[发明专利]一种基于几何模型的水管水声信道建模方法

说明书

本发明基于声波射线传播理论，根据水管中声波的传播路径建立水管水声信道中的几何水声信道模型；根据实际水环境确定几何水声信道模型中的扩展损失、吸收损失和边界损失，从而得到传播损失；基于实际水管环境中的多种不同参数情况进行采样实验计算多种不同参数情况下对应的声速，对声速进行拟合获得声波在实际水管环境中的传播速度曲线；分析水管水声信道中的多种噪声，通过模拟多种噪声得到水管环境中的噪声经验公式，并通过实际试验对噪声经验公式进行修正；利用传播损失、传播速度曲线和噪声经验公式对几何水声信道模型中的相应参数进行优化，得到水管水声信道模型。本发明具备复杂度低、易实现和适应水管水声信道的优点。

技术领域

本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种基于几何模型的水管水声信道建模方法与系统。

背景技术

在水声通信的相关研究中，海洋、河流和湖泊中浅深等开阔水域一直是人们关注的焦点。但可支持水声通信的环境不仅包括海洋、湖泊等开阔水域，同时也包括城市供水系统、隔水管道这类密闭环境。城市供水系统和隔水管道使用的水管遍布在人们生活的周围，支持着人们的日常生活，它们的安全和可靠运行至关重要。例如，城市供水系统的污染或干扰会对人类健康和安全造成严重影响，而水管故障会影响生活和业务，甚至导致破坏性的洪水。水声通信技术不仅可用于管道间通信，还可用于支持水下管道网络中的物联网应用，以及在水下管道网络部署之前分配水下物联网适当的频带等资源。

水管水声信道是复杂多变的，主要表现在：信道带宽受限、多径效应严重、传播损失大以及环境噪声较为恶劣。声波，虽在水下的传播受到低速率、高多普勒频移、高时延和带宽的限制，但由于其是唯一一种可实现水下远距离传输的形式，仍是现有最实用的水下通信技术。声波在水管水声信道中的传播过程十分复杂，是通信领域一大研究难点，但经过多年的研究，人们对于水声通信的研究也慢慢丰富和完善起来。现在，人们对水声通信的要求不仅仅满足于普通的海域环境，还对湖泊、河流、供水管道以及隔水管道等环境下的水声通信提出了要求。

水管信道由于其狭长型结构，拥有比海洋更严重的多径效应，极大程度影响了水管水声通信的效果。然而，现有的水声信道模型大多基于海洋环境，考虑到海洋与水管环境在水质、噪声、声学参数和信道物理结构均有差异，现有水声模型难以模拟出真实的水管水声信道。因此，本文提出适用于水管水声环境下的信道建模算法，解决无适用于水管环境下的水声信道建模方法问题。

有鉴于此，设计一种新型的水管水声信道建模方法是至关重要的。

发明内容

针对上述提到的水管水声通信存在信道模型适用性差以及声学参数差异等问题，本发明提出了一种基于几何模型的水管水声信道建模方法与系统以解决上文提到的现有技术的缺陷。

在一个方面，本发明提出了一种基于几何模型的水管水声信道建模方法，该方法包括以下步骤：

S1：基于声波射线传播理论，根据水管中声波的传播路径建立水管水声信道中的几何水声信道模型；

S2：根据实际水环境确定所述几何水声信道模型中的扩展损失、吸收损失和边界损失，再根据所述扩展损失、所述吸收损失和所述边界损失得到声波在水管环境中传播的传播损失；

S3：基于实际水管环境中的多种不同参数情况进行采样实验计算所述多种不同参数情况下对应的声速，再基于声速经验公式对所述多种不同参数情况下对应的声速进行拟合，获得声波在实际水管环境中的传播速度曲线；

S4：分析水管水声信道中的多种噪声，通过模拟所述多种噪声得到水管环境中的噪声经验公式，并通过实际试验对所述噪声经验公式进行修正；

S5：利用所述传播损失、所述传播速度曲线和所述噪声经验公式对所述几何水声信道模型中的相应参数进行优化，得到水管水声信道模型。