一种时变海洋信道建模方法技术

本发明专利技术公开了一种时变海洋信道建模方法，包括以下步骤1)采用Bellhop模型获得的声线传播路径和射线声学仿真软件计算得到信道的冲击响应，作为时变信道建模中信道冲击响应的初值；2)建立按数据分块长度更新的时变水声信道，获得海洋信道冲击响应h(t)随时间变化的统计特性，进一步对按符号速率抽样后的ht与ht+τ随时间变化的统计特性进行研究，建立统计参数的数据库；3)水声信道变化可分为ht+τ相对ht的结构不变和结构发生变化的情况，ht结构不变时，ht+τ通过数据库中信道随时间变化的相关程度更新信道；ht结构变化时，重新生成新的稀疏度因子并更新信道。本发明专利技术建立的时变水声信道统计模型可以很好还原海洋水声信道，准确反映水声信道的稀疏特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下通信领域，尤其涉及一种海洋信道的建模方法。
技术介绍
不同于无线电通信，水下通信有着极其复杂的信道，水声信道的建模存在着很大的难度，想要精确地建立适应于所有水声信道的模型非常困难，国内外对此均做了很多研究。海洋信道建模方法主要有统计模型、确定型模型和半确定型半统计模型。最初提出来的是海洋信道统计测量法，根据海洋不同季节、温度、风速、盐度等物理特性的相关参数，记录各个动态下的海洋信道特征，再将大量数据进行统计，拟合出统计量表征海洋信道特性，最为著名的信道时域实测是美国南加州大学超宽带实验室于年所做的实验以及Intel公司的超宽带频域测量。但这种方法耗费大量的人力物力和时间，而且精确性能并不好。确定型模型是通过浅海环境下声传播的物理特性，以数学的形式研究声压在不同的空间位置随时间有不同的值,得到波动方程，揭示声波传播的普遍规律。根据求解波动方程所用方法的不同可以建立不同水声传播模型。按照对波函数解的形式的选取和求解波动方程时所使用方法的不同可以将传播模型大致分成射线模型、简正波模型、抛物型模型、快速声场模型和多路径展开模型等五类模型。在这五类传播模型中,除了射线模型完全采用了声线轨迹技术,其余的传播模型都不同程度地采用了波动技术。由此产生了水声学中两种传统的模型，即波动理论模型和射线理论模型。在经典射线声学理论中,对声场的描述是由声线来传递声能量的,从声源发出的声线按一定的路径达到接收点,接收点接收到的声场是所有达到该点声线的叠加。简正波模型认为声波在水中按一定的模态进行传播，每一个模态能量与位相分别以一定的速度行走(群速度与相速度)，接收到的声场是所有到达模态的叠加结果。它是波动方程的精确积分解，计算时必须给出海底结构情况。因频率较高需要计算的阶数较大时，速度较慢。分层射线声学模型是基于射线声学模型，任意复杂的声速垂直分布都可以近似地划分成多层恒定梯度介质的连接，即用每个分层为折线的声速分布来替代连续变化的声速分布。考虑到分层海洋的特殊性，提出一种利用声线跨度搜索本征声线的算法，大大地简化了计算。本征路径模型是基于射线声学理论，把经过海面和海底的反射声线看成是由各自的虚源发出的声线，虚源数目达到无穷的声线叠加，组成了浅海的总声场。由此把浅海中点源辐射声场的问题，变化为无穷个虚源直接辐射的声场问题。在本征声线模型的基础上，将本征声线模型中各条路径的声线视为主声线予以保留，同时将次声线视为高斯正态分布的随机变量迭加在主声线上，这样本征路径的每一径可以被描述为莱斯衰落模型。后来基于这些模型算法，提出了Kraken简正波模型和Bellhop射线模型。Kraken模型将整个深度D划分成N个等间隔的宽度，相应的得到N+1个点，采用有限差分近似，将方程的连续问题转化为标准的特征值问题；Bellhop模型是通过高斯波束跟踪方法，计算水平非均匀环境中的声场。其核心思想是，将水下声场中的每一条声线和高斯强度的分布进行联系起来，声线即是高斯声束的中心声线。所得到关于水声信道模型的结论更准确，和实际的声场更为一致。但不能回避其缺陷：Bellhop模型作为一个确定性的模型，它并不能反映出系统中存在的时变特性，且对于水平变换的声速等问题不能进行有效处理。多径传播及多普勒效应使得水声信道成为典型的时延多普勒双扩展信道。所以提出了第三种建模方法——半确定半统计模型。时变水声信道建模：将水声信道建模成一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器。当信道中传送到接收机的信号是各路径的大量散射分量之和，则冲激响应满足高斯分布。若同时满足均值为0，则其包络满足瑞利分布，而相位在区间(0，2π)内是满足均匀分布的。在已知接收发射源位置以及波导环境信息的情况下，基于镜像法模拟满足水声物理传播衰减和海面海底反射条件环境约束的双扩展信道的方法，并且对各路径的衰减幅度进行自回归建模，得到时变的水声双扩展信道模型。对双扩展动态建摸时对信道向量进行了化简，应用在实验数据中的效果并不理想。以上研究均没有利用信道冲击响应的初值，没有通过信道冲击响应的相关性去研究冲击响应结构的变化和变化的程度，并在此基础上进行时变信道的建模。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种通过大量的海测数据，研究信道冲击响应结构的变化和变化的程度等统计信息来较精确地模拟海洋信道，在此基础上建立一种能够反映信道稀疏特点的时变水声信道模型。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种时变海洋信道建模方法，包括以下步骤：1)采用Bellhop模型获得的声线传播路径和射线声学仿真软件计算得到信道的冲击响应，并作为时变信道建模中信道冲击响应的初值；2)建立按数据分块长度更新的时变水声信道，获得海洋信道冲击响应h(t)随时间变化的统计特性，进一步对按符号速率抽样后的ht与ht+τ随时间变化的统计特性进行研究，寻找能够反映信道变化特点的参数，通过海试数据分析，建立统计参数的数据库；3)基于上述数据建模时变信道，水声信道的变化可分为ht+τ相对ht的结构不变和结构发生变化的情况，ht结构不变时，ht+τ通过数据库中信道随时间变化的相关程度更新信道；ht结构发生变化时，重新生成新的稀疏度因子并更新信道。其中步骤2)中建立统计参数的数据库通过以下几个步骤：21)建立一个按数据分块长度更新的时变稀疏水声信道模型：上式中hi＝[hi,0,…hi,n,…hi,n-1]，hi,n中i和n分别代表符号时间和多途序号，其中为点乘，为多普勒造成的变化相位；22)按符号速率抽样后的ht的稀疏度因子为其l0范数kt＝‖ht‖0。将τ时刻后，信道稀疏度发生变化的先验概率表示为P(K，τ)；将ht中非零值的位置表示为向量Rt，将Rt发生变化的先验概率表示为P(R，τ)；23)ht的改变程度与时间相关，定义信道相关度随时间变化的误差函数eh(τ)反映这种变化 e h ( τ ) = Σ n = 0 N - 1 ( h t , n - h t + τ , n ) ( h 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时变海洋信道建模方法，其特征在于：包括以下步骤1)采用Bellhop模型获得的声线传播路径和射线声学仿真软件计算得到信道的冲击响应，并作为时变信道建模中信道冲击响应的初值；2)建立按数据分块长度更新的时变水声信道，获得海洋信道冲击响应h(t)随时间变化的统计特性，进一步对按符号速率抽样后的ht与ht+τ随时间变化的统计特性进行研究，寻找能够反映信道变化特点的参数，通过海试数据分析，建立统计参数的数据库；3)基于上述数据建模时变信道，水声信道的变化可分为ht+τ相对ht的结构不变和结构发生变化的情况，ht结构不变时，ht+τ通过数据库中信道随时间变化的相关程度更新信道；ht结构发生变化时，重新生成新的稀疏度因子并更新信道。

【技术特征摘要】
1.一种时变海洋信道建模方法，其特征在于：包括以下步骤1)采用Bellhop模型获得的声线传播路径和射线声学仿真软件计算得到信道的冲击响应，并作为时变信道建模中信道冲击响应的初值；2)建立按数据分块长度更新的时变水声信道，获得海洋信道冲击响应h(t)随时间变化的统计特性，进一步对按符号速率抽样后的ht与ht+τ随时间变化的统计特性进行研究，寻找能够反映信道变化特点的参数，通过海试数据分析，建立统计参数的数据库；3)基于上述数据建模时变信道，水声信道的变化可分为ht+τ相对ht的结构不变和结构发生变化的情况，ht结构不变时，ht+τ通过数据库中信道随时间变化的相关程度更新信道；ht结构发生变化时，重新生成新的稀疏度因子并更新信道。2.根据权利要求1所述的一种时变海洋信道建模方法，其特征在于：步骤2)中建立统计参数的数据库通过以下几个步骤：21)建立一个按数据分块长度更新的时变稀疏水声信道模型：上式中hi＝[hi,0,…hi,n,…hi,n-1]，hi,n中i和n分别代表符号时间和多途序号，其中о为点乘，为多普勒造成的变化相位；22)按符号速率抽样后的ht的稀疏度因子为其范数kt＝‖ht‖0。将τ时刻后，信道稀疏度发生变化的先验概率表示为P(K，τ)；将ht中非零值的位置表示为向量Rt，将Rt发生变化的先验概率表示为P(R，τ)；23)ht的改变程度与时间相关，定义信道相关度随时间变化的误差函数eh(τ)反映这种变化 e h ( τ ) = Σ n = 0 N - 1 ( h t , n - h t + τ , n ) ( h ...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏为，蔡晶晶，江霞林，王德清，陈柯宇，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35