序
水声通信是时变,频变、空变的随机多径信道,水声通信具有窄宽带和高噪声的特性。
MilicaStojanovic提出的二阶锁相环信道跟踪与自适应反馈均衡技术相结合的单载波通信体制,是水声通信从低速率发展到高速率水声通信的一个里程碑。
目前,高速水声通信的研究主要在以下三个方面:
a)对单载波体制下的时间反转技术、频域均衡等技术的研究
b)对多载波调制下的相关接收处理技术的研究
c)在多输入多输出技术架构下,对包括分别与单载波调制和多载波调制相结合的相关接收处理算法的研究
正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波调制的传输技术。它具有天然的高速率和抗多路径干扰的优势,是中近程高速水声通信的主流方案之一。
第一章 引言
水声通信媒介
为了在水面漂浮系统和水下宝贵的资产之间建立通信,使用了四种不同的通信
媒介。
- 电缆。可以提供鲁棒的通信性能。但是部署和维修费用非常高。这就促使使用无线数据传输。
- 声波。对于水下无线通信系统,声波因其在水下环境中具有相对低的吸收损失而作为主要通信载体来使用。但是,声波传播速度低并且频带非常有限。
- 电磁(EM)波。在无线电频段使用电磁波比使用声波有个优点,最主要的是
速度快和工作频率高(从而带来较高的带宽)。在水下通信中使用电磁波的主要限制是由于海水的导电性使得电磁波的衰减很大。 - 光波。很明显,使用光波通信在数据速率上有很大的优势。但是光通信在水
下也有几个缺点。首先,光信号很快在水中被吸收;第二,由悬浮粒子和浮游生物带来的光散射非常大。第三,在水的上半部分环境光的高照度会对光通信的使用产生另一个负面影响。
声波在海水中传播良好并能到达相当远的距离。这证明了在许多水下无线通信中使用声波的合理性。
水声通信的特点
通过海水的极低声传播速度是声波区别于电磁波传播的一个重要因素。水中的声速取决于水温
、盐度
和压力
。
水下声速随着水温、盐度和深度的增长而增大。
在深海中,典型声速剖面是深度的函数,根据深度,声速剖面可分为四层。
- 表面层。表面层通常有几十米水深。由于风的混合影响,该层的温度和盐度者都趋于均匀,这使得
声速为常量
。表面层也称为混合层。 - 季节性和恒定温跃层。在温跃层,随着水深的增加,水温在降低,如图1.1所示。在一个负梯这两层中,压力和盐度的增加无法补偿温度降低的影响。因此,在深度上有一个负梯度的声速剖面。在季节性温跃层,负梯度随着季节变化,而在恒定温跃层则软交少有季节性的变化。
深等温层。水温几乎是保持在4℃左右的常数。声速也因此主要由水压决定,这导致随深度变化的声速剖面为正梯度。 - 深等温层。水温几乎是保持在4℃左右的常数。声速也因此主要由水压决定,这导致随深度变化的声速剖面为正梯度。
根据Snell定律,当声速在介质中发生变化时,声线会沿着传播速度较低的方向弯曲。在浅海中,声速通常是常量,声信号会沿直线传播。然而,在深海中,声速剖面会引起声传播路径的变化。在温跃层和深等温层之间的特定水深处有一个声道轴,此处的声速最小。当声信号在声道轴上传播时,声射线会向下弯曲;当声信号在温跃层和深等温层之间传播时,声射线会向上弯曲。这种传播现象被称为深海声道,对应的传播被称为SOFAR(水底测音装置)传播。SOFAR传播的一个有趣现象是可以通过较短的传播时间传播较远的距离。由于声速的不一致性引起的折射,在声场中存在阴影区和会聚区。阴影区表示直达声路径无法到达的区域,而会聚区表示一簇声路径集中穿透的区域。
传播损失
声波在水中传播的过程中,有三种主要的能量损失机理:(i)吸收损失
,(ii)几何扩展
,(iii)散射损失
。
在传播过程中,声波能量可能转换成其他形式并被媒介吸收。吸收的能量损失由材料的缺陷所直接控制,这是因为经过材料的物理波传播的类型不同。对于电磁波而言,这个缺陷是海水的电导性。对于声波,材料缺陷是无伸缩性的,它将声波能量转换成热能