水声通信中的通信声纳方程与噪声背景下的检测

声波在水声信道中的传输最为复杂而多变，为了考虑这些因素对水声通信的影响，引入通信声纳方程。

水声通信信道具有随机时、空、频变参数？而且强多途、快起伏、大衰减、高噪声和严带限的特异性，与无线电通信信道存在着许多实质性差异，无线电通信中的许多成熟技术和某些基本原理不能用于水声通信。

首先，对水声信道中声波波阵面的扩展模式做简化，假定声波的波阵面遵从球面扩展规律，声强I。与通信距离r成反平方关系，当实际声强I大于I₀，就称为声强的聚集效应；当I小于I₀，就称为声强的发散效应。则这种效应由聚焦因子描述：

式中，F为复杂的时、空、频变函数。

由声学基础知识可知，球面声场中r处的信号强度为

式中，W_a为发射声功率；

γ为聚集系数；

R（θ，φ）为指向因子；

β为海水介质声吸收和散射效应引起的衰减系数。

在实际的水声通信中，取最大声强的方向，因此R（θ，φ）=1，因此式（3-2）为

接收机收到的I₀能否实现按预定的性能指标进行信息重建，取决于现场的干扰强度I_N。水声通信信道中I_N还包括背景噪声强度I_n和多途干扰强度I_M。在噪声背景下检测的通信声纳方程，这时I_N≈I_n，即弱多途水声通信信道。

通常较高频段的海洋背景噪声可视为加性噪声，按允许的误比特率进行信源信息的重建，取决于输入信噪比（I₀/I_n）i。

由于水声通信中声能的动态范围很大，声纳方程写为以分贝的对数形式，依式（3-3）

式中，I_r为参考声强。

则式（3-4）简化为

（DT）_i=SL-TL-NL （3-5）

式中，（DT）_i、SL和NL为通信声纳方程参量。其物理意义如下分析：

（1）接收机输入检测阈

经水声通信机空间—时间处理后，在一定误比特率（P_e）下，信源的比特流能获得正确判决所需的输出检测阈（DT）₀，从而使水声通信持续而可靠地进行。

不同的用途和媒体的水声通信，有不同的P_e要求，如未经数据压缩的图像、图像文本通信，P_e≈5×10^-2，而语音通信的P_e≈10^-4，因而（DT）_i也有所差异。民用和军用水声通信对（DT）_i的要求不同，特别是保密通信，要求（DT）_i特别低，以使信号隐蔽在噪声背景中。

不同信号处理方式的水声通信机，所要求的（DT）_i也不同，即要求近于最小（DT）_i的性能，从能量传输观点看，（DT）_i的降低，等效于所需W_a的下降。

（2）声源级SL

式中，10lgr=DI_T为发射器指向指数，是其指向性聚集效应对SL贡献的数量描述。(www.xing528.com)

SL表示离声源声学中心1m处最大方向声强与参考声强之比的分贝数。在较远距离处进行声强的测量而折算到1m的距离。

如W_a以瓦为单位，对应的参考声压P_r取1μPa，则

SL=171+10lgW_a+DI_T （3-8）

式中，DI_T需说明的：①DI_T对SL的作用等效于发射功率的提高。②DI_T的数值，即发射器的r由其辐射面的几何形状、尺寸、工作频率和安装状态等因素决定。③在水声通信中，对发和收双方的方位未知的情况下，通常水平取无方向性，要考虑换能器垂直方向上的摇摆，因此垂直方向的指向性不能太窄。水声通信机的DI_T不能获得太高的数值，应采用一定高度的圆柱型换能器为宜。

（3）传输损失TL

包括几何扩展损失，TLg=20lgr和声吸收、散射损失TLa=βr两部分。海水对声能的吸收转化为热能，散射使声波偏离入射于接收机的方向，其效果等同于能量的损失，由二者综合衰减系数β定量描述。

（4）噪声谱级NL

式中，I_r为参考声强。

海洋噪声包括海洋环境噪声和舰船的自噪声。在声纳方程中，它作为均匀各向同性和加性噪声处理。

要注意I_n的数值与换能器的指向性有关：无方向性的接收器所收到的I_n大于指向性的I_n。在水声通信中，多数接收换能器均采用单一器件而不是复杂合并技术，其指向性及由此而获得的空间处理增益、由换能器辐射面的几何形状、尺寸和工作频率决定。为了定量描述换能器指向性对NL取值的作用，引入接收换能器指向性指数：

式中，I_n1和I_n2分别为在同样灵敏度下无方向性和有方向性接收到的I_n。对式（3-11）作变换则

式中，NL₁为无指向性；

NL₂为有指向性。

可见，采用有指向性的NL₂等于把无指向的NL₁压低了DIdB。依水声通用设计的DI，可使接收机对（DT）_i的要求降低了DIdB，其效果等效于SL提高相应的分贝数。通常，对收、发合一的换能器，DI=DI_T。

在水声网络定点数据通信中，采用换能器阵列形成特殊的指向性图案，这时以空间处理器及其空间增益代替单一换能器的DI更适宜。其次，要注意接收机频带宽度B对NL的影响，海洋噪声一般不满足白噪声条件，但在B不是太宽的条件下，可以把此频带中的噪声强度谱视为均匀，因此

NL=NL₀₁+10lgB （3-13）

式中，NL₀₁为无方向性接收器在1Hz中接收到的噪声声强谱级。

综上所述，对有指向性、带宽为B接收机的NL可按下式估算

NL=NL₀₁+10lgB-DI （3-14）

通信声纳的物理过程如图3-7所示。

图3-7 声纳参数的水声通信示意图

发射机把电功率加于聚集系数为r的发射换能器上，它以一定的电—声效率（70%）转换成声功率W_a，并以最大值为取向辐射于海水介质中。相对于1m的SL，经TL衰减后，到达通信机的接收换能器上，输入信号与各向同性的背景噪声组成接收机的输入检测阈（DI）_i。首先，由接收换能器单元的指向性效应，把NL压低了DIdB，获得一定的空间增益。接收机在随后的时（频）域处理中，进一步获得了大的时（频）处理增益，最终使（DT）_OUT满足终端判决的要求。