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基于BELLHOP的水声信道时变模型

【摘要】随着海洋开发和信息产业的发展，对水声信道的研究日益重要。传统的射线声学模型不能很好地反映水下环境的复杂多变性。本文提出的BELLHOP--多普勒时变模型充分考虑了水体环境和信道几何结构等物理因素，反映了水声信道的衰减、多径、时变特性，并重点分析了多普勒效应造成信号频移和时间扩展(或压缩)的问题。

【关键词】水声信道；BELLHOP模型；多普勒时变效应；时变模型

1.引言

随着海洋开发和信息产业的发展，利用水声信道传送数据信息(如海洋环境监测数据、水下图像等)的需求不断增加。因此，了解水声信道的传播特性并建立相应的信道模型对水声通信的发展具有十分重要的意义。

水声信道是一复杂多变的信道，具有严重的衰减、多径传播和时变的特性，同时受到海洋环境噪声的影响[1]。因此要用准确的数学模型来描述水声信道是很困难的。传统的水声通信信道仿真主要基于射线声学模型[2][3]，如BELLHOP模型[4]等。BELLHOP模型是通过高斯波束跟踪方法[5]，计算水平非均匀环境中的声场，它克服了传统射线模型中声影区强度为0和焦散线截面为0处声强度为无穷大的缺陷。但它是静态模型，当收发节点固定时，信道冲激响应保持不变，因此它不能反映水声环境的时变特性。本文在BELLHOP射线模型的基础上，针对水声信道的传播特性，重点考虑多普勒效应对信道的影响，引入了一种BELLHOP--多普勒时变信道模型。同时对仿真中的各种参数进行了一定的理论分析。

2.时变信道模型

2.1 信道时变特性

图1为在实验室水池中的实测波形，接收端和发射端的水平距离为6m，信号持续时间为1ms。在本实验中，我