现代水声通信第二讲

第二章水声信道特性信息载体--声波;多径传播--复杂;系统带宽--有限;环境噪声--很高;传输衰减--很大;n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0；n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件；

n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播

，TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正；n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr；2.1距离、带宽和信噪比Thorp给出的简单而有效的吸收系数与频率之间的经验公式为

2.1.1传播损失声波在声场中的平均传播损失可表示为2.1距离、带宽和信噪比2.1.1传播损失吸收系数与频率的关系2.1距离、带宽和信噪比2.1.2海洋环境噪声

海洋环境噪声文兹谱级图2.1距离、带宽和信噪比2.1.2海洋环境噪声

文献表明：在1kHz到10kHz频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上在40dB到70dB(参考声压级为1PaHz)之间，3级海况时深海的环境噪声谱级在50dB到70dB之间，并且随着频率的降低环境噪声随之增大，1kHz以下的环境噪声谱级均在70dB以上，因此传输信号使用的载波频率的下限取1kHz。无论是深海还是浅海，海洋环境噪声的功率谱密度均被认为是以频率20dB/decade在下降。

2.1距离、带宽和信噪比2.1.2海洋环境噪声

海洋中的噪声为高斯分布的连续谱，其声压的瞬时值的概率密度为2002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境噪声试验，其10秒钟采样率为12KHz的噪声数据，分析结果如右图所示，横轴是电压，纵轴是在相应电压上噪声出现的次数。分析结果表明，海洋环境噪声服从正态(高斯)分布。2.1距离、带宽和信噪比2.1.3水声信道的通信距离和带宽

扩展损失只与距离有关，而吸收损失不但与距离有关而且还与频率有关，因此可用带宽有限。由传播损失和频率的关系、噪声和频率的关系可得3级海况下，发射声源级190dB，频率为1～10kHz，距离为10～100km时，接收端传播距离、带宽信噪比的关系如下图

2.1距离、带宽和信噪比2.1.3水声信道的通信距离和带宽接收端传播距离、带宽信噪比的关系图2.1距离、带宽和信噪比2.1.3水声信道的通信距离和带宽很明显一定传播距离时，这种关系影响了水声通信系统距离与载波频率及带宽的选择。

通信距离在10～100km的为远程水声通信，带宽只有几kHz（1000km距离的水声通信，通信带宽只有1Hz）；通信距离为1～10km的为中距离的水声通，带宽在10kHz数量级；通信距离在1km以内的为短距离水声通信，其带宽超过10kHz，若通信距离在100m以内时，通信的带宽可在100kHz以上。2.2多径传播及空变特性水声通信中多径信号产生示意图2.2.1多径传播2.2多径传播及空变特性2002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境多径试验，多径检测信号为6s的线性调频（LFM）信号。将接收到的信号做拷贝相关，80km的多径检测结果如图所示。从图中可看出80km的多径信息主要集中于40ms以内，而300～400ms仍有多径信号但其能量均较弱可忽略。

海洋环境多径时延

2.2.1多径传播2.2多径传播及空变特性

实际上海洋中多径更多地来自大幅度起伏不平的海底山峦，由于它不受距离的限制，因此多径效应引起信号的时间扩展，在浅海中距离信道，多径扩展一般为10ms，有时可达几百毫秒，而在深海信道的多途扩展为几十微秒到几秒量级，且距离越远，多径扩展时间越长2.2.1多径传播2.2多径传播及空变特性实际海洋温度一般是水平分层（三层）均匀的分布形式，由于折射和界面反射，海洋声信道大都呈现波导效应。海洋深度、发射接收端的深度，都对多径时延的长短有影响，因此其多径特性随发射、接收点空间位置的不同而变化，即水声信道是空变的。深海典型声速抛面图2.2.1空变特性2.2多径传播及空变特性

在深海1000m，信号频率1.7kHz，距离100km，发射深度104m，接收深度305m时，各条传播路径的传播损失及传播时间如表2－1所示。表中所取的声线为主要本征声线，即其传播损失与最小传播损失相比，不大于30dB的声线。从表中可以看到，声线中最长的传播时间为68.25s，最短的传播时间为67.38s，相差0.87s。路径12345678传播损失TL(dB)133.1133.0133.1133.0133.1133.1133.1133.1传播时间t(s)67.567.667.567.767.567.567.567.5路径910111213141516传播损失TL(dB)133.1133.1133.1133.1133.1133.1133.0133.0传播时间t(s)67.567.567.567.567.667.667.667.6路径1718192021传播损失TL(dB)131.9132.5130.6132.3133.7传播时间t(s)67.467.667.567.768.2表2－1深海条件下发射深度104m接收深度为305m时的传播路径2.2多径传播及空变特性保持其它条件不变，将接收深度改为120m时，各传播路径的传播损失及传播时间如表2－2所示。对比表2－1、表2－2说明接收深度及海洋环境对多径特性的影响很大。表2－2深海条件下发射深度104m接收深度120m时的传播路径路径123传播损失TL(dB)126.2358134.2151132.3572传播时间t(s)67.501068.439867.67372.挤3多普枣勒效拍应及珠时变晒特性若发歉射机掉与接歼收机剖之间浆的径冰向运眯动速页度为vr，在t=披0时刻例，收倚发之绢间的溜距离数为L如图(a逐)所示允，信磨号前来沿到貌达接炕收端厨的时窑间为t1，则晒在t1时间罪内接兰收端或向发鲜射端植靠近丑了vrt1,当信参号的懂后沿忆到达拥接收腥端时散，接惩收端布又向虎发射民端靠蹄近了，2.缺3多普端勒效柜应及介时变贼特性若发令射信幕号的察持续危时间巨为T，则段接收烂信号须的持棋续时缩慧间为当有炭传播爹延迟时攻，接狐收信讨号可熄表示闹为2.先3.检1多普妨勒效秧应若发库射信扛号可赛表示违为2.驱3多普特勒效粒应及姥时变婶特性不考慌虑传茂播延仗迟时拜，接春收信腿号可欢表示汗为其中甜多普营勒因事子2.净3.县1多普缩慧勒效浅应2.粮3多普丧勒效钥应及蔬时变振特性满足熔或多普舌勒效警应可霜视为柳简单南的载腾波偏均移多普闸勒频情移2.貌3.券1多普做勒效幕应2.锄3多普包勒效卖应及护时变晓特性水声虽信道烫的时本变特锯性包街括两奏个方殊面：培一个弄是水臣声信过道本梯身固宴有的予特性的；另疼一个拨是收掉发间孕的相储对运狭动引棋起。水声坦信道吨本身梯固有夺的时效变特姐性由变两个良方面蛮引起葱：一种主是水会流引拨起声企速梯岔度的善变化材，使嗽得声昼传播狠的方沉向发蜂生变淋化；另一秧种是桂海面杜的波当动，做使得醉声波迹发生尘色散赠；2.办3.揭2时变浑特性2.隔3多普蚊勒效票应及秩时变抄特性海洋良表面症波浪膏引起郊反射献点的金移动屡，从糟而造莲成声叼波的翻多普票勒扩摸展。乖反射跃波为裤零均拘值高性斯分泽布的牌随机暗过程厘，功忽率谱政与风惠速有土关。遇当载蚕波频麻率为f，入队射角兼为θ，风翻速为w时，撤一次存海面址反射虏引起稼的多割普勒英扩展出为当通寨信距倒离远异远大石于深恶度时湖，篮，尿不同胖风速疑，不角同载那波频抽率条爱件下蠢的多者普勒崖扩展松如图甘所示2.巨3.浴2时变接特性2.壤3多普给勒效彻应及搅时变浩特性时不叠同风龄速、森不同呜载波米频率讽条件谣下的屈多普路勒扩荣展2.给3.涉2时变士特性2.载3多普识勒效范应及蚁时变高特性20纪05年1月30日在怒云南椒抚仙醒湖进影行的鸽水声特时变廉特性猜试验互，估遍计风鞠速3m零/s，实庭验区红域水捐深40～10页0m，不询存在肠明显点的温驱跃层订，声闹速呈士现微政弱负迟梯度勤，发应射换与能器悉布放赶深度蚀为6m，接箭收换惑能器偶布放甘深度冶为22权m，收踪蝶发端鞭距离25莲km，接洗收船签抛锚目，发劫射船琴停机饥，收冈发之臂间有坐轻微桐的移双动。骡发射级持续唤时间受为4s，频踏率分众别8k航Hz、5k画Hz、2k劈燕Hz、1.还8k律Hz的单以频信倚号，事取频戒率精喇度为0.考25码Hz进行啦分析躁，结尤果如屑图2－8所示闹，其炭频率愁扩展另分别联为1.瞒25当Hz、0.耽75友Hz、0.毯5H洽z、0.遣25演Hz，与涉理论址分析荡结果祸一致交。2.陈3.帅2时变蜓特性2.赢3多普河勒效雄应及醒时变拼特性a尾80链00蜘Hz的频哀率偏裕移约秒为1.螺25拳Hz侮b李50形00柔Hz的频拜率偏养移约长为0.抄75忙Hz2.偶3.肿2时变叹特性2.圆3多普盼勒效景应及查时变奔特性水声晒信道很脉冲维响应兼时变惧图2.争3.狸2时变史特性2.罪3多普华勒效躺应及躺时变财特性2.出3.冰2时变劲特性2.借3多普携勒效货应及疲时变贫特性2.禾3.块2时变脸特性2.午3多普河勒效言应及尸时变赢特性2.置3.版2时变欢特性若发掘射信齐号为无运劲动时类接收滨信号有运舅动时牙接收缴信号2.礼3多普坏勒效静应及蛮时变替特性2.股3.乔2时变哄特性2.位3多普享勒效森应及惑时变热特性2.疼3.治2时变板特性2.壤4水声块信道肢的模旧型2.户4.旋1水声拍信道懂的统漠计特颗性水声报信道狸为时钓变、丢空变壤、扩诵展衰益落的绸信道默，且史这种由时变死空变能特性春对于炒用户芳来说江是无编法预锻知的猎，是屯一个坑二维融的随艘机过蜡程，战应当羞用二语维概固率密木度函掀数表友征其干统计真特性若发孝送信倚号为接收易信号启为表示殊时变技时延浩扩展改信道t时刻赞的冲悼激响连应2.亭4.左1水声鸡信道莫的统栏计特盯性信道驴的时张间（元多径遥）扩瞒展及冬相干旱带宽假设是广著义平板稳的塞（WS涛S），殃则的自煌相关榆函数果为在海边洋传放输介膏质中鹿，同煮路径丝式延时相关润联的沟信道盲衰减绍和相绿移与各路径渡时延相关休联的确信道栽衰减号和相翼移是扭不相框关的护，这睁叫做旺非相寇关散柳射（US）水声曾信道疤是广义以平稳恐非相城关散倍射（WS但SU婆S）令称为圆多径酿强度俯分布碑。不为羽零的Tm的理医论值材很难级得到讲，通唱常使警用实绒测值陆。信道礼的时撞间扩兄展Tm：值范转围就格是信霸道的匠时间秩扩展Tm2.虑4.崇1水声咸信道赞的统哲计特观性信道昌的时栽间（您多径腔）扩筹展及脖相干欲带宽信道凳的时能间扩飞展与梁相干指带宽南的关愉系：相干宣带宽：衣基洒本不烫为零跑的宽斯度被帆称为碗信道凝的相冶干带译宽。以两萝经传法输的驴例子垂来分苏析海抓洋多演径信谣道中捐的时帽间扩狂展与野相干肝带宽盏的关先系。清假设饿到达筝接收烦点的辣两路钩信号耍具有矮相同第的幅霉度和猜一个直相对夸的时育延差T。频赞率特佣性将固依赖晚于2.菌4.内1水声今信道蓝的统烛计特务性信道籍的频宜率（气多普旺勒）焰扩展蔽和相绘干时碎间其自妹相关闻函数耻为令△f＝0，得威到信鸦道的海多普该勒功扁率谱信道误的多学普勒朴扩展Bd：不为伞零的范围丽称作渔信道顷的多耗普勒陈扩展信道代的相改干时归间：为信确道冲曾击响遣应维摄持不紧变的浮时间包间隔裂的统优计平嫩均值蝇，踢一般体都要砖求符露号周尺期2.同4.蛙1水声册信道疯的统宣计特壁性信道垫的衰胁落特污性信号薪经历刺了慢掀衰落紧，否病则为组快衰清落信号分经历重了频泪率选描择性文衰落云，否紧则为立非频航率选丈择性旷衰落a时域蚕：信粒号的看符号猎周期b频域桐：信塌号的扑基带彩带宽图2-朵9信号吸经历洪的衰勺落类莫型和窗信道悼参数绒之间使的关慨系2.推4.羊1水声亏信道检的统粘计特堡性最佳向符号始周期T的选腿择一方祝面要沉求符盾号周嫌期遗，以紫克服惨时间蚕选择菊性衰自落对格信号嘱的影降响，闭即要鲜求信搂号经抽历慢洒衰落掌，另剪一方尘面又神要求琴，以型克服注频率饼选择苏性衰厚落的负影响握和减耳少码裤元间疯的相竖互干印扰，遮因此兔需要月综合恩考虑吼这两蕉种要盲求。理论担上可据以证宴明，最佳裕的符婶号周完期：2.样4.允2水声知信道翠模型20摩05年在催云南读抚仙冤湖进晒行试恭验中注，频率分别8k饰Hz、5k吗Hz、2k阀Hz、1.