李偉哲，韓 笑，*，曹 然，劉嘉奧

（1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工程大學(xué)）工業(yè)和信息化部，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

“以深制?！币殉蔀樵絹碓蕉鄧业膽?zhàn)略目標(biāo)，而力求在更大深度上取得進(jìn)展已成為各國努力的方向[1]。隨著科學(xué)技術(shù)持續(xù)不斷的發(fā)展，未來的作戰(zhàn)模式無疑將形成海陸空一體化的協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)。目前，水上部分大多使用高速、寬帶的電磁通信技術(shù)，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合作戰(zhàn)，現(xiàn)在軍事方面的重點(diǎn)發(fā)展和突破對象就是水下傳感器和水下各個(gè)平臺之間的跨區(qū)域跨層通信問題，實(shí)現(xiàn)深海潛水器和水面艦艇之間的跨層信息傳輸也是對深海進(jìn)行科學(xué)勘測的關(guān)鍵[2]。

近年來，越來越多的研究人員將水聽器放置在臨界深度（此深度的聲速等于地表附近的最大速度）以下來進(jìn)行水下的定位和探測，其效果相對于其他路徑要好很多[3]。因?yàn)樵谏詈^(qū)域，海面對環(huán)境的影響較小，而且在遠(yuǎn)處的航船等產(chǎn)生的噪聲很難滲入，這就使得深海水聲環(huán)境變化小，且信道結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定?？煽柯暵窂剑≧AP）是深海聲傳播的一種特殊而重要的通道[4]。假設(shè)某一海洋的臨界深度存在且和海底之間存在深度余量（臨界深度到海底之間的深度），當(dāng)聲源或接收點(diǎn)位于臨界深度和海底之間時(shí)其傳播將遵循可靠聲路徑聲傳播，此時(shí)的聲線受界面影響很小可以到達(dá)較遠(yuǎn)的距離[5]。換句話說，當(dāng)聲源處于較淺的深度時(shí)，可以通過接收深度設(shè)置的較深一些來減小海面效應(yīng)和海底的反射，而且在此條件下的接收信號中以直達(dá)聲信號和海面反射聲信號為主，傳播損失相對于其他的聲傳播路徑可以降低10～20 dB[6]。

在可靠聲路徑方面美國投入的研究較多一些，最初美國的深海海嘯災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)（DART和DART Ⅱ）就是基于可靠聲路徑建立的，該系統(tǒng)的監(jiān)測儀被放置在了海底，通過可靠聲路徑傳播可以為美國的大氣管理局對海嘯提供遠(yuǎn)程監(jiān)測[7]；為了改變安靜型潛艇發(fā)展的不對等威脅，美國國防部率先啟動了基于可靠聲路徑的分布式潛艇獵捕系統(tǒng)（DASH）[8]。國內(nèi)對于可靠聲路徑的研究相對較少，西北工業(yè)大學(xué)的楊坤德、段睿等對可靠聲路徑的物理特性進(jìn)行了分析，在深?？煽柯暵窂綏l件下提出了基于多途到達(dá)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)定位方法[8-9]；國防科技大學(xué)的邱春燏、陳羽等人在可靠聲路徑下改變改變聲源的距離，針對深度余量內(nèi)的信號垂直相關(guān)性的變化進(jìn)行了仿真分析[10]；海軍航空工程學(xué)院的王鴻吉、楊日杰等對可靠聲路徑的物理機(jī)理進(jìn)行了分析，然后在Munk聲速剖面下將可靠聲路徑與時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡結(jié)合，對垂直水聽器陣時(shí)反定位問題進(jìn)行了研究和分析[11]。

目前國內(nèi)對于可靠聲路徑的研究較少，而且主要是利用可靠聲路徑進(jìn)行目標(biāo)的探測和定位。本文主要以射線聲學(xué)仿真為基礎(chǔ)，從可靠聲路徑的聲傳播出發(fā)，對比分析了幾種不同海洋參數(shù)條件下的聲傳播特性，然后在可靠聲路徑聲線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分析了可靠聲路徑下單載波通信算法的性能，并總結(jié)了利用可靠聲路徑進(jìn)行信息傳輸?shù)膬?yōu)勢。

1 RAP的形成機(jī)理與聲傳播特性

深海聲道存在于全球的深海海域，例如我國的南海和臺灣海峽等，因其具有十分良好的聲傳播性能而受到廣泛的關(guān)注。聲道軸是深海聲道所特有的，在聲道軸處的聲速是一個(gè)極小值，在聲道軸的上下其聲速梯度正相反；深海聲道的另一個(gè)不同于表面聲道特點(diǎn)就是其不受季節(jié)變化的影響，聲道效應(yīng)穩(wěn)定[12]。

圖1 典型深海區(qū)域的Munk聲速剖面Fig.1 Munk sound velocity profile of a typical deep-sea area

可靠聲路徑（RAP）存在于深海海域，對于有臨界深度的深海，將聲吶設(shè)備放置于臨界深度和海底之間（存在深度余量），此時(shí)海面反射和海底散射對聲傳播的影響較小，遠(yuǎn)處的航船等噪聲對聲場分布影響也較小，直達(dá)聲可以到達(dá)的距離較遠(yuǎn)，根據(jù)聲場的互易性，收發(fā)位置互換也是遵循的。Munk模型通常被用來描述深海聲道的聲速分布，Munk模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[12]

式中：η= 2 (z-z0)/B；z0= 1 000 m 為聲速極小值的位置；B= 1 000 m為波導(dǎo)寬度；c0= 1 500 m/s為聲速極小值；ε= 0 .0057為偏離極小值的量級。典型的深海 Munk聲速分布模型如圖 1所示，海深5 000 m，聲道軸位于1 000 m，臨界深度大致位于3 700 m左右，本文可靠聲路徑的相關(guān)仿真工作都是基于該聲速剖面進(jìn)行的。

圖2給出了聲源位于海底和海面附近的2種典型的RAP聲傳播損失分布（傳播損失是在聲源輻射頻率附近的窄帶內(nèi)取平均得到的，且單位是dB，下同）。從圖2（a）可以看出聲源位于海面附件時(shí)，在臨界深度以下，低傳播損失區(qū)域的分布可以達(dá)到40 km左右。在此區(qū)域之內(nèi)，直達(dá)波能量強(qiáng)，主要原因是由于臨界深度的存在，當(dāng)深度余量足夠大時(shí)，聲線在接觸海底之前由于折射會反轉(zhuǎn)，不經(jīng)海底反射而繼續(xù)以直達(dá)聲和海面反射聲的形式傳播，在海面附近形成一個(gè)匯聚區(qū)，傳播損失很低。

圖2 聲傳播損失空間分布（1 kHz）Fig.2 Spatial distribution of sound propagation loss (1 kHz)

根據(jù)聲場互易性，聲源放在海底附近時(shí)（深度余量內(nèi)），如圖2（b）在40 km左右的整個(gè)中等距離內(nèi)不存在影區(qū)，尤其是左側(cè)的一個(gè)“碗”狀區(qū)域之內(nèi)，傳播損失更低，這個(gè)“碗”狀區(qū)域就是RAP的主要分布區(qū)域。根據(jù)RAP的分布特性，將接收器放在海底附近時(shí)，可以無盲區(qū)的對近海面區(qū)域進(jìn)行探測，同樣可以實(shí)現(xiàn)海底與淺層區(qū)域的跨層通信。

2 環(huán)境參數(shù)變化對RAP聲傳播的影響

在實(shí)際的海洋中，水體介質(zhì)的分布是隨機(jī)的、不均勻的，海洋參數(shù)動態(tài)起伏導(dǎo)致了實(shí)際的海洋環(huán)境中存在各種不確定性。下面分析幾種海洋環(huán)境參數(shù)對RAP聲傳播的影響。

2.1 海水深度對RAP聲傳播的影響

在圖1的聲速剖面下，分別設(shè)置海深3 000 m，3 500 m，4 000 m，5 000 m進(jìn)行仿真，聲源位置固定，都放置在50 m深的位置，結(jié)果如圖3所示。很明顯，隨著海深的不斷降低，低傳播損失區(qū)域也在不斷地變小，較遠(yuǎn)距離的海面處的匯聚區(qū)也在不斷的變小。5 000 m海深對應(yīng)的深海低傳播損失區(qū)域可以達(dá)到47 km左右；4 000 m海深也存在臨界深度，但是其深度余量小，導(dǎo)致其低傳播損失區(qū)域也小一些，最遠(yuǎn)可以到達(dá) 40 km左右；在海深3 500 m時(shí)，臨界深度不存在，此時(shí)海底附近的低傳播損失區(qū)域只有 28 km左右，同樣的，在海深3 000 m時(shí)，低傳播損失區(qū)域僅有19 km左右。

圖3 不同海水深度下的傳播損失圖Fig.3 Propagation loss diagram at different sea depths

值得一提的是，我國南海部分海域的海深不足4 000 m，其不存在臨界深度，聲傳播模型類似于3 500 m和3 000 m海深的仿真結(jié)果，當(dāng)聲源布放在海面較淺區(qū)域時(shí)，海底附近的低傳播損失區(qū)域范圍較小，此時(shí)的低傳播損失區(qū)域也可當(dāng)作RAP處理，且由于擴(kuò)展損失小，聲場能量更強(qiáng)。在處理不存在臨界深度的海域時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況將海面處聲源布放的稍微深一些，如圖4所示。聲源深度200 m，此時(shí)3 000 m海深的低傳播損失區(qū)域達(dá)到了35 km左右，相對于圖3（d）遠(yuǎn)了15 km左右，此時(shí)可以找到聲源位置處聲速對應(yīng)的共軛深度，使更多的聲線在到達(dá)海底之前反轉(zhuǎn)，繼續(xù)以直達(dá)聲的形式傳播。

圖4 海深3 000 m聲傳播損失分布Fig.4 Distribution of sound propagation loss at a depth of 3000m

聲源深度50 m固定，海水深度從1 000 m變化到5 000 m，進(jìn)行最大低傳播損失區(qū)域的對比，如圖5所示?？梢钥闯鲭S著海深的不斷增加低傳播損失最大區(qū)域也在增加，且在臨界深度（3 700 m）附近存在一個(gè)跳變，使低傳播損失區(qū)域增大很多。

圖5 不同海深對應(yīng)的海底低傳播損失區(qū)域Fig.5 Different seabed low propagation loss area at different sea depths

2.2 水平聲速變化對RAP聲傳播的影響

在實(shí)際的海洋環(huán)境中，海水的聲速受海洋中尺度運(yùn)動等現(xiàn)象的影響而不斷變化，一個(gè)典型的例子就是海洋內(nèi)波，海洋內(nèi)波是一種由于海水密度分層而產(chǎn)生的重要的海洋現(xiàn)象。當(dāng)海洋內(nèi)波水平傳播時(shí)，其會與海洋中的隨機(jī)表面波發(fā)生混合，從而導(dǎo)致等密度面的波動，等密度面的波動會導(dǎo)致聲速的方向和大小都發(fā)生改變[8]，對聲吶的性能有很大的影響。

在圖1的聲速剖面的基礎(chǔ)上，選取3個(gè)不同的觀測時(shí)刻，每個(gè)觀測時(shí)刻的水平聲速變化如圖6（a），6（c），6（e）所示，通過水平聲速變化對圖1的聲速剖面進(jìn)行修正，然后仿真得到每個(gè)聲速剖面對應(yīng)的聲傳播損失圖，如圖6（b），6（d），6（f）所示。

圖6 3個(gè)不同觀測時(shí)間對應(yīng)的聲速變化和傳播損失圖Fig.6 Diagram of sound velocity change and propagation loss at 3 different observation times

通過圖6可以看出，在1 500 m深度以上，內(nèi)波引起的速度的變化相對較大一些，而在1 500 m以下，其聲速變化很小，在3 000 m深度時(shí)幾乎就沒有變化了。結(jié)合圖 2（a）對比聲傳播損失圖可以看出水平聲速變化對中等距離內(nèi)RAP區(qū)域的聲傳播特性影響很小，不同的是在影區(qū)部分出現(xiàn)了一些干涉條紋，這說明了RAP信道穩(wěn)定，線性內(nèi)波對其聲傳播影響很小。聲速起伏對可靠聲路徑影響小的原因是經(jīng)海底附近傳播的直達(dá)聲波在海洋上層區(qū)域傳播時(shí)掠射角較大，根據(jù)Snell定律可以知道，聲線掠射角大，聲速的起伏變化對其折射角的影響相對較小。

2.3 海底參數(shù)變化對RAP聲傳播的影響

在實(shí)際的海洋環(huán)境中，海底的介質(zhì)不是均勻的，而且受環(huán)境的影響，海底介質(zhì)的參數(shù)也不是一成不變的，為了更好的分析RAP區(qū)域的聲傳播特性，改變海底底質(zhì)參數(shù)（聲速、密度和聲衰減系數(shù)）來進(jìn)行對比分析。得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同海底參數(shù)下的聲傳播損失空間分布Fig.7 Spatial distribution of sound propagation loss under different seabed parameters

從圖7中的4個(gè)圖可以看到，對應(yīng)不同的海底參數(shù)得到的聲傳播損失在中等范圍內(nèi)的RAP區(qū)域是一樣的，海底參數(shù)主要影響的是更遠(yuǎn)距離的聲影區(qū)，因?yàn)樵赗AP區(qū)域聲線主要以直達(dá)聲和海面單次反射聲線為主，海底反射聲能量很低。這進(jìn)一步說明了RAP聲傳播的穩(wěn)定性，受界面影響較小。

3 RAP區(qū)域的單載波通信性能分析

3.1 基于RAP的聲線結(jié)構(gòu)分析

聲線結(jié)構(gòu)的仿真采用圖 1所示的聲速剖面，聲源輻射頻率1 kHz，海底聲學(xué)參數(shù)如下：假設(shè)海底平坦，海底參數(shù)為c=1 600 m/s，ρ=1.7 g/cm3，α=0.8 dB/λ。聲源深度取 50 m，接收機(jī)深度取4 900 m，改變接收水平距離，本征聲線結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 不同接收距離處對應(yīng)的本征聲線Fig.8 Eigen sound rays corresponding to different receiving distances

圖8中：紅色聲線代表直達(dá)聲線，藍(lán)色聲線代表海底反射聲線，綠色聲線代表海面反射聲線，黑色聲線代表同時(shí)經(jīng)過海底和海面反射的聲線。在圖8（a）中可以看出在30 km之內(nèi)的距離的各個(gè)接收點(diǎn)都可以收到直達(dá)聲線還有海面海底單次反射的聲線，但是隨著距離的增加，聲線逐漸彎曲，而且經(jīng)過界面的反射次數(shù)也在增加；在圖8（b）中可以看出，這2個(gè)位置接收到的聲線的界面反射次數(shù)在不斷增加，在35 km處海底反射聲線和直達(dá)聲線都不存在了，海面反射聲線也發(fā)生了明顯的彎曲，該距離已經(jīng)到達(dá)甚至超出了可靠聲路徑分布范圍，根據(jù)Snell定律，聲速梯度的存在會使聲線發(fā)生折射，產(chǎn)生強(qiáng)烈的彎折，此時(shí)只有極少部分能量可以進(jìn)入接收機(jī)，聲線幅度很低。在40 km處接收到的只有經(jīng)過海面海底多次反射的聲線，其傳播損失較大，此時(shí)已經(jīng)完全脫離了可靠聲路徑的傳播區(qū)域。

海洋環(huán)境參數(shù)設(shè)置同圖8，圖9給出了2個(gè)接收位置的聲線到達(dá)結(jié)構(gòu)，對于每個(gè)接收位置都只選取了第一組多途進(jìn)行觀察，因?yàn)樵诜抡娴目煽柯暵窂江h(huán)境下，只有第一組多途能量最高，穩(wěn)定且容易利用，各多途結(jié)構(gòu)如圖10所示。從圖9可以看出，在10 km的接收位置，有4種類型的聲線，其中直達(dá)聲線和海面反射聲線對聲場的貢獻(xiàn)最大，能量最強(qiáng)；經(jīng)過海底反射的聲線能量較弱，主要原因是聲線在到達(dá)海底時(shí)，較大掠射角的聲線會穿透海底，主要的能量在海底中衰減，只有較小掠射角的聲線經(jīng)過海底的時(shí)候會被反射回到水中，經(jīng)過海底海面多次反射的聲線由于幾何衰減而變的更弱。

圖9 不同接收距離處對應(yīng)的聲線到達(dá)結(jié)構(gòu)Fig.9 Corresponding sound ray arrival structures at different receiving distances

圖10 各組多途到達(dá)結(jié)構(gòu)Fig.10 Multi-reach structure for each group

3.2 基于RAP的單載波通信性能分析

本節(jié)在分析RAP聲傳播特性的基礎(chǔ)上結(jié)合單載波時(shí)域均衡算法對可靠聲路徑下單載波通信的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

聲場的環(huán)境參數(shù)同圖8的仿真，水聲信道就是前面仿真分析的 RAP信道，信噪比根據(jù)公式SNR=SL-TL-NL得到，其中聲源級假設(shè)160 dB不變；傳播損失根據(jù)Bellhop仿真得到；由于遠(yuǎn)距離聲源輻射噪聲的出射掠射角較小，無法穿過臨界深度到達(dá) RAP信道之內(nèi)，環(huán)境噪聲在臨界深度以下降低的很快，距離臨界深度最深的位置其環(huán)境噪聲相對于聲道軸位置低大約10 dB[8]。在仿真中假設(shè)臨界深度以下的環(huán)境噪聲級為50 dB，臨界深度以上的環(huán)境噪聲級為60 dB。

通信系統(tǒng)仿真采用如下參數(shù)。采樣頻率：fs= 4 .8 kHz；載波頻率：f0=1 kHz；符號率：Baud = 0 .2 kS/s；映射方式：QPSK；脈沖成型濾波器采用開方升余弦濾波器，滾降系數(shù)α=1；同步信號為線性調(diào)頻信號，其中心頻率f0=1 kHz，帶寬B= 4 00 Hz，脈寬200 ms，保護(hù)間隔Td=200 ms。均衡器結(jié)構(gòu)采用帶分?jǐn)?shù)間隔的判決反饋均衡器（采樣間隔稱為碼元間隔的一半），時(shí)域均衡算法使用遞歸最小二乘算法（RLS），仿真發(fā)送 10 000 bits數(shù)據(jù)，其中前2 000 bits數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練序列，用于更新均衡器抽頭系數(shù)，抽頭系數(shù)共80個(gè)，前后均衡器各40個(gè)。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.11 Data frame structure

仿真：聲源深度 50 m，接收深度選取 500～4 900 m，每 20 m一個(gè)接收，接收水平距離選取15 km，得到的結(jié)果如圖12所示。

圖12 水平距離15 km處對應(yīng)不同深度的誤碼率和輸出信噪比Fig.12 Bit error rate and output signal-to-noise ratio at different depths with a horizontal distance of 15 km

圖12中給出的誤碼率曲線和接收信號信噪比曲線是經(jīng)過100次獨(dú)立的仿真后取平均得到的。根據(jù)圖12可以看出在在較淺的區(qū)域其誤碼率較大而且輸出信噪比也較低。

根據(jù)圖2（a）可以看出水平距離15 km處的低傳播損失區(qū)域的邊界在2 500 m左右，因此圖12（a）中2 500 m以下的區(qū)域其誤碼率幾乎都為0，接收信號的信噪比也更高。這里可以看出的是在海深4 200 m左右的位置，誤碼率曲線有一個(gè)突出的峰值，此時(shí)誤碼率量級為10-3，對應(yīng)的接收信號信噪比也有一個(gè)谷值。對谷值處的聲場結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真如圖13所示，4 200 m深處和4 700 m深處的聲線組成是一樣的，且幅度相差很?。徊煌氖?，由于海底的反射路徑的不同，在4 200 m接收位置的最大多途時(shí)延達(dá)到了300 ms，而4 700 m接收位置的最大多途時(shí)延僅有100 ms左右。即便如此，該位置的通信效果相對于RAP之外的區(qū)域還是較好的。綜上，接收位于RAP區(qū)域時(shí)，其通信誤碼率都低于10-2，很多位置都是0，接收信號信噪比高出非RAP區(qū)域10 dB左右，尤其是在海底附近，通信誤碼率都是0，輸出信噪比高出非RAP區(qū)域15 dB左右；接收位于非RAP區(qū)域時(shí)，其通信誤碼率平均都在10-1之上。

圖13 2個(gè)接收位置聲場對比Fig.13 Comparison of sound fields of 2 receiving positions

接下來進(jìn)行不同接收位置（同時(shí)考慮深度和距離）的通信性能的仿真，進(jìn)一步分析在可靠聲路徑下單載波通信算法的性能。

圖14中接收深度選取1 000～4 900 m，接收水平距離選取 10～50 km，其中誤碼率偽彩圖是經(jīng)過100次獨(dú)立的仿真后取平均得到的。如圖14所示，在相同的仿真條件下，RAP分布區(qū)域內(nèi)部的誤碼率較非RAP區(qū)域的誤碼率低很多，因?yàn)樵赗AP信道內(nèi)，聲線以直達(dá)聲為主，傳播損失低，信噪比高。同時(shí)可以看出，通過可靠聲路徑進(jìn)行通信時(shí)，無誤碼（誤碼率低于10-3）通信的通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到38 km。根據(jù)聲場互易性，海底布放的通信節(jié)點(diǎn)通過RAP信道可以將信息穩(wěn)健的傳輸?shù)奖韺樱瑢?shí)現(xiàn)海底-海面之間信息的跨域傳輸；而且，在RAP信道內(nèi)，傳播損失低，信噪比高，可以適當(dāng)?shù)亟档桶l(fā)射功率，提高信息傳輸?shù)碾[蔽性。

圖14 誤碼率和傳播損失隨接收深度和接收距離變化Fig.14 Bit error rate and propagation loss varying with reception depth and reception distance

4 結(jié)束語

本文在射線模型的基礎(chǔ)上對深海 RAP信道的聲傳播特性進(jìn)行了研究，分析了海水深度、水平聲速變化以及海底介質(zhì)參數(shù)變化對可靠聲路徑聲傳播的影響。仿真結(jié)果顯示，RAP在35 km左右的中遠(yuǎn)程距離內(nèi)不存在聲影區(qū)，海水深度影響低傳播損失區(qū)域的最大范圍，通過可靠聲路徑傳播的聲波可以達(dá)到更遠(yuǎn)的距離，同時(shí)可靠聲路徑對聲速起伏和界面散射不敏感，信道穩(wěn)定。然后，針對RAP信道內(nèi)的聲線到達(dá)結(jié)構(gòu)以及 RAP信道下跨層通信實(shí)施的可行性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：在RAP信道內(nèi)，直達(dá)聲能量較強(qiáng)，信噪比高；相同的仿真條件下，RAP區(qū)域的通信效果較同距離上淺深度的接收好很多；通過RAP進(jìn)行通信時(shí)，深度余量內(nèi)的低誤碼通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到38 km左右。

通過 RAP通信可以實(shí)現(xiàn)海底-海面之間信息的跨域傳輸，將近海底探測節(jié)點(diǎn)的探測結(jié)果傳輸?shù)奖韺樱矣捎赗AP區(qū)域傳播損失小，可以采用低發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)隱蔽信息傳輸。本文的研究結(jié)果可以為日后的深海信息傳輸，如海底預(yù)置武器的喚醒與遙控等提供技術(shù)基礎(chǔ)。