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.僚2多径势传播斜及空立变特贿性水声喘通信搏中多秋径信键号产昆生示薯意图2.温2.乐1多径茅传播2.调2多径齿传播师及空求变特惭性20杏02年4月，列在海府南三汁亚南档海海狭域进逝行的披海洋靠环境劫多径阿试验副，多竿径检刑测信序号为6s的线得性调光频（LF些M）信济号。崇将接芽收到晓的信妈号做驰拷贝磁相关陡，80卫km的多回径检抚测结歪果如丹图所监示。册从图积中可拖看出80贩km的多赢径信假息主协要集黄中于40貌ms以内语，而30棉0～40唉0m甜s仍有锤多径恰信号估但其摄能量柱均较临弱可器忽略么。海洋充环境奴多径嚼时延2.瓣2.惕1多径俭传播2.银2多径弃传播耗及空纤变特酸性实际水上海慨洋中蜜多径芽更多俯地来蛛自大肤幅度龟起伏翻不平广的海顽底山淘峦，泉由于良它不粮受距介离的恭限制趴，因碗此多息径效责应引努起信早号的恩时间启扩展充，在疑浅海狂中距胃离信哀道，多径羊扩展雄一般痛为10拆ms，有时饺可达奖几百犬毫秒磁，而绵在深海侧信道隶的多敬途扩爽展为棋几十投微秒群到几注秒量视级，且距扣离越曾远，精多径蛋扩展壁时间策越长2.孩2.白1多径铃传播2.蜂2多径线传播戚及空黑变特晚性实际本海洋场温度灾一般怪是水壁平分万层（蜻三层授）均饶匀的玻分布取形式状，由格于折咳射和增界面龙反射直，海招洋声祖信道确大都滥呈现件波导著效应溜。海仔洋深芒度、愧发射掘接收掠端的容深度堆，都宋对多馒径时铁延的爬长短截有影命响，夹因此按其多营径特锡性随专发射嘉、接兰收点择空间良位置休的不差同而番变化后，即晓水声向信道介是空姨变的耀。深海杨典型悲声速膛抛面制图2.煎2.目1空变脑特性2.筑2多径肢传播佛及空虹变特铃性在深鞠海10孕00缎m，信云号频烤率1.弹7k梁Hz，距郑离10溉0k挺m，发慎射深跳度10止4m，接湾收深瞎度30愈5m时，尿各条带传播净路径侍的传查播损宗失及武传播闸时间维如表2－1所示旷。表录中所竞取的误声线贸为主稼要本巴征声纪线，丝式即其肺传播攻损失烧与最滋小传搬播损垮失相啊比，榨不大疑于30维dB的声麦线。芹从表刺中可喘以看寸到，考声线秃中最查长的疯传播旺时间贼为68唐.2豆5s，最仪短的姻传播黎时间射为67赖.3市8s，相脚差0.映87慌s。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深海谜条件邻下发爹射深含度10注4m接收极深度钳为30青5m时的公传播流路径2.全2多径嫩传播糕及空碍变特给性保持残其它烟条件羊不变术，将轨接收轮深度舌改为12厦0m时，鼻各传肿播路寒径的杜传播含损失劣及传贴播时绍间如填表2－2所示为。对治比表2－1、表2－2说明终接收叙深度拜及海右洋环阻境对巩多径询特性乡丰的影痕响很浴大。表2－2深海新条件雹下发卸射深穿度10华4m接收减深度12歌0m时的箭传播虚路径路径123传播损失TL(dB)126.2358134.2151132.3572传播时间t(s)67.501068.439867.67372.日3多普恩勒效闪应及胆时变白特性若发元射机异与接戴收机搬之间秘的径钉向运翼动速雷度为vr，在t=阀0时刻亏，收券发之袄间的松距离责为L如图(a迎)所示软，信垂号前购沿到晨达接矮收端巨的时害间为t1，则套在t1时间骨内接困收端驱向发跟射端车靠近误了vrt1,当信发号的吩后沿嗽到达干接收窃端时扭，接傍收端江又向及发射彼端靠踪蝶近了，2.总3多普宣勒效吉应及席时变挎特性若发吴射信联号的仅持续汪时间腾为T，则定接收士信号与的持财续时布间为当有烈传播善延迟时油，接秩收信司号可攀表示纹为2.父3.姥1多普挣勒效寺应若发队射信赶号可幅表示赛为2.互3多普杯勒效猴应及吉时变蜂特性不考孔虑传艺播延太迟时膝，接唯收信谜号可揭表示弯为其中希多普资勒因虹子2.李3.服1多普宴勒效宋应2.碰3多普傲勒效虫应及骆时变黄特性满足轧或多普坑勒效求应可展视为亮简单脱的载胶波偏尝移多普俘勒频获移2.翠3.做1多普要勒效唇应2.胃3多普方勒效乒应及赵时变妈特性水声捎信道贼的时娃变特跃性包魂括两畏个方助面：愚一个韵是水假声信托道本艰身固割有的廉特性阻；另回一个恒是收催发间协的相嘱对运访动引爬起。水声止信道竖本身寻固有菊的时信变特衫性由卸两个偶方面俱引起团：一种平是水蒜流引扯起声锤速梯野度的根变化搭，使怀得声摊传播胁的方卡向发瓦生变啊化；另一沟种是仍海面咬的波徐动，把使得愤声波共发生韵色散睬；2.颤3.兽2时变卸特性2.汤3多普肚勒效升应及扯时变悬特性海洋迫表面饶波浪视引起千反射尚点的驱移动抖，从货而造豆成声恒波的狮多普赶勒扩载展。园反射秤波为慰零均棒值高污斯分驻布的展随机回过程深，功临率谱浑与风晴速有械关。集当载案波频过率为f，入些射角失为θ，风惯速为w时，套一次消海面勉反射龙引起鼻的多碰普勒骗扩展助为当通批信距颂离远资远大陶于深失度时贿，你，紧不同休风速隐，不锈同载稠波频谜率条毯件下陆的多恨普勒离扩展励如图僚所示2.段3.注2时变垦特性2.界3多普齐勒效曲应及夸时变欠特性时不犬同风您速、滔不同脖载波愚频率锋条件捞下的卷多普顷勒扩震展2.蜻3.肉2时变荐特性2.羽3多普泛勒效的应及顿时变镜特性20样05年1月30日在伤云南句抚仙袭湖进孔行的俱水声棒时变践特性跟试验仓，估完计风易速3m伪/s，实料验区男域水镜深40～10不0m，不奥存在怖明显津的温水跃层把，声醉速呈铅现微唇弱负得梯度丘，发开射换筹能器课布放旦深度欠为6m，接世收换速能器必布放千深度鞋为22套m，收逆发端腊距离25吵km，接尊收船酒抛锚催，发洋射船旁停机议，收来发之柿间有女轻微妖的移朋动。屑发射蛛持续狐时间绣为4s，频核率分重别8k厉Hz、5k鲁Hz、2k资Hz、1.追8k模Hz的单州频信颈号，娘取频飘率精温度为0.榴25木Hz进行赖分析园，结抓果如顽图2－8所示视，其羡频率怀扩展臣分别葛为1.愈25坚Hz、0.瓣75龙Hz、0.剃5H炉z、0.宅25犬Hz，与快理论诞分析毅结果由一致淡。2.椅3.液2时变抬特性2.可3多普香勒效辽应及扑时变笛特性a团80乡丰00励Hz的频罪率偏屯移约厚为1.忙25狱Hz讽b图50悼00树Hz的频施率偏察移约邀为0.皱75臭Hz2.纲3.对2时变渔特性2.缴3多普仆勒效柳应及锣时变肥特性水声劝信道挖脉冲彻响应嫂时变能图2.咏3.伍2时变悲特性2.迹3多普洽勒效生应及裤时变深特性2.妨3.庄2时变要特性2.范3多普临勒效窃应及塞时变薄特性2.体3.争2时变株特性2.俘3多普醋勒效衬应及猫时变棍特性2.副3.蓝2时变孩特性若发舍射信纺号为无运猜动时秀接收柔信号有运屯动时恨接收柴信号2.培3多普顺勒效廊应及残时变子特性2.记3.歼2时变胞特性2.杰3多普辰勒效夏应及旷时变根特性2.栗3.衫2时变魂特性2.涂4水声动信道运的模艰型2.茧4.广1水声却信道庭的统构计特但性水声委信道练为时得变、馋空变升、扩餐展衰胶落的艇信道牲，且笼这种芽时变傲空变站特性屈对于润用户女来说侧是无杯法预慨知的蚁，是妻一个畜二维疏的随绞机过毁程，含应当撒用二妻维概螺率密版度函粮数表须征其嘉统计跳特性若发赛送信疫号为接收失信号势为表示形时变斑时延颤扩展茫信道t时刻案的冲垦激响哪应2.拌4.席1水声漠信道棍的统指计特谜性信道呜的时不间（蠢多径勇）扩稼展及器相干疼带宽假设是广端义平奔稳的役（WS粱S），妄则的自量相关泼函数束为在海交洋传公输介催质中狱，同掏路径删延时相关两联的梅信道牧衰减袭和相监移与闭路径腹时延相关决联的委信道精衰减诸和相歇移是狂不相贞关的显，这流叫做怒非相鹅关散嫩射（US）水声战信道哈是广义放平稳踪蝶非相降关散埋射（WS目SU被S）令称为纽奉多径掩强度右分布鉴。不为哪零的Tm的理孟论值侮很难筐得到世，通话常使芝用实观测值渠。信道郊的时段间扩栏展Tm：值范狸围就蛛是信聚道的本时间葬扩展Tm2.铲4.膨1水声散信道聪的统印计特卷性信道波的时磨间（母多径拐）扩酸展及房诚相干示带宽信道弦的时划间扩糠展与糊相干描带宽序的关征系：相干悲带宽：汉基壤本不役为零摄的宽萍度被闭称为膜信道甚的相爸干带掀宽。以两览经传恐输的毫例子姿来分监析海蕉洋多留径信酸道中奋的时搏间扩孩展与箩相干另带宽递的关寄系。弟假设县到达翼接收滩点的凝两路尤信号耗具有闷相同掏的幅叉度和北一个卷相对盾的时爸延差T。频商率特拳性将仁依赖基于2.毫4.铁1水声俩信道匀的统队计特寸性信道耻的频堤率（淋多普业勒）她扩展乖和相祸干时馋间其自错相关有函数印为令△f＝0，得功到信去道的本多普田勒功婚率谱信道估的多绕普勒在扩展Bd：不为右零的范围着称作她信道城的多铺普勒额扩展信道菜的相舒干时贸间：为信净道冲姻击响术应维撤持不验变的嗓时间请间隔性的统芦计平伞均值虑，伴一般塘都要妙求符其号周顺期2.扒4.择1水声铃信道功的统卵计特放性信道住的衰灯落特悄性信号惕经历酬了慢份衰落坊，否广则为维快衰刃落信号蜓经历耕了频或率选蓬择性晨衰落威，否舍则为浩非频足率选抹择性英衰落a时域驻：信鞠号的灵符号起周期b频域京：信藏号的璃基带箩带宽图2-起9信号食经历步的衰痒落类督型和谎信道秧参数耗之间面的关须系2.宗4.支1水声阳信道示的统抗计特幼性最佳围符号顾周期T的选亿择一方摘面要扬求符剑号周爪期注，以赤克服叔时间鞭选择碍性衰悼落对浑信号董的影衬响，陡即要是求信我号经趣历慢伯衰落滚，另颈一方运面又拐要求傲，以估克服键频率拢选择色性衰完落的篇影响拢和减匀少码唱元间检的相始互干咬扰，此因此待需要垮综合烧考虑齐这两次种要板求。理论勇上可夹以证寺明，最佳佣的符品号周克期