[发明专利]一种适用于深海信道的多载波水声通信方法

权利要求书

1.一种适用于深海信道的多载波水声通信方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：海洋分为表面等温层，温跃层和深海等温层，表面等温层和深海等温层为正声速梯度水层，温跃层为负声速梯度水层，其中，表面等温层为海洋中0～100米的深度，温跃层为100-300米的深度，深海等温层为300米以下的深度，取海深为H，其中声源置于深度h，随着海深H的变化，在声道轴的上下方分别为声速负梯度和声速正梯度，水平传输距离为s，声线在传播时轨迹发生弯曲，声线路径一仅在温跃层传输，声线路径二将越过声道轴，进入深海等温层，由于深海等温层是负梯度分布水层，声线将重新进入温跃层，在温跃层存在两条声线的交点构成的区域即会聚区，接收端布放在会聚区，接收端将收到两个独立的声音信号，两个声音信号经过的轨迹便构成了会聚区传输的二径信道模型，声速路径起点坐标为(0，z₀)，路径一的最高点位置的坐标为(r₁，z₁)，接收端的坐标为(r₂，z₂)，则海洋中声速与声音所处深度、海水的盐度和温度之间的公式由下式表示：

c＝1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.01T)(s-35)+0.016z (1)

式(1)中，c为声速度，单位为m/s，T为温度，单位为℃，s为含盐度，单位为‰；z为声音信号所处的深度，单位为m；

步骤2：根据式(1)得到表面等温层的声速：

c₀(z)＝c₀[1+a₀(z-z₀)] (2)

式(1)中a₀表示等温层梯度分布系数，c₀表示深度z₀的声速；

温跃层的声速为：

c₁(z)＝c₀[1+a₁(z-z₀)]+b₁T+b₂T²+b₃T³ (3)

式(3)中a₁表示温跃层梯度分布系数，b₁、b₂和b₃为温度变化系数；

深海等温层的声速：

c₂(z)＝c₀[1+a₂(z-z₀)] (4)

式(4)中a₂表示海底等温层的梯度分布系数；

假设温跃层中水温随深度的增加而均匀下降，即

T＝kz+T₀ (5)

式中T₀为温跃层顶端的温度，k为温度系数，为负值；

将式(5)带入式(3)中得

c₁(z)＝e₀+e₁z+e₂z²+e₃z³ (6)

式中：

e₀＝c₀-a₁z₀+b₁T₀+b₂T₀²+b₃T₀³

e₁＝c₀a₁+b₁k+2b₂kT₀+3b₃kT₀²

e₂＝b₂k²+3b₃k²T₀

e₃＝b₃k³

海洋中声线轨迹为二径信道中对应声线轨迹为：

其中，r是传输距离，r₀为深度z₀对应的传输距离，θ为掠射角，θ₀是参考点的掠射角，即：

步骤3：声波经路径一到达接收端所用时间为

其中，r₂是对应深度为z₂处的传输距离，即：

声波经路径二到达接收端所用的时间为：

其中，Z_SOFAR为声道轴声速最小值对应的深度，c_SOFAR是对应深度的声速，Z_max是传输最远距离r_max对应的深度；

假设发射机和接收机的深度均为h，表面等温层的厚度为100米，则通过会聚区传输的最远距离r_max为

T₀为温跃层顶端的温度，则可计算出e₀，e₁，e₂，e₃的值，设定积分步长为λ，得到r_max，将e₀、e₁、e₂、e₃带入式(9)得t₁，带入式(10)可得t₂，因此在r_max传输距离范围内的最大时延差τ_MAX为|t₂-t₁|；

步骤4：声波在海洋中传播时损失来源有海水声吸收和波阵面扩展，由波阵面扩展引起的幅度衰减系数为：

海水声吸收损失α的公式为：

式中：ρ_F表示海水密度；μ_F表示淡水的动态切变粘滞系数，μ'_F表示淡水的动态体积粘滞系数，f_m表示硫酸镁的驰豫频率，f_rb表示硼酸盐的驰豫频率，A'＝2.03*10^-5dB/(KHm10^-3)，A”＝1.2*10^-4dB/(kHzm)，s表示含盐度，f表示声波频率，单位为KHz，P表示静水压，单位为Pa；

声波通过路径一，由声吸收引起的幅度衰减系数为

声波通过路径二，由声吸收引起的幅度衰减系数

将公式(13)代入公式(14)和(15)，可以计算得到由声吸收引起的幅度衰减系数，通过公式(12)、(14)和(15)分别计算得到los₂₁，los₂₂，los₁，最大幅度衰减为los_max＝los₁+max(los₂₁,los₂₂)，建立二径信道模型的最大幅度衰减los_max，即可进行通信仿真。