水声通信信道特性

书名: 《海洋观测技术＝MARINE OBSERVATION TECHNIQUES》
作者: 任杰编著
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水声通信信道是属于随机的时空频变参、多途效应明显、传输衰减严重、噪声级较高、信号传播速度较低和严格带限的一类特异通道，与一般无线通信信道差异明显。

（1）多径效应又叫多途效应。多途由海面和海底反射所产生的宏观多途和海水不均匀介质而形成的声波的折射的微观多途所组成。在水声信道中，在收、发两端始终存在着一条以上的传播途径，也由于浅海水声信道随机的时、空、频变特性，使得多途现象更为严重。多途传播对接收信号的影响在时域上主要表现为码间干扰；在频域上则体现为频率选择性衰落。显然，如何抑制多途，实现信号的稳定，可靠检测是水声通信中要解决的关键问题。
（2）多普勒频移。声波在浅海信道传播时由于多普勒效应造成发射信号的频率漂移，这种漂移称为多普勒频移。收、发端的相对运动以及海面波浪运动和海中湍流都会引起多普勒频移，其中海面波浪运动是主要因素，并且随着海风风级的增强而增大。
（3）声波传输损耗。由于海水介质不是理想无损介质，声波在海水传播时也会衰减。由于海水介质中存在泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质分布的不均匀性，因此易引起声波散射和声强衰减，尤其在含有气泡群的海水中，具有非常高的声吸收和散射。另外海面、海底对声波的散射，也是引起声强衰减的一个原因。
（4）有限的带宽。声波在水声信道环境传递的过程中，会因为水介质的物理吸收而造成声波能量的损失。介质吸收造成的能量损失与声波频率的平方成正比，频率越高能量损失就越多，而对于频率较低的声波其能量的损失就相对比较小。因此，水声通信信道带宽是严格受限的。此外，水声信道中，信息可靠传输的距离与载波的工作频段也有较大的关系。近距离通信通常使用频带略高一些，一般是10~100kHz。而中远距离信息传输，比较适合的工作载波频率就应该在20kHz以下，通常带宽只有几kHz。水声信道带宽还受到水声换能器带宽的限制。因此，相较于采用电磁波作为载体的其他通信，水声信道的带宽是比较窄的。

多途效应

书名: 《海洋中的声传播》
作者: （美）尤立克著；陈泽卿译
当前第:297页

多径传播的结果之一是引起传播信号的起伏。由于信号起伏，使得在不存在起伏时不能检测到目标的距离上，在起伏信号增强的时间内又被检测到。而在信号衰落期间目标又消失。这样目标的检测概率在远距离时变得较高，而在近距离时变得较低，这与在声呐方程中是否忽略信号起伏有关。

信号畸变是多途效应的另一个结果，在这里，因为传播时间不同，所以各种多途效应传播的损失也不同，初始短脉冲信号在时间上向外扩展并形成不规则的包络。信号畸变使得互相关和匹配滤波器对未知距离远处目标的检测归于无用。

分置接收器间的去相关是时变多途传播的另一种效应，正是由于存在时变多途效应，才有可能使得阵增益比不存在多声传播时下降。

最后应该指出，当一个径定频率信号自声源发出，并使得多途传播路径与运动海面相遇，或当声源/接收器单个地、或两者都移动时，多途传播间形成干涉就会发生频率的偏倚及频带的展宽。较宽的接收滤波带宽用来容纳传播中发生出来的频率是又必要的。

总的来说，多途传播对声呐正常工作有害是很显然的。

书名: 《声与海洋》
作者: 关定华著
当前第:165页

什么是多途效应呢？多途效应就是声在海洋中传播时声音经过海面、海底反射到达接受点，或者在声道中来回折射到达接受点。经过不同路径的声音到达时间不同。有时，这些声音间隔比较长，如果在一个信号没有结束之前就发出第二个信号，两个信号互相干扰，就弄不清了。

这种多途效应人们在日常生活中也会遇到。如果两个人在一个大而空旷，四壁和屋顶地面都很坚硬的房间里讲话，多途效应也会使讲话声音变成轰隆一片，词句都分不清了。这是因为声音除了从讲话者直接传到听话人的耳朵的直接途径之外，还经屋顶、地面、墙壁发射传到听话人的耳朵。

在一般房间中声音虽然也有反射，但由于墙壁吸声性能，反射声比较弱、反射声之间的间隔也比较小，人耳听起来就像一个声音，不但不影响清晰程度，还会使声音听起来更加丰润。人们听惯了房间中的讲话，在空旷地方听人讲话就会觉得大“干”，听起来不舒服。

为了克服多途效应的影响，人们在信号形式的选择、编码方法和信号处理方法方面下了不少工夫。还有一些办法，就是使用一种垂直方向性很尖锐的换能器，用它发出信号或接收信号，这样声在海中传播时就没有多途效应，通讯也就方便多了。

LOFAR分析中多途干涉的抑制

摘要

水下声信道因边界反射而呈现多途特性，经过相干多途信道的目标辐射噪声在接受点产生相干干涉的现象，LOFAR图上出现干涉条纹，严重的干涉会淹没多普勒线谱，给线谱的提取和后期信号处理造成困难。以海面偶极子为模型阐述了多途干涉的原理。研究利用Hough变换提取干涉信息，抑制干涉条纹，增强线谱。通过对算法的计算机仿真研究，验证了有效性。

1.引言

多途环境下，水下声道因边界反射在声谱图上产生相干干涉现象，干涉现象携带很多重要的信息，文献[1]，在目标水平距离已知的情形下，给出了干涉频率周期与目标深度的关系，提出了利用相干干涉信息来解算目标深度轨迹；文献[2],从理论上分析了钟型“线谱群”的产生原因，利用谱干涉现象中的干涉谷之间的关系实现了目标测距测深，并给出某一实际海上运动目标距离和深度的测量结果。

线谱主要是由于舰艇机械部件的往复运动与螺旋桨叶片的周期性击水以及叶片共振产生的，因为这些线谱源的功率和惯性都相当大，工作条件比较稳定，因此线谱具有很高的强度和集中的能量，而且线谱本身携带频率信息，对于目标参数估计，具有重要意义。研究发现，多途干涉的存在，给线谱的提取及后期的信息处理造成困难，严重的干涉甚至会淹没线谱。本文研究利用Hough变换实现干涉的抑制，以利于线谱检测与跟踪。

2.多途干涉原理

干涉现象是自然界存在的普遍现象，产生的机理是从同一目标发出的信号经不同路径到达接受点，各路径信号是相干的，在接收点产生干涉现象。在水下声场中，由于海面海底界面对声信号传播的影响，产生多途效应的同时也会引起干涉现象。

下面利用海面偶极子模型简单阐述多途干涉的原理：如图1，设目标以速度\(v\)作匀速直线运动，

接收水听器与目标通过的最近水平距离为\(r_{0}\)，设目标在\(t_{0}\)时刻通过正横，令\(\tau=t-t_{0}\)，则在任意时刻\(t\)目标水平距离满足

\[r=\sqrt{v^2t^2+r_{0}^2} \]

若把海面看成一个自由边界，其边界条件为\(p=0(z=0)\)，满足波动方程：

\[\nabla^{2}p-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 p}{\partial t^2}=-4\pi\delta(r)Ae^{jwt} \]

的解为：\(p(r,f)=\frac{1}{R_{1}}e^{-jkR_{1}}-\frac{1}{R_{2}}e^{-jkR_{2}}\)
式中：\(R_{i}=\sqrt{r^2+z_{i}^2}\);\(z_{1}=d-z\);\(z_{1}=d+z\)
\(d\)为目标深度；
\(z\)为接收水听器深度；
\(r\)为目标与水听器之间的水平距离。
设海面反射系数为-1，当满足\(R>>d\),近似为

\[p(r,f)=-\frac{2j}{R}e^{jkR}sin[\frac{kdz}{R}] \]

其中\(R=\sqrt{r^2+z^2}\),当上式为零时，

\[kdz/R=l\pi(l=0,1,2,...) \]

对应直达声和海面反射声组成一组海面偶极子干涉暗条纹。
将\(k=2\pi f/c\),\(R=\sqrt{r^2+z^2}\)和式1，代入上式并整理得到

\[\frac{f^2}{a_{i}^2}-\frac{t^2}{b_{i}^2}=1 \]

其中\(a_{i}=\frac{lc\sqrt{rv^2+z^2}}{2dz}\);\(b_{i}=\frac{\sqrt{rv^2+z^2}}{v}\);\((l=1,2,3,...)\)
从中可以看出，在时频平面上，海面偶极子的\(f\)和\(\tau\)的关系是一组双曲线，它们具有同一中心\((0,0)\)，相同的\(b_{i}\)值和按倍数递增的\(a_{i}\)值，换句话说，LOFAR图中，运动目标的声压场干涉条纹是同中心双曲线型的。

3.STFT-Hough抑制多途干涉

采用短时傅里叶变换STFT可以得到接收信号的时频谱图，运用图像处理的方法——Hough变换可以提取任意时频分布的各种线条特征。
Hough变换的基本思想是把解析曲线从图像空间映射到以参数为坐标的参数空间中，根据参数空间中的一些特征反过来确定曲线的参数值，从而确定图像空间中各种边界的确定性描述。

这里把Hough变换的思想应用于LOFAR图上提取干涉信息。如在时频平面上的每一条双曲线\(\frac{f^2}{a_{i}^2}-\frac{t^2}{b_{i}^2}=1\)对应于参数空间上的一点\((a_{i},b_{i})\)，参数空间参数点的强度值对应于时频平面上曲线的像素点点数。因此，通过设计门限，寻找参数空间中强度超过门限的峰值，就可以确定双曲线的参数\((a_{i},b_{i})\)。

由于目标运动使直达声和反射声之间的多普勒频差变化，并随着信号频段的升高而增大，从而使得信号的相关性减弱，干涉现象随着频段升高而减弱。