随着海洋开发和信息产业的发展,对水声信道的研究日益重要。传统的射线声学模型不能很好地反映水下环境的复杂多变性。本文提出的bEllHOP--多普勒时变模型充分考虑了水体环境和信道几何结构等物理因素,反映了水声信道的衰减、多径、时变特性,并重点分析了多普勒效应造成信号频移和时间扩展(或压缩)的问题

段乐峥

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-105-》》科研发展基于BELLHOP的水声信道时变模型厦门大学通信工程系  段乐峥【摘要】随着海洋开发和信息产业的发展，对水声信道的研究日益重要。传统的射线声学模型不能很好地反映水下环境的复杂多变性。本文提出的BELLHOP--多普勒时变模型充分考虑了水体环境和信道几何结构等物理因素，反映了水声信道的衰减、多径、时变特性，并重点分析了多普勒效应造成信号频移和时间扩展(或压缩)的问题。【关键词】水声信道；BELLHOP模型；多普勒时变效应；时变模型1.引言随着海洋开发和信息产业的发展，利用水声信道传送数据信息(如海洋环境监测数据、水下图像等)的需求不断增加。因此，了解水声信道的传播特性并建立相应的信道模型对水声通信的发展具有十分重要的意义。水声信道是一复杂多变的信道，具有严重的衰减、多径传播和时变的特性，同时受到海洋环境噪声的影响[1]。因此要用准确的数学模型来描述水声信道是很困难的。传统的水声通信信道仿真主要基于射线声学模型[2][3]，如BELLHOP模型[4]等。BELLHOP模型是通过高斯波束跟踪方法[5]，计算水平非均匀环境中的声场，它克服了传统射线模型中声影区强度为0和焦散线截面为0处声强度为无穷大的缺陷。但它是静态模型，当收发节点固定时，信道冲激响应保持不变，因此它不能反映水声环境的时变特性。本文在BELLHOP射线模型的基础上，针对水声信道的传播特性，重点考虑多普勒效应对信道的影响，引入了一种BELLHOP--多普勒时变信道模型。同时对仿真中的各种参数进行了一定的理论分析。2.时变信道模型2.1 信道时变特性图1为在实验室水池中的实测波形，接收端和发射端的水平距离为6m，信号持续时间为1ms。在本实验中，我们让接收端换能器以一定的速率靠近发送端换能器，然后观察任意3个不同时刻的接收信号波形。从图1可以清楚地看出3个不同时刻的接收信号波形和强度发生了变化。可见，实际的浅海水声信道具有严重的时变性。图1 水池实测波形2.2 多普勒和时变效应声波在海水中传播时会受到多普勒效应的影响，这主要是由收、发端相对运动及海洋环境的不稳定性(如海面波浪运动和海中湍流等)引起的。多普勒效应使接收信号的强度和波形随时间改变，表现为两个方面：频移和扩展[6]。频移即是频率在原来基础上产生了一定的偏差，扩展指的是在时域上信号被压缩或展宽了。不同声线到达接收点时的入射掠角是不同的，所以各声线相应的多普勒系数将是不同的。设第i条声线水平入射掠角为 i ，则其对应的多普勒系数为：ii cv  cos                    (1)上式中为收发机相对速度，c为声速。由于cos i 在[-1,1]间取值，所以最大多普勒频移为：d cvf fc                         (2)其中fc为载波频率；则受多普勒影响后信号频率将位于[fc-fd，fc+fd]，如图2中所示。图2 多普勒频谱扩展2.3 时变信道建模由于BELLHOP模型没有考虑水声信道的时变特性，它的信道冲激响应可表达为：1( ) ( )N i iih a                        (3)其中，N为到达接收点对声场有贡献的本征声线的数目。 ia 和 i 为声波沿第i条传播路径到达接收点的本征声线的声压幅度和传播时间。信号在传播时，若收发机距离发生改变，从发送端到接收端的本征声线路径将发生变化，到达接收端的声线入射角将随时间变化，声线的传播时间也将随之改变，它们之间的关系如下[7]：( ) (1 ( ))i i it t                      (4)( ) cos( ( ))i ivt tc                 (5)其中， ( )i t 为t时刻第i条本证声线的传播时间， ( )i t 为第i条本征声线在t时刻对应的多普勒系数，与这一时刻到达接收点的声线入射掠角 ( )i t 有关；c为声速，v为收发机的相对速度。将(4)式的 ( )i t 代入方程(3)中，便产生了考虑多普勒时变效应的修正后BELLHOP信道冲激响应：1( ; ) ( ( ))N i iih t a t                      (6)对于方程(6)，在不同观察时刻和，若||＞(=，为信道的相干时间)，则信道冲激响应发生变化。因此方程(6)是可以表征信道时变特性的BELLHOP--多普勒信道模型。其时变传输系统的一般表达式为：( ) ( ) ( ; ) ( )tr t s h t t d n t                 (7)其中，为系统的输入信号， ( ; )h t  为信道的时变冲激响应，n(t)为信道噪声，r(t)为系统的接收端信号。图3 时变系统的传输从图3中可见，用时间片段(＜)将发送信号s(t)进行切割，则每个时间片内可认为信道不变，而整个发送s(t)过程中不同时间片间信道是时变的。而找出第k(k=1,2，⋯，K)个时间片处系统的冲激响应 ( ; ( ))k kh t t 是关键，根据方程(4)(5)即是要确定 ( )i kt 。可以借助接收端及其邻近观测点的各声线入射角 i ，利用插值方法近似获得接收机移动过程中不同时间片各径的入射角 ( )i kt 。3.仿真和分析本仿真通过文本编辑器编辑BELLHOP水体环境文件*.env[5][8]，通过自己编写的MATLAB程序对*.env进行处理获得信道冲激响应，并画出相应的声线图。*.env中的声速剖面SSP(如图4所示)是参照台湾海峡中、北部海区1998年2-3月实测数据[9]设置的，其他一些参数设置见表1。表1 仿真中参数载波频率f(KHz)收发机水平距离(m)整个水体平均深度(m)发射机深度(m)接收机深度(m)收发机间观测点数目声线数20 1000 43 10 18 150 9仿真处理后得到此水体环境条件下BELLHOP模型的声线图及信道冲激响应分别如图5和图6中所示。图4 声速剖面SSP图5BELLHOP声线图图6 BELLHOP模型信道冲激响应   　图7 发送信号现在传输系统中加入SNR=5dB的高斯白噪声，发送f0=20KHz的sin信号(如图7所示)，信号持续时间为1s。令接收机以v=10m/s的速率向发送端移动，则通过计算可知最大多普勒频移≈133Hz，信道相干时间≈0.0075s。由此可见，在sin信号传播过程中信道是时变的。将sin信号以=0.003s进行时间切片，取传播中的任意3个时间片的信道冲激响应(如图8所示)及接收信号(如图9所示)来观察结果。发送信号和各时刻接收信号的单边幅度(下转第112页)-112-科研发展后，需要对f1的行波系数进行复测。 2.短截线匹配冷调方法冷调法就是利用PNA3628DP型网络分析仪频域测量法和时域故障定位法对短波天线进行调配。频域测量法按图3连接，反射电桥测试端口为反射系数S11的测试端口，可以直接接上待测件进行测试，也可通过保护接头或测试电缆后再接待测件进行测试。接上待测负载，即可用圆图看变化趋势，较为直观，但需要结合丰富的实践经验，并结合其它测量方法对驻波比较大的频率进行调整。时域故障定位法利用测出的频域反射系数自动进行运算后得到时域故障定位图，从图上可以直观地看到整个测量距离内从测试起点到终点的各个距离反射系数的大小，可以直观地指导调整工作，调整后还可切换到频域观察结果，如还不符合要求则再返回时域继续进行故障定位及调整。图3  网络分析仪测驻波比连接图3.热调法和冷调法优缺点热调法主要是利用行波系数表对工作在单频或双频的天线驻波比进行调整，调整效果好，而对于目前广泛使用的宽频段同相水平天线的驻波比调整存在局限性，且调整中需要加高压，对人员安全造成威胁。冷调法在确定短截线接入点时比较麻烦，但可以快速定位宽频段同相水平天馈线通路上引起驻波比变差的位置，同时可对驻波比进行精确的调整，大大缩短调整时间，而且调整非常安全、高效。四、调配实例根据热调法和冷调法的优缺点，我台在更换爆皮的短截线调配线的过程中，采用冷调和热调相结合的方法。在制作短截线的过程中，尽量保持原来参数和尺寸，然后通过热调法对两个频率的调配插入点进行验证，确保插入点误差不大，这样可以减少调配时间。最后，使用冷调法进行细调，确保行波系数满足要求。下面介绍实际的调配思路和过程。首先，发射机开机加半高压状态，用行波系数表在笼型馈线上测出6115khz和4900khz两个频率的自然行波系数k1、k2分别为0.28和0.14，距天线最近电压波腹点的位置如图4所示。其次，选择高频6115Khz作为第一个匹配频率，采用图4所示的典型短截线调配方式，并利用式(1)和式(2)计算出：(米)(米)离最小点距离(米)再次，因接入短路线Ⅰ对第二个频率f2的工作状态有影响，因此需要再次测量f2的行波系数k'2为0.25和电压波腹点Umax2的位置。然后，按式(1)确定短路线Ⅱ的接入位置距Umax2的距离d2：(米)匹配短路线Ⅱ的两段长度 1l 、 2l 按式(3)、式(4)计算：(米)(取-号)(米)(米)从计算长度看，两个频率的插入点和4900Khz的短路线位置与更换前的位置基本不变，6115Khz的短路线位置变化大些。最后，我们按计算长度接入两路短路线，并在机房窗口采取冷调法用网络分析仪进行反复调整。调整中，要注意摸清6115Khz的l和4900Khz的 21 ll、 变化对f1、f2波形变化的规律，也可以进行阻抗推导，找到规律。调整需要耐心和技巧，否则很难让两个行波系数都满意。通过调整，最后行波系数为k1=0.88，k2=0.85，满足技术要求。五、结论由于宽频段同相水平短波天线调配复杂、难度大，采用冷调和热调相结合的方法可以达到事半功倍的效果。通过热调法确认两个频率的调配插入点，使用冷调法可以快速定位宽频段同相水平天馈线通路上引起驻波比变差的位置，同时对驻波比进行精确的调整，大大缩短调整时间，而且调整非常安全、高效。参考文献[1]邮电部电信总局,短波天线维护手册[M].人民邮电出版社,1991.[2]苏英智,丁冬宜.中短波电波传播和天线实用手册[M].广播电影电视部无线电台管理局,1987.(上接第105页)谱如图10所示。从图8中可以明显看出不同时刻信道冲激响应发生变化，图9显示出不同时刻接收波形不同。可见，仅在1s的时间内，信道环境有明显变化。此结果与图1中的实测波形特点一致，因此可以证明本文提出的BELLHOP--多普勒时变信道模型可以模拟出浅海水声信道的时变特性。图8 3个不同时刻的信道冲激响应图9 3个不同时刻的接收信号波形本仿真也体现出了多普勒效应使信号产生频移和时间压缩(或扩展)的变化。图10中的幅度谱显示信号发生频率偏移现象，由于不同时刻及各径多普勒系数的不同，信号频偏情况也不同，但它们的频谱都分布在[19867Hz，20133Hz]。图10 发送信号及各时刻接收信号的频谱4.结论本文提出的BELLHOP--多普勒时变模型基本上实现了对浅海水声信道的模拟。该模型充分考虑了水体环境和信道几何结构等物理因素，可以反映出水声信道中多普勒效应引起信道时变的特性。同时本文分析了多普勒效应造成信号频移和时域扩展(或压缩)的问题。当然，更加完善和逼真的水声信道模型的建立还需要对复杂的环境参数和信道特性的进一步研究。参考文献[1]Paul C.Etter,水声建模 与仿真(第三版)[M].电子工业出版社,2005.[2]D.B.Kilfoyle and A.B.Baggeroer.The state of the art in underwater acoustic telemetry[J].IEEE Journal of Oceanic Eng.,2000,25(1):4-27.[3]Adam Zielinski,Young Hoon Yoon,WU Li xue.Performance Analysis of digital acoustic communication in a shallow water channel[J].IEEE Journal of Oceanic Eng.,1995,20(4):293-299.[4]G.Pusey and A.Duncan.Development of a simple underwater acoustic channel simulator foranalysis and prediction of horizontal data telemetry[J].Proceedings of ACOUSTICS 2009.Centre for Marine Science and Technology,Curtin University of Technology,Perth,2009.[5]M.B.Porter and H.P.Bucker.Gaussian beam tracing for computing ocean acoustic fi elds[J].Journal of the Acoustical Society of America,1987,vol.82,no.4:1349-1359.[6]Sharif B S,Neasham J,Hinton O R,et al..Doppler compensation for underwater acoustic communications[C].Proceedings of the OCEANS'99 MTS/IEEE-Riding the Crest into the 21st Century,Seattle,WA,USA,1999,1:216-221.[7]L.M.Wolff,E.Szczepanski,and S.Badri-Hoeher.Acoustic Underwater Channel and Network Simulator[C].IEEE OCEANS,2012-Yeosu,2012:1-4.[8]M.B.Porter.(2011,Jan.).The BELLHOP manual and user's guide:PRELIMINARY DRAFT.Heat,Light,and Sound Research,Inc.[Online].Available:oalib.hlsresearch.com/Rays/HLS-2010-1.pdf [Accessed:Jan.2012].[9]陈东升,胡建宇,许肖梅,王清池,陈天润.台湾海峡中、北部海区1998年2～3月声速的分布特征[J].台湾海峡,2000,vol.19,no.3:288-292.

基于BELLHOP的水声信道时变模型

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