[发明专利]一种适用于深海信道的多载波水声通信方法有效

专利信息
申请号: 201711111019.3 申请日: 2017-11-13
公开(公告)号: CN108429591B 公开(公告)日: 2021-05-18
发明(设计)人: 樊养余;展海玲;吕国云;王剑书;王敏庆;刘洋;王菲 申请(专利权)人: 西北工业大学
主分类号: H04B13/02 分类号: H04B13/02;H04L27/26;H04B17/391;H04B1/707
代理公司: 西北工业大学专利中心 61204 代理人: 金凤
地址: 710072 *** 国省代码: 陕西;61
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摘要: 发明提供了一种适用于深海信道的多载波水声通信方法,涉及水声通信领域,本发明通过计算声波在海洋中传播时由波阵面扩展引起的幅度衰减系数和声吸收引起的幅度衰减系数等参数,建立一个会聚区传输的二径信道模型,并利用该模型进行通信仿真;本发明所建立的深海水声信道二径模型既简化了信道模型,又能够真实反映水声信道的特性,通过进行MC‑DS‑CDMA系统仿真,实验结果显示在恶劣的水声信道环境中,系统具有良好的特性,能够实现较为稳健的通信,系统传输效率较高,误码率满足实际工程应用的需求,能在实际中应用。
搜索关键词: 一种 适用于 深海 信道 载波 通信 方法
【主权项】:
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:本发明中,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+b3T03e1=c0a1+b1k+2b2kT0+3b3kT02e2=b2k2+3b3k2T0e3=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,ZSOFAR为声道轴声速最小值对应的深度,cSOFAR是对应深度的声速,Zmax是传输最远距离rmax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rmax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rmax,将e0、e1、e2、e3带入式(9)得t1,带入式(10)可得t2,因此在rmax传输距离范围内的最大时延差τMAX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:ρF表示海水密度;cF表示声速度,μF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,fm表示硫酸镁的驰豫频率,frb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losmax=los1+max(los21,los22),建立二径信道模型的最大幅度衰减losmax,即可进行通信仿真。
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