[發明專利]一種適用于深海信道的多載波水聲通信方法

有效

• 申請號: 201711111019.3
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN108429591B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 樊養余;展海玲;呂國云;王劍書;王敏慶;劉洋;王菲
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04L27/26;H04B17/391;H04B1/707
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

1.一種適用于深海信道的多載波水聲通信方法，其特征在于包括下述步驟：

步驟1：海洋分為表面等溫層，溫躍層和深海等溫層，表面等溫層和深海等溫層為正聲速梯度水層，溫躍層為負聲速梯度水層，其中，表面等溫層為海洋中0～100米的深度，溫躍層為100-300米的深度，深海等溫層為300米以下的深度，取海深為H，其中聲源置于深度h，隨著海深H的變化，在聲道軸的上下方分別為聲速負梯度和聲速正梯度，水平傳輸距離為s，聲線在傳播時軌跡發生彎曲，聲線路徑一僅在溫躍層傳輸，聲線路徑二將越過聲道軸，進入深海等溫層，由于深海等溫層是負梯度分布水層，聲線將重新進入溫躍層，在溫躍層存在兩條聲線的交點構成的區域即會聚區，接收端布放在會聚區，接收端將收到兩個獨立的聲音信號，兩個聲音信號經過的軌跡便構成了會聚區傳輸的二徑信道模型，聲速路徑起點坐標為(0，z₀)，路徑一的最高點位置的坐標為(r₁，z₁)，接收端的坐標為(r₂，z₂)，則海洋中聲速與聲音所處深度、海水的鹽度和溫度之間的公式由下式表示：

c＝1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.01T)(s-35)+0.016z (1)

式(1)中，c為聲速度，單位為m/s，T為溫度，單位為℃，s為含鹽度，單位為‰；z為聲音信號所處的深度，單位為m；

步驟2：根據式(1)得到表面等溫層的聲速：

c₀(z)＝c₀[1+a₀(z-z₀)] (2)

式(1)中a₀表示等溫層梯度分布系數，c₀表示深度z₀的聲速；

溫躍層的聲速為：

c₁(z)＝c₀[1+a₁(z-z₀)]+b₁T+b₂T²+b₃T³ (3)

式(3)中a₁表示溫躍層梯度分布系數，b₁、b₂和b₃為溫度變化系數；

深海等溫層的聲速：

c₂(z)＝c₀[1+a₂(z-z₀)] (4)

式(4)中a₂表示海底等溫層的梯度分布系數；

假設溫躍層中水溫隨深度的增加而均勻下降，即

T＝kz+T₀ (5)

式中T₀為溫躍層頂端的溫度，k為溫度系數，為負值；

將式(5)帶入式(3)中得

c₁(z)＝e₀+e₁z+e₂z²+e₃z³ (6)

式中：

e₀＝c₀-a₁z₀+b₁T₀+b₂T₀²+b₃T₀³

e₁＝c₀a₁+b₁k+2b₂kT₀+3b₃kT₀²

e₂＝b₂k²+3b₃k²T₀

e₃＝b₃k³

海洋中聲線軌跡為二徑信道中對應聲線軌跡為：

其中，r是傳輸距離，r₀為深度z₀對應的傳輸距離，θ為掠射角，θ₀是參考點的掠射角，即：

步驟3：聲波經路徑一到達接收端所用時間為

其中，r₂是對應深度為z₂處的傳輸距離，即：

聲波經路徑二到達接收端所用的時間為：

其中，Z_SOFAR為聲道軸聲速最小值對應的深度，c_SOFAR是對應深度的聲速，Z_max是傳輸最遠距離r_max對應的深度；

假設發射機和接收機的深度均為h，表面等溫層的厚度為100米，則通過會聚區傳輸的最遠距離r_max為

T₀為溫躍層頂端的溫度，則可計算出e₀，e₁，e₂，e₃的值，設定積分步長為λ，得到r_max，將e₀、e₁、e₂、e₃帶入式(9)得t₁，帶入式(10)可得t₂，因此在r_max傳輸距離范圍內的最大時延差τ_MAX為|t₂-t₁|；

步驟4：聲波在海洋中傳播時損失來源有海水聲吸收和波陣面擴展，由波陣面擴展引起的幅度衰減系數為：

海水聲吸收損失α的公式為：

式中：ρ_F表示海水密度；μ_F表示淡水的動態切變粘滯系數，μ'_F表示淡水的動態體積粘滯系數，f_m表示硫酸鎂的馳豫頻率，f_rb表示硼酸鹽的馳豫頻率，A'＝2.03*10^-5dB/(KHm10^-3)，A”＝1.2*10^-4dB/(kHzm)，s表示含鹽度，f表示聲波頻率，單位為KHz，P表示靜水壓，單位為Pa；

聲波通過路徑一，由聲吸收引起的幅度衰減系數為

聲波通過路徑二，由聲吸收引起的幅度衰減系數

將公式(13)代入公式(14)和(15)，可以計算得到由聲吸收引起的幅度衰減系數，通過公式(12)、(14)和(15)分別計算得到los₂₁，los₂₂，los₁，最大幅度衰減為los_max＝los₁+max(los₂₁,los₂₂)，建立二徑信道模型的最大幅度衰減los_max，即可進行通信仿真。