索本征聲線[12]：當(dāng)接收點(diǎn)深度大于發(fā)射點(diǎn)深度時(shí)，海洋中本征聲線傳播到接收點(diǎn)時(shí)的路徑可以分為4種基本情況[13]，如圖2所示。

分析1，2，3，4的聲線傳播形式，不難發(fā)現(xiàn)4種聲線傳播形式的排列組合可以表示所有發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的聲線。為了使計(jì)算更簡(jiǎn)潔，定義4種聲線傳播形式的水平傳播距離為子跨度，如圖3所示。

其中，S1表示聲線發(fā)射后第1次到達(dá)聲源發(fā)射點(diǎn)所在深度經(jīng)過(guò)的水平距離，S12表示聲線從聲源發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的水平距離，S2表示聲線從接收點(diǎn)所在深度到接收點(diǎn)的水平距離。S1，S12與S2可由式(9)求得。當(dāng)接收點(diǎn)深度小于發(fā)射點(diǎn)深度時(shí)，可看作是該子跨度形式的逆過(guò)程。

遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，以該過(guò)程為一個(gè)周期，聲線會(huì)經(jīng)歷m個(gè)周期，m表示本征聲線經(jīng)過(guò)的整數(shù)跨度。

因此，本征聲線遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的水平傳播距離可由這4種子跨度及經(jīng)歷過(guò)的周期數(shù)來(lái)表示：

其中，a和b只能取0或1。不同的m與a，b的組合形式表示了不同到達(dá)形式的本征聲線。

圖4畫(huà)出了從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的一個(gè)周期下，全部4種本征聲線的軌跡：

該解組合方程組的方法在計(jì)算上比普通打靶法更加簡(jiǎn)練。角度分辨率是求取本征聲線的關(guān)鍵，若角度分辨率太大，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，本征聲線的搜索會(huì)出現(xiàn)很大偏差；若角度分辨率太小，則搜索速度會(huì)大大降低，對(duì)水聲信道估計(jì)的實(shí)時(shí)性造成很大影響。角度分辨率通常需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求，通過(guò)多次實(shí)際操作來(lái)驗(yàn)證[14]。

2 水聲信道建模仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)條件

基于以上聲速梯度、傳播衰減以及本征聲線搜索這3種理論模型，設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)條件，假設(shè)海洋深度為300m，緯度為北緯30°，聲源發(fā)射點(diǎn)深度為80m，接收點(diǎn)深度為200m，兩者水平距離為3 km。角度搜索范圍為–50°～+50°，聲線數(shù)目為200根，即角度分辨率為 0.5°。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)條件得到模型背景下聲速梯度如圖5所示。

其次，基于此聲速梯度，將傳播衰減與本征聲線搜索模型相關(guān)公式代入，得到的本征聲線結(jié)果如圖6所示，其所對(duì)應(yīng)的時(shí)延-衰減即信道沖激響應(yīng)如圖7所示。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

聲源-目標(biāo)信道時(shí)延-衰減結(jié)果如表1所示。

分析上述仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本文基于聲速梯度以及本征聲線傳播搜索模型成功得到了淺海環(huán)境下聲源與目標(biāo)之間的傳播信道以及相應(yīng)的衰減與時(shí)延信息，理論上驗(yàn)證了算法的正確性。為了滿(mǎn)足工程實(shí)踐要求，本文將移植這種算法至GPU平臺(tái)，以高運(yùn)算速度滿(mǎn)足工程實(shí)時(shí)性需求。

3 水聲信道估計(jì)實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)

3.1 OpenCL簡(jiǎn)介

隨著體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)演進(jìn)，計(jì)算機(jī)處理器晶體管數(shù)目不斷增加，增長(zhǎng)的晶體管數(shù)目驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)向“異構(gòu)系統(tǒng)”演進(jìn)。軟件依靠硬件性能，尤其是主頻提升而獲得性能提升，這種“免費(fèi)午餐”已經(jīng)結(jié)束。在新的異構(gòu)計(jì)算時(shí)代，程序員需要轉(zhuǎn)變思維，擁抱新的編程模式。

表1 聲源-目標(biāo)信道時(shí)延-衰減結(jié)果Tab.1 Sound source-target channel delay-attenuation result

異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)是將一系列擁有不同指令集的機(jī)算單元整合在一起，共同工作執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用程序的系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的一個(gè)異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)就是CPU+GPU，GPU面向大量并行化數(shù)據(jù)的運(yùn)算，計(jì)算能力可以達(dá)到CPU的幾百倍。OpenCL是一個(gè)異構(gòu)平臺(tái)下編寫(xiě)程序的編程環(huán)境[15]。

本文采用的異構(gòu)平臺(tái)是CPU+GPU，由一個(gè)主機(jī)連接一個(gè)GPU設(shè)備構(gòu)成。GPU型號(hào)為nV IDIA GeForce GTX 560，顯存頻率為 4 008MHz。其中，主機(jī)程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，負(fù)責(zé)管理內(nèi)核程序在GPU設(shè)備上的運(yùn)行，即GPU的資源分配。內(nèi)核程序用OpenCL C語(yǔ)言編寫(xiě)，負(fù)責(zé)大量循環(huán)運(yùn)算，實(shí)時(shí)計(jì)算出水聲信道沖激響應(yīng)。

3.2 結(jié)果分析

不同平臺(tái)上信道模擬用時(shí)對(duì)比（每次運(yùn)行時(shí)間可能與處理器所處狀態(tài)有關(guān)，應(yīng)控制不同平臺(tái)進(jìn)行信道模擬時(shí)處理器狀態(tài)相同并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)求運(yùn)行時(shí)間均值）：

其中，實(shí)驗(yàn)1角度搜索范圍為–50°～+50°，聲線數(shù)目為200根，即角度分辨率為0.5°。實(shí)驗(yàn)2角度搜索范圍為–50°～+50°，聲線數(shù)目為1 000根，即角度分辨率為0.1°。由結(jié)果可以看出，角度分辨率為0.5°時(shí)使用GPU編程滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)模擬信道沖激響應(yīng)的要求，可以根據(jù)信道沖激響應(yīng)進(jìn)行信道均衡與信道匹配，消除信道干擾，檢測(cè)出聲源信號(hào)。

表2 不同平臺(tái)上信道模擬用時(shí)對(duì)比Tab.2 Time comparison of channel simulation on different platforms

4 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要分析了水聲在淺海中的傳播特性及信道模型，包括聲速建模、傳播衰減建模及本征聲線的搜索模型?；谝陨夏Ｐ停M了淺海條件下信道的沖激響應(yīng)，通過(guò)仿真驗(yàn)證，證實(shí)了模型算法的正確性，其次實(shí)現(xiàn)了GPU平臺(tái)下的算法移植，利用其高速運(yùn)算特性實(shí)現(xiàn)了水聲信道估計(jì)的實(shí)時(shí)性這一要求，滿(mǎn)足了工程實(shí)踐需求，對(duì)于信道均衡、水下目標(biāo)模擬、水下目標(biāo)檢測(cè)、水下目標(biāo)跟蹤定位、水下通信等水下無(wú)人系統(tǒng)仿真與通信技術(shù)等研究方向均有重要作用。

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Realization of real-time underwater acoustic channel based on GPU

BAIJing-xian,GAO Tian-de,XIA Run-peng,LIU Lei
(School of Marine Science and Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China)

The real-time performance of underwater acoustic channel estimation is very important for target tracking and positioning,underwater acoustic communication and other technologies.Firstly,this paper analyzes the propagation characteristics and models of underwater acoustic in shallow sea.Including sound velocity modeling,propagation decay modeling and the search model of the eccentric line.Secondly,this paper is based on the GPU and uses the OpenCL environment to realize the simulation.From the analysis of the results,it is proved that the modeling of the underwater eccentric line is reasonable and correct.At the same time,it fulfill the requirement of the real-time performance.

underwater acoustic channel estimation；intrinsic voice search；real-time；GPU；OpenCL

TN911.7

A

1672–7649(2017)12–0100–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.021

2017–06–21；

2017–08–03

白敬賢(1994–)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。