基于聲傳播模型的信道模擬與應(yīng)用.pdf

1、由于上下界面的存在,淺海水聲信道是強(qiáng)烈的相干多途信道。許多無線電中的信號(hào)處理技術(shù)移植到水聲領(lǐng)域中時(shí),效果都不甚理想。為了改進(jìn)聲納系統(tǒng)在多途信道中性能,必須要對水聲信道進(jìn)行深入的研究。水聲信道模擬技術(shù)是在實(shí)驗(yàn)室中模擬實(shí)際信道特性的一種方法。由于環(huán)境參數(shù)控制方便,信道模擬對研究信號(hào)處理方法在多途信道中的性能具有重要意義。本文從聲傳播的物理模型入手,對水聲信道模擬技術(shù)進(jìn)行深入研究,并將信道的模擬結(jié)果應(yīng)用于聲源定位和信號(hào)檢測中。
　　聲傳

2、播模型是水聲信道模擬的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的信道模擬技術(shù)通常專注于傳播損失這一宏觀特性,進(jìn)一步預(yù)報(bào)聲納系統(tǒng)的作用距離。本文以射線模型和簡正波數(shù)值模型為基礎(chǔ),模擬計(jì)算信道的沖激響應(yīng)這一微觀特性,以便預(yù)報(bào)信號(hào)處理方法在模擬信道中的性能。按照水聲信道的時(shí)變特性,可以將信道分為時(shí)不變信道、確定時(shí)變信道和隨機(jī)時(shí)變信道三類。對于時(shí)不變信道,使用虛源法和射線數(shù)值模型求解本征聲線,即可得到信道的沖激響應(yīng)。此外,使用簡正波數(shù)值模型和頻率綜合快速算法,也能快速計(jì)

3、算時(shí)不變信道的沖激響應(yīng);對于確定時(shí)變信道,使用插值算法結(jié)合射線模型可以模擬計(jì)算聲源或水聽器運(yùn)動(dòng)時(shí)的接收信號(hào)。當(dāng)水聽器勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),使用多途在運(yùn)動(dòng)方向的投影和多普勒尺度變換可以高速模擬計(jì)算接收信號(hào)。同時(shí)使用 ChirpZ變換算法可以大幅減小時(shí)間尺度變換時(shí)的運(yùn)算量;對于隨機(jī)時(shí)變信道,利用時(shí)變海面下的射線插值算法,可以實(shí)現(xiàn)對信道隨機(jī)特性的模擬。使用時(shí)變海面的 Kirchhoff近似,將海面散射等效為多個(gè)位于海面處的點(diǎn)聲源可以大大提高時(shí)變信道模擬

4、時(shí)的計(jì)算速度。
　　信道估計(jì)是從接收信號(hào)中提取信道特性的有效方法。使用凸集投影算法估計(jì)時(shí)不變信道時(shí),可以獲得理想的信道沖激響應(yīng)估計(jì)結(jié)果。其分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)最大似然估計(jì)器–匹配濾波器。將凸集投影算法推廣至復(fù)數(shù)域時(shí),可以正確估計(jì)由界面反射引起的相移。相移估計(jì)結(jié)果可以用于區(qū)分水面反射和水底反射。使用發(fā)射信號(hào)的多普勒頻移樣本作為凸集投影算法的參考信號(hào),構(gòu)建凸集投影算法濾波器組,可以實(shí)現(xiàn)對信道沖激響應(yīng)在時(shí)延–頻移平面上的二維估計(jì)。這種估計(jì)算法

5、可以用于估計(jì)確定時(shí)變信道和隨機(jī)時(shí)變信道的時(shí)變沖激響應(yīng)。
　　對模擬信道的分析結(jié)果表明:時(shí)不變信道的沖激響應(yīng)不隨時(shí)間變化,沒有頻率偏移和頻譜擴(kuò)展;確定時(shí)變信道的沖激響應(yīng)隨時(shí)間發(fā)生確定性變化,頻率偏移根據(jù)時(shí)延值規(guī)律變化;隨機(jī)時(shí)變信道的沖激響應(yīng)隨時(shí)間隨機(jī)變化,產(chǎn)生隨機(jī)的頻率偏移和頻譜擴(kuò)展。對模擬信道的沖激響應(yīng)估計(jì)結(jié)果表明:確定時(shí)變信道的多普勒頻移與多途反射的階數(shù)成反比,低階反射的頻移接近水聽器的運(yùn)動(dòng)速度,高階反射的頻移小于水聽器的運(yùn)動(dòng)速

6、度;隨機(jī)時(shí)變信道的頻率偏移和頻譜擴(kuò)展與多途反射階數(shù)成正比,低階反射幾乎沒有頻率偏移和頻譜擴(kuò)展,高階反射的頻率偏移和頻譜擴(kuò)展則較大。
　　在淺海水聲信道中,合理利用界面反射,即可使用單個(gè)水聽器對脈沖聲源進(jìn)行定位。利用凸集投影算法對直達(dá)波、水面反射和水底反射的到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行估計(jì)。聯(lián)合由虛源法得到的定位方程,即可解算得到聲源位置。對定位方程的研究結(jié)果表明:直達(dá)波與水面反射的時(shí)延差確定了一條開口向下的雙曲線,直達(dá)波與水底反射的時(shí)延差確定了一

7、條開口向上的雙曲線,這兩條雙曲線的交點(diǎn)就是聲源位置。利用 Rake接收機(jī)對水聲信道的匹配特性,即可使用單水聽器對脈沖聲源進(jìn)行匹配場定位。匹配場定位的模糊度平面同樣具有雙曲線形狀。在雙曲線附近,Rake接收機(jī)的輸出峰值劇烈震蕩。多個(gè)多途形成的雙曲線相交于聲源處。
　　對模擬信道中的聲源定位結(jié)果表明:基于信道估計(jì)的定位方法可在一定信噪比條件下對單頻脈沖聲源進(jìn)行定位,并且不受海面起伏引起的信道隨機(jī)時(shí)變特性影響。使用Rake接收機(jī)的匹配場