CN117353831A - 一种基于声线理论的深远海信道建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于声线理论的深远海信道建模方法，包括以下步骤：步骤一：使用Argo海洋信息数据集构建三维深海声速场；步骤二：使用ETOPO1高程数据集构建对应的海洋底部形态；步骤三：基于BELLHOP声线理论进行深远海水声信道建模；步骤四：对比深远海水声信道特征与浅海水声信道特征的不同。本发明的有益效果是：1.采用本发明方法构建的模型适用于多种声传播模式；2.采用本发明方法构建的模型能够较准确的反映深远海水声信道特性。
Description
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种基于声线理论的深远海信道建模方法。
背景技术
海水作为远程水声通信中的媒介，展开对于深远海水声信道的研究迫切需要提出一种可以体现深远海水声信道特性的信道建模方法。目前关于浅海水声信道建模的方法较多，但是深远海与浅海之间的声学条件区别很大致使二者之间的水声信道特性也相差很大，这导致现存的浅海水声信道建模方法对于开展深远海水声信道建模没有很强的参考意义。另外，目前国内水声界关于深远海水声信道建模的方法研究较少，长期以来对于深海环境特性等相关方面的数据积累很少，缺少一个较为准确的深远海水声信道模型。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于声线理论的深远海信道建模方法。
本发明提供了一种基于声线理论的深远海信道建模方法，包括以下步骤：
步骤一：使用Argo海洋信息数据集构建三维深海声速场；
步骤二：使用ETOPO1高程数据集构建对应的海洋底部形态；
步骤三：基于BELLHOP声线理论进行深远海水声信道建模；
步骤四：对比深远海水声信道特征与浅海水声信道特征的不同。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤一中，利用Argo海洋信息数据集基于海水声速计算公式产生设定距离垂直尺度范围内的声速剖面，之后利用分析得到的等温层特性产生该设定距离垂直尺度范围到最大海深处的声速剖面。作为本发明的进一步改进，所述步骤一中，还包括：
步骤1：通过在Argo海洋信息数据集中利用所需位置的经纬度坐标选择出包含此位置海洋信息的dat文件，利用dat文件中的温盐度和水压并将它们代入公式(2)c＝1449.14+cS+cT+cP+cSTP，得到海洋区域所需位置的声速剖面；
步骤2：用设定距离处的温盐度替代Argo海洋信息数据集不包含的垂直尺度区间处的温盐度并代入公式(2)c＝1449.14+cS+cT+cP+cSTP中，得到海洋区域所需位置处的完整声速剖面；
步骤3：绘制与发射机水平相距不同距离位置处的完整的声速剖面，不同位置间的声速分布通过声速场的二次逼近得到，从而构建三维深海声速场。作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，还包括：
步骤A1：选择所需的Argo海洋信息数据集；
步骤A2：利用南海区域的经纬度区间信息在Argo海洋信息数据集中选择处于南海区域的dat文件，同时记录文件编号、经纬度；
步骤A3：编写matlab程序读取dat文件中的修正后的水压、修正后的水温、修正后的盐度中的信息，研究海水温盐度随水压的变化关系；
步骤A4：利用dat文件中的温盐度和水压并将它们代入公式(2)c＝1449.14+cS+cT+cP+cSTP，得到南海区域的声速剖面。作为本发明的进一步改进，在所述步骤二中，还包括：
步骤S1：编写函数读取ETOPO1高程数据集中的1弧分格式的经纬度信息与深度信息；
步骤S2：将海洋经纬度信息代入公式(7)lon1＝60(lon+180)+1与公式(8)lat1＝60(lat+90)+1中转换为1弧分格式；
步骤S3：使用所述步骤S2 1弧分格式的经纬度，在高程数据集包含的深度信息中选择出与之相对应的深度信息；
步骤S4：绘制海洋底部形态图。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤三中，使用BELLHOP声线理论表征大尺度衰落，对和大尺度衰落有关的量，根据实际需求取确定值，使用统计等效模型表征小尺度衰落，对和小尺度衰落有关的量，使用随机变量作为输入。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤三中，通过设置合理的水体环境参数实现需要仿真的声传播模式。
作为本发明的进一步改进，为满足使用的BELLHOP模型的要求，将三维深海声速场编写为*ssp文件，将海洋底部形态编写为*bty文件，将水体环境参数编写为*env文件。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤四中，通过绘制信号时间-时延变化图并进行分析获取深远海水声信道特征与浅海水声信道特征的差异。
本发明的有益效果是：1.采用本发明方法构建的模型适用于多种声传播模式；2.采用本发明方法构建的模型能够较准确的反映深远海水声信道特性。
附图说明
图1是本发明深远海信道建模流程图；
图2是本发明信号时间-时延变化图；图2(a)只有信号散射(浅海)；图2(b)加入多普勒频移(浅海)；图2(c)只有信号散射(深海)；图2(d)加入多普勒频移(深海)；
具体实施方式
本发明选择南海作为研究背景，提出了一种基于声线理论的深远海水声信道建模方法，该方法主要面向目前缺少能够反映深远海水声信道特性的水声信道模型的问题。本发明在提出的建模方法中加入了三维深海声速场与深海底部形态，在考虑这两者的基础上根据BELLHOP声线理论，建立了深远海水声信道模型。
本发明选择南海作为研究背景，提出了一种基于声线理论的深远海水声信道建模方法，该方法主要面向目前缺少能够反映深远海水声信道特性的水声信道模型的问题。本发明在提出的建模方法中加入了三维深海声速场与深海底部形态，在考虑这两者的基础上根据BELLHOP声线理论，建立了深远海水声信道模型。该深远海信道建模方法的贡献如下：
(1)基于三维深海声速场的深远海水声信道模型；
声速是影响海水中声传播轨迹的基础的物理量。浅海水声信道模型要获取声速剖面，可以在某一位置处测量其声速剖面进而生成信道模型。深远海水声信道建模中，获取声速剖面的问题有两点，从垂直尺度上来说，海深太大致使无法通过实地测量获取完整的声速剖面，从水平尺度上来说，中远程水声通信的距离较大致使将单个位置处的声速剖面代表整个传播过程中的声场环境并不合适。所以本发明利用Argo海洋信息数据集(在不同位置处包含2000m垂直尺度范围内的海水温度、海水盐度信息数据)基于海水声速计算公式产生2000m垂直尺度范围内的声速剖面，之后利用分析得到的等温层特性产生2000m到最大海深处的声速剖面，从而实现了考虑不同位置处的声场环境差异的深远海水声信道模型。
(2)基于南海底部形态的深远海水声信道模型；
海洋底部形态会影响海洋声传播，如果将海洋底部形态视作一个平面一定会影响生成的水声信道模型。所以本发明根据ETOPO1高程数据集(在不同位置处包含南海的深度信息)生成南海的底部形态为后续的深远海水声信道建模做准备。
(3)适用于多种声传播模式的深远海水声信道模型；
海洋中的声传播模式多种多样，深远海中的声传播模式包括声道轴、海面波导与可靠声路径等。本发明提出的建模方法并不局限与某一种声传播模式，根据需要仿真的声传播模式，考虑三维深海声速场与南海底部形态后，设置合理的水体环境参数便可以实现此种声传模式下的深远海水声信道模型。
(4)对比深远海水声信道特征与浅海水声信道特征的不同；
有关海洋环境方面本发明考虑了三维深海声速场与南海底部形态，在信道衰落方面本发明基于BELLHOP声线理论考虑大尺度衰落，对于无法实际估计的小尺度衰落相关参数使用随机变量输入，最终生成了深远海水声信道模型。最后，本发明十分关注二者不同的信道特征，将二者信道特征进行对比后发现其到达路径结构与时延-时间关系有较大差异。
如图1所示，本发明公开了一种基于声线理论的深远海水声信道建模方法，主要包括下面四点：
1.构建三维深海声速场；
2.构建南海底部形态；
3.基于声线理论的深远海水声信道建模；
4.深远海水声信道特征与浅海水声信道特征对比。
本发明公开的一种基于声线理论的深远海信道建模方法，整体建模流程如下：
步骤一：使用Argo海洋信息数据集构建三维深海声速场；
步骤二：使用ETOPO1高程数据集构建对应的海洋底部形态；
步骤三：基于BELLHOP声线理论进行深远海水声信道建模；
步骤四：对比深远海水声信道特征与浅海水声信道特征的不同。
1.构建三维深海声速场
常见的海洋信道模型很多都通过实地测量的方式获取某个位置处的声速剖面，但是这种做法费时费力费钱，而且由于深海较大的垂直尺度并无法通过实地测量获取完整的声速剖面。同时由于较大的水平传播距离，单位置处的声速剖面不可以代表整个传播路径经历的声场环境。所以在进行深远海水声信道建模时，构建随水平传播距离变化的三维声速场更逼近真实情况。
所以本发明利用Argo海洋信息数据集(在不同位置处包含2000m垂直尺度范围内的海水温度、海水盐度信息数据)基于海水声速计算公式产生2000m垂直尺度范围内的声速剖面，之后利用分析得到的等温层特性产生2000m到最大海深处的声速剖面，从而实现了考虑不同位置处的声长环境差异的深远海水声信道模型。
所述步骤一中，还包括：
步骤1：想要得到南海区域中某一位置处的声速剖面，本发明可以在海洋信息数据集中利用该位置的经纬度坐标选择出包含此位置海洋信息的dat文件，利用dat文件中的温盐度和水压并将它们代入公式(2)即可。
Argo海洋信息数据集的子单元为dat文件，dat文件的结构如表1所示。
步骤1还包括：
步骤A1：选择所需的Argo数据集；本发明选择在2021年期间采集的Argo数据集；
步骤A2：利用南海区域的经纬度区间信息在Argo海洋信息数据集中选择处于南海区域的dat文件，同时记录文件编号、经纬度；
dat文件中包含的信息如表1中所示，编写matlab程序读取dat文件中的第2列、第5列、第8列中的信息，研究海水温盐度随水压的变化关系；
表1文件结构
经过上述两个步骤的研究可以得到结论：南海海深2000m左右至最大海深处为深海等温层的一部分，此区域间海水温盐度基本保持不变。
步骤A4：利用dat文件中的温盐度和水压并将它们代入公式(2)，得到南海区域的声速剖面。
海水中声速经验公式如公式(1)所示，该公式展现了声速受海水温度、海水含盐量与海水压力的影响：
c＝F(T，P，S) (1)
公式(1)中四者的关系一般通过实地测量得出。威尔逊给出了一种通用的简单经验公式,其中c指声速，cS为盐度对声速的贡献部分，cT为温度对声速的贡献部分，cP为水压对声速的贡献部分，cSTP为修正项：
c＝1449.14+cS+cT+cP+cSTP (2)
cS＝1.39799(S-35)+1.69202×10-3(S-35)2 (3)
cT＝4.5721T-4.4532×10-2T2-2.6045×10-4T3 (4)
cP＝1.60272×10-1P+1.0268×10-5P2+3.5216×10-9P3-3.3603×10-12P4 (5)
式中T为温度(℃)；P为压强(N/m2)；S为盐度(‰)。
想要得到南海区域中某一位置处的声速剖面，可以在海洋信息数据集中利用该位置的经纬度坐标选择出包含此位置海洋信息的dat文件，利用dat文件中的温盐度和水压并将它们代入公式(2)即可。
步骤2：对于本发明研究的目标区域南海而言，其最大海深大于Argo海洋信息数据集包含的2000m深度信息,也就是说仅使用数据集无法获得南海某位置处的完整声速剖面。但根据南海海深2000m左右至最大海深处为深海等温层的一部分，此区域间海水温盐度基本保持不变这一结论，本发明可以用2000m处的温盐度替代Argo海洋信息数据集不包含的垂直尺度区间处的温盐度并代入公式(2)中，便可以得到南海区域某位置处的完整声速剖面。
步骤3：绘制与发射机水平相距不同距离位置处的完整的声速剖面，不同位置间的声速分布通过声速场的二次逼近得到，从而构建三维深海声速场。
为解决中远程水声通信的传播距离较大使得将单个位置处的声速剖面代表整个传播过程中的声场环境并不合适这一问题，本发明必须考虑声速随水平距离的变化，为此本发明构建了三维深海声速场。举例说明，在建立一个水平传播距离为20km的三维深海声速场时，先利用以上方法绘制与发射机水平相距0km、10km、20km位置处的完整的声速剖面，这些位置间的声速分布通过声速场的二次逼近得到。
2.构建南海底部形态
南海底部形态多种多样，深远海水声通信中到达接收端的信号包含多条路径，这中间往往含有海底反射的路径，所以说海底底部形态的准确性一定会影响深远海水声信道建模。因此本发明使用ETOPO1高程数据集构建南海底部形态，为建模深远海水声信道做准备，按如下步骤构建南海底部形态：
步骤S1：编写函数读取ETOPO1高程数据集中的1弧分格式的经纬度信息与深度信息；
步骤S2：将南海经纬度信息代入公式(7)与公式(8)中转换为1弧分格式；
lon1＝60(lon+180)+1 (7)
lat1＝60(lat+90)+1 (8)
步骤S3：使用南海1弧分格式的经纬度，在高程数据集包含的深度信息中选择出与之相对应的深度信息；
步骤S4：绘制南海底部形态图。
3.基于声线理论的深远海信道建模
在加入三维深海声速场与南海底部形态之后，在信道衰落方面本发明主要考虑大小尺度衰落。本发明使用BELLHOP声线理论表征大尺度衰落，对和大尺度衰落有关的量例如收发机的个数与位置等，根据实际需求取确定值。本发明使用统计等效模型表征小尺度衰落，对和小尺度衰落有关的量例如微路径时延等，使用随机变量作为输入。
基于声线理论的深远海水声信道建模流程图如图1所示，为满足使用的BELLHOP模型的要求，本发明将三维深海声速场编写为*ssp文件，将南海底部形态编写为*bty文件，将水体环境参数编写为*env文件，为运行BELLHOP模型做准备。
4.深远海水声信道特征与浅海水声信道特征对比
为了比较深远海水声信道与浅海水声信道的特征，本发明需要在水体参数的设置中体现二者的差异，体现在以下四点：
(1)信号频率不同；传播损失的组成部分中包含吸收损耗，其与声信号频率有关，如表2所示：
表2不同声波频率对应的吸收系数
吸收系数随声波频率的增加而变大，声信号每传播1km，频率为15kHz时的吸收损耗为1kHz时的36倍，在如此大的吸收损耗的条件下，声信号无法进行远距离传播。因此在深远海通信中选择较低的声信号频率更合适，在本研究中声信号频率设置为1kHz。
(2)信道结构不同；深远海中有多种声传播模式，本发明采用声道轴声传播模式来展示深远海水声通信。在声道轴声传播模式中，本发明将发射机与接收机放置在海深1100m处，最大海深为4800m，水平距离为20km。
浅海水声通信中声传播距离远远大于一个声波波长，是大尺度衰落。深远海水声通信中信号频率更低致使声波波长更大，但是更大的声传播距离仍远远大于一个声波波长，是大尺度衰落。
(3)收发机的漂移速度不同；深海层的水平流速小于浅海表层，所以本发明将深远海通信中的收发机的漂移速度设置较低，本研究中设置为0.15m/s。
根据图1中所示的基于声线理论的深远海水声信道建模流程图步骤，考虑到上述三点深远海声传播与浅海声传播的水体参数的不同，本发明绘制了四幅信号时间-时延变化图。如图2所示，图2(a)(c)中路径亮度会发生变化，这是小尺度衰落中的信号散射造成的时变引起的。图2(b)(d)中由于多普勒运动造成的影响，路径会弯曲，这是由于多普勒运动造成的时变引起的。
对比图2(b)(d)可以得出深远海水声信道特征与浅海水声信道特征有以下两点不同：
(1)到达路径的结构存在差异；深远海水声通信中，较远的传播距离使得经历的声场环境十分复杂，再加上声线弯曲效应，到达路径呈现出更复杂的多径形式与更大的时延。如图2(d)中的时延间隔远大于图2(b)。同时由于深海声速分布会变化导致的声线弯曲，到达路径中的第一条路径往往不是第一条路径。
(2)时延与时间关系存在差异；浅海水声通信中每条路径时延随时间的变化关系基本是一样的。但深远海水声通信未必，如图2(d)中，100ms附近的路径的变化趋势显然与其他几条路径的变化趋势不同，100ms附近的路径随着时间的增加时延在减小，而其他路径随着时间的增加时延在增大，这是由于深海声速分布变化导致信号的传输时间未必会随传输距离的增加而增加。
本发明的有益效果是：1.采用本发明方法构建的模型适用于多种声传播模式；2.采用本发明方法构建的模型能够较准确的反映深远海水声信道特性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于声线理论的深远海信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：使用Argo海洋信息数据集构建三维深海声速场；
步骤二：使用ETOPO1高程数据集构建对应的海洋底部形态；
步骤三：基于BELLHOP声线理论进行深远海水声信道建模；
步骤四：对比深远海水声信道特征与浅海水声信道特征的不同。
2.根据权利要求1所述的深远海信道建模方法，其特征在于，在所述步骤一中，利用Argo海洋信息数据集基于海水声速计算公式产生设定距离垂直尺度范围内的声速剖面，之后利用分析得到的等温层特性产生该设定距离垂直尺度范围到最大海深处的声速剖面。
3.根据权利要求2所述的深远海信道建模方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：
步骤1：通过在Argo海洋信息数据集中利用所需位置的经纬度坐标选择出包含此位置海洋信息的dat文件，利用dat文件中的温盐度和水压并将它们代入公式(2)c＝1449.14+cS+cT+cP+cSTP，得到海洋区域所需位置的声速剖面；
步骤2：用设定距离处的温盐度替代Argo海洋信息数据集不包含的垂直尺度区间处的温盐度并代入公式(2)c＝1449.14+cS+cT+cP+cSTP中，得到海洋区域所需位置处的完整声速剖面；
步骤3：绘制与发射机水平相距不同距离位置处的完整的声速剖面，不同位置间的声速分布通过声速场的二次逼近得到，从而构建三维深海声速场。
4.根据权利要求3所述的深远海信道建模方法，其特征在于，在所述步骤1中，还包括：
步骤A1：选择所需的Argo海洋信息数据集；
步骤A2：利用南海区域的经纬度区间信息在Argo海洋信息数据集中选择处于南海区域的dat文件，同时记录文件编号、经纬度；
步骤A3：编写matlab程序读取dat文件中的修正后的水压、修正后的水温、修正后的盐度中的信息，研究海水温盐度随水压的变化关系；
步骤A4：利用dat文件中的温盐度和水压并将它们代入公式(2)c＝1449.14+cS+cT+cP+cSTP，得到南海区域的声速剖面。
5.根据权利要求1所述的深远海信道建模方法，其特征在于，在所述步骤二中，还包括：
步骤S1：编写函数读取ETOPO1高程数据集中的1弧分格式的经纬度信息与深度信息；
步骤S2：将海洋经纬度信息代入公式(7)lon1＝60(lon+180)+1与公式(8)lat1＝60(lat+90)+1中转换为1弧分格式；
步骤S3：使用所述步骤S2 1弧分格式的经纬度，在高程数据集包含的深度信息中选择出与之相对应的深度信息；
步骤S4：绘制海洋底部形态图。
6.根据权利要求1所述的深远海信道建模方法，其特征在于，在所述步骤三中，使用BELLHOP声线理论表征大尺度衰落，对和大尺度衰落有关的量，根据实际需求取确定值，使用统计等效模型表征小尺度衰落，对和小尺度衰落有关的量，使用随机变量作为输入。
7.根据权利要求1所述的深远海信道建模方法，其特征在于，在所述步骤三中，通过设置合理的水体环境参数实现需要仿真的声传播模式。
8.根据权利要求1所述的深远海信道建模方法，其特征在于，为满足使用的BELLHOP模型的要求，将三维深海声速场编写为*ssp文件，将海洋底部形态编写为*bty文件，将水体环境参数编写为*env文件。
9.根据权利要求1所述的深远海信道建模方法，其特征在于，在所述步骤四中，通过绘制信号时间-时延变化图并进行分析获取深远海水声信道特征与浅海水声信道特征的差异。
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