林 琳

(大连舰艇学院 辽宁 大连 116000)

基于简正波的水声通信接收器置放规则分析

林 琳

(大连舰艇学院 辽宁 大连 116000)

目前，随着海洋的开发和军事领域的应用要求，人们越发重视对水下通信系统的研究。远程通信常使用的无线电波因海水吸收作用，在海洋中的传播距离有限[1]，水声通信是目前实现水中远距离数据传输的唯一方法[2]。

水声信道具有通信带宽极其有限、多途效应严重、噪声水平高等特点，在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码，降低通信的有效性和可靠性，从而产生传播损失。水声信道远远不如电磁波的介质大气或真空那样，允许非常多的信号通道，水声通信可以利用的频率范围非常窄，水下远距离传输的水声信号频率通常在10kHz以下，如果放宽要求，水声通信可以用的频率也不超过50kHz。声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的含盐度、温度、密度、深度、距离等的影响。为了减小这些因素对水声通信的影响，本文以传播损失(TL)为衡量标准，对水声通信接收器的置放规则进行分析。首先，建立简正波模型，计算传播损失。其次，改变接收器的位置，分别对固定海洋环境、变海底参数、变海深、变声速剖面这几种情况进行传播损失的仿真。然后，从仿真结果中提取小于某固定阈值的概率生成概率曲线，通过分析图像得出结论，进而在应用中通过合理放置水声通信接收器来实现对传播损失的控制。

1 基于简正波的声传播与分析

第一 固定海洋环境下的声传播仿真分析

基于水声的水下信息传输，主要指的是以水声传输方式的海洋中信息传播技术。海水对声波的吸收与频率有关。频率越高，声波的衰减越大。反之，要实现远距离水下信息传输，唯一可行的方式就是使用低频、甚低频信号。以下利用简正波技术，计算不同频率的声波在典型海洋环境中的传播，获得声源到达各深度和距离的传播损失，并以此获得接收端的最佳布放规则。

图1是声源深度为200m，海底密度为1.8g/cm3、P波衰减为0.8情况下的海洋环境示意图。图中给出了海洋声速剖面，呈负梯度分布，海水深度1100m。

图2给出了声源频率为500Hz和1000Hz时，声源深度为200m的50km范围内，1100海深的各点处传播损失图。传播损失越大，说明到达接收点处的声强越小，而传播损失越小，说明更容易实现水下通信。

从图2中可以看出水下信息传输的一定规律，声源发出的信号，经水下信息传输后，会经海底和海面的反射和折射，从而在水下形成汇聚区和声影区。并且，对比两种频率下的传播损失图可以可出结论：低频更适宜水下通信。

由于水下信息传输过程中，接收端的信噪比将影响信息传输误码率和传输率，而传播损失与接收信噪比成反比。因此，在设定一定接收端传播损失阈值的情况下，计算各深度小于该传播损失的阈值，即可大致估计声源固定情况下，接受传感器位于水下各深度的效果。

图3给出了声源位于水下50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m时，接受传感器位于水下0～1100m时的传播损失小于70dB的概率，图中给出了声源频率为500Hz和1000Hz的仿真结果。

从图3中的效果可知，当声源与接收端位于同一水下深度时，对于单频信号通信效果最好，此时的通信距离最远，误码率最低。

第二 变声速剖面情况下的声传播仿真分析

我国近海基本上是浅海大陆架。声速剖面图随季节变化更大。一般在冬天是等温层，而到夏天会出现明显的负梯度或负跃层。

南海典型海洋环境条件下，声速剖面在海表面100m以下几乎保持不变，受影响最多的是海表面至水下50m以内范围，产生表面声道。现检验表面声道条件下，对传播损失的影响。

第三 声波在水下信息传播的结论

本文针对声波在水下的信息传输，研究了水声信道模型及其基本特点。通过波动方程及简正波计算声源到达水下各处的传播损失，并基于传播损失小于某阈值的概率作为水下信息有效传输的标准。得出结论如下：

(1)声源和接收端位于同一海深时，传播损失小于某固定阈值的概率较大；

(2)随频率的增高，传播损失增大，且传播损失小于某固定阈值的概率整体下移。因此，低频更适宜于水下信息传输；

(3)在声源、接收端位于相同或相近海深时，传播损失随距离呈有规则的变化，两波峰的距离约为11.5km；

(4)对比表面声道和负梯度声道，可以看出，声速剖面是影响水下信息传输传播损失分布的最主要因素。

[1] 朱长宝.水声通信网络仿真软件的设计与实现[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2009，5：34-38.

[2] 贾宁，黄建纯.水声通信技术综述[J].物理，2014，10

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