基于聲傳播模型的信道模擬與應用.pdf

1、由于上下界面的存在,淺海水聲信道是強烈的相干多途信道。許多無線電中的信號處理技術移植到水聲領域中時,效果都不甚理想。為了改進聲納系統(tǒng)在多途信道中性能,必須要對水聲信道進行深入的研究。水聲信道模擬技術是在實驗室中模擬實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進行深入研究,并將信道的模擬結果應用于聲源定位和信號檢測中。
　　聲傳

2、播模型是水聲信道模擬的數(shù)學基礎。傳統(tǒng)的信道模擬技術通常專注于傳播損失這一宏觀特性,進一步預報聲納系統(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,模擬計算信道的沖激響應這一微觀特性,以便預報信號處理方法在模擬信道中的性能。按照水聲信道的時變特性,可以將信道分為時不變信道、確定時變信道和隨機時變信道三類。對于時不變信道,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。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

3、算時不變信道的沖激響應;對于確定時變信道,使用插值算法結合射線模型可以模擬計算聲源或水聽器運動時的接收信號。當水聽器勻速運動時,使用多途在運動方向的投影和多普勒尺度變換可以高速模擬計算接收信號。同時使用 ChirpZ變換算法可以大幅減小時間尺度變換時的運算量;對于隨機時變信道,利用時變海面下的射線插值算法,可以實現(xiàn)對信道隨機特性的模擬。使用時變海面的 Kirchhoff近似,將海面散射等效為多個位于海面處的點聲源可以大大提高時變信道模擬

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

5、可以用于估計確定時變信道和隨機時變信道的時變沖激響應。
　　對模擬信道的分析結果表明:時不變信道的沖激響應不隨時間變化,沒有頻率偏移和頻譜擴展;確定時變信道的沖激響應隨時間發(fā)生確定性變化,頻率偏移根據時延值規(guī)律變化;隨機時變信道的沖激響應隨時間隨機變化,產生隨機的頻率偏移和頻譜擴展。對模擬信道的沖激響應估計結果表明:確定時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動速度,高階反射的頻移小于水聽器的運動速

6、度;隨機時變信道的頻率偏移和頻譜擴展與多途反射階數(shù)成正比,低階反射幾乎沒有頻率偏移和頻譜擴展,高階反射的頻率偏移和頻譜擴展則較大。
　　在淺海水聲信道中,合理利用界面反射,即可使用單個水聽器對脈沖聲源進行定位。利用凸集投影算法對直達波、水面反射和水底反射的到達時刻進行估計。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果表明:直達波與水面反射的時延差確定了一條開口向下的雙曲線,直達波與水底反射的時延差確定了一

7、條開口向上的雙曲線,這兩條雙曲線的交點就是聲源位置。利用 Rake接收機對水聲信道的匹配特性,即可使用單水聽器對脈沖聲源進行匹配場定位。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接收機的輸出峰值劇烈震蕩。多個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果表明:基于信道估計的定位方法可在一定信噪比條件下對單頻脈沖聲源進行定位,并且不受海面起伏引起的信道隨機時變特性影響。使用Rake接收機的匹配場