现代水声通信第二讲

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1、第二章水声信道特性信息载体--声波;多径传播--复杂;系统带宽--有限;环境噪声--很高;传输衰减--很大;n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0；n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件；n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播，TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正；n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr；2.1距离、带宽和信噪比Thorp给出的简单而有效的吸收系数与频率之间的经验公式为2.1.1传播损失声

2、波在声场中的平均传播损失可表示为2.1距离、带宽和信噪比2.1.1传播损失吸收系数与频率的关系2.1距离、带宽和信噪比2.1.2海洋环境噪声海洋环境噪声文兹谱级图2.1距离、带宽和信噪比2.1.2海洋环境噪声文献表明：在1kHz到10kHz频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上在40dB到70dB(参考声压级为1PaHz)之间，3级海况时深海的环境噪声谱级在50dB到70dB之间，并且随着频率的降低环境噪声随之增大，1kHz以下的环境噪声谱级均在70dB以上，因此传输信号使用的载波频率的下限取1kHz。无论是深海还是浅海，海洋环境噪声的功率谱密度均被认为是以频率2

3、0dB/decade在下降。2.1距离、带宽和信噪比2.1.2海洋环境噪声海洋中的噪声为高斯分布的连续谱，其声压的瞬时值的概率密度为2002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境噪声试验，其10秒钟采样率为12KHz的噪声数据，分析结果如右图所示，横轴是电压，纵轴是在相应电压上噪声出现的次数。分析结果表明，海洋环境噪声服从正态(高斯)分布。2.1距离、带宽和信噪比2.1.3水声信道的通信距离和带宽扩展损失只与距离有关，而吸收损失不但与距离有关而且还与频率有关，因此可用带宽有限。由传播损失和频率的关系、噪声和频率的关系可得3级海况下，发射声源级190dB，频率

4、为1～10kHz，距离为10～100km时，接收端传播距离、带宽信噪比的关系如下图2.1距离、带宽和信噪比2.1.3水声信道的通信距离和带宽接收端传播距离、带宽信噪比的关系图2.1距离、带宽和信噪比2.1.3水声信道的通信距离和带宽很明显一定传播距离时，这种关系影响了水声通信系统距离与载波频率及带宽的选择。通信距离在10～100km的为远程水声通信，带宽只有几kHz（1000km距离的水声通信，通信带宽只有1Hz）；通信距离为1～10km的为中距离的水声通，带宽在10kHz数量级；通信距离在1km以内的为短距离水声通信，其带宽超过10kHz，若通信距离在100

5、m以内时，通信的带宽可在100kHz以上。2.2多径传播及空变特性水声通信中多径信号产生示意图2.2.1多径传播2.2多径传播及空变特性2002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境多径试验，多径检测信号为6s的线性调频（LFM）信号。将接收到的信号做拷贝相关，80km的多径检测结果如图所示。从图中可看出80km的多径信息主要集中于40ms以内，而300～400ms仍有多径信号但其能量均较弱可忽略。海洋环境多径时延2.2.1多径传播2.2多径传播及空变特性实际上海洋中多径更多地来自大幅度起伏不平的海底山峦，由于它不受距离的限制，因此多径效应引起信号的时间扩展

6、，在浅海中距离信道，多径扩展一般为10ms，有时可达几百毫秒，而在深海信道的多途扩展为几十微秒到几秒量级，且距离越远，多径扩展时间越长2.2.1多径传播2.2多径传播及空变特性实际海洋温度一般是水平分层（三层）均匀的分布形式，由于折射和界面反射，海洋声信道大都呈现波导效应。海洋深度、发射接收端的深度，都对多径时延的长短有影响，因此其多径特性随发射、接收点空间位置的不同而变化，即水声信道是空变的。深海典型声速抛面图2.2.1空变特性2.2多径传播及空变特性在深海1000m，信号频率1.7kHz，距离100km，发射深度104m，接收深度305m时，各条传播路径的

7、传播损失及传播时间如表2－1所示。表中所取的声线为主要本征声线，即其传播损失与最小传播损失相比，不大于30dB的声线。从表中可以看到，声线中最长的传播时间为68.25s，最短的传播时间为67.38s，相差0.87s。路径12345678传播损失TL(dB)133.1133.0133.1133.0133.1133.1133.1133.1传播时间t(s)67.567.667.567.767.567.567.567.5路径910111213141516传播损失TL(dB)133.1133.1133.1133.1133.1133.1133.0133.0传播时间t(s)

8、67.567.567.567.567.