声传输损失对水声通信的影响及处理方法

1.对水声通信的影响

水声信道中声的几何扩展和吸收引起的声传输损失，使声场中平均声强I随通信距离r的增加而剧烈地衰减，因而r缩短了。

水声通信信道TL存在着时—空变化特性。不同季节，因太阳辐射的不同而存在时变的声速梯度分布。不同纬度的声速梯度也有较大的差异，高纬度海区容易形成良好声传播条件的表面声道，而低纬度海区容易形成反波导传输。在一天中，可能受太阳辐射的加剧而使负声速梯度锐度增加，传输距离下降，即所谓的午后效应。不同气象条件也影响声场的分布，TL_g具有显著的时—空变化特性，水声通信距离也将是时—空变化的。

海中声吸收形成的TL_a也有一定的时—空变化参数特性。声吸收系数β与海水的温度、盐度和压力有关。其中随温度T变化最明显。当T升高时，海水介质的分子束缚力下降，而且弛豫过程加快，声吸收效应也随之下降。

表3-1示出β随T变化的大致趋势。

表3-1 β依T的变化趋势 （单位：dB/km）

可见，当通信距离r较远时β依T而变对T_a的影响是明显的，如f=15kHz，T=25℃与T=10℃的β值相差0.6dB/km。当r=50km，TL_a相差达30dB。

海中声吸收及散射效应形成水声通信的严格带限特异性，制约了通信速率的提高，如扩频体制的应用受到限制。

海中声的吸收衰减TL_a=βr随着工作频率f和通信距离r的提高而迅速加大，如表3-2所示。

表3-2 不同f和r下的声吸收损失

β值对应于T=15℃，S=30%和pH=8.3。

由表3-2可知，对于较远距离的水声通信，必须选择较低的工作频率f，如f=4kHz，通信距离r=50km和r=100km，T_a分别为16dB和31dB；如取f=14kHz，分别达到65dB和130dB，要以增加声功率的方法来抵偿大的TL_a增量是不可能的。

结论是：水声通信机的频带受到严格的限制。例如使水声通信机的频带选取2～4kHz，对于r=50km，其上、下边频TL_a之差只有5dB，即使r=100km，此值也只有10dB，电路上可设法适应，如使上边频功率适当提高，并配以幅度均衡回路。如果接收机的频带加宽，例如2～8kHz，则r=50km和r=100km的上、下边频TL_a之差分别为20dB和39dB，这就很难适应。随着f的提高，上述TL_a的差值将更突出，例如上、下边频取8～14kHz，虽用为6kHz带宽，但r=50km和r=100km的上、下边频TL_a之差分别达到36dB和70dB。(www.xing528.com)

可见，在较远的水声通信条件下，通信机的工作频率应选取较低，其频宽应较窄，如r=50km，使工作频带取4～6kHz较适合，这是水声通信信道声吸收效应形成的严格带限的特异性。

随着f的提高，海中声的散射和起伏效应将加剧，水声信道的带限作用将更加突出。

水声信道的严格频带限制，限制了速率的提高，由香农（Shannon）定理可知增加接收机的带宽可提高有效的通信速率，依此定理建立了扩频通信体制。但水声信道的带限与扩频是相互矛盾的。为了获得较高的扩频增益，不得不降低通信速率，因此，带限限制了扩频通信体制在水声通信中的应用。

2.海中声传输的损失的处理方法

1）提高发射声功率W_a

提高W_a可补偿声传输损失TL，以保持信号检测所需的输入信噪比，从而达到所需的通信距离。

2）降低工作频率

降低工作频率，不但可有效减小TL_a，其等效于W_a的提高，而且没有大功率辐射存在的限制。对于远距离的通信，TL_a可能起着传输衰减的主导作用，应优先考虑采用此方案。

3）选择适宜的带宽

为使接收频带的上、下边频有差别不大的幅值分布，并使NL相应下降，以适应较远距离的水声通信，应取较窄的带宽并相应地降低通信速率。但某些通信机为了获得较高的通信速率指标，需加大带宽或提高信道通带利用率。为解决通信距离和速率相互制约的矛盾，必须采取数据压缩、高分辨率的谱分析及抗多途的频码压缩等有效措施，使带宽保持在适宜的范围。采用扩频通信体制以换取抗干扰、隐蔽通信和实现码分多址通信优越性能，这时应采取宽容的设计策略，对通信声纳参数选取必要的折中，并采用自适应振幅均衡措施，实现对信道和换能器不均匀频响的实时补偿，以提高水声通信的稳定性和可靠性。

4）适应声场时—空变化特性的措施

对民用通信声纳，在条件许可下，应选择有利的季节和渔区，在优良的海洋环境下进行水声通信。如工作于表面声道和深海声道的会聚带区域，另方面，应尽可能避开恶劣的通信条件，采取改变发和收换能器的深度措施，以免落入声影区中，否则通信质量将急剧恶化以致通信失效。

进行声场预报，水声通信信道声场的时—空变特性反映海洋环境的复杂性和多变性，但可依现场海洋条件和声通信机工作条件进行较准确的TL预报，以作为水声通信机工作条件进行较准确的TL预报，作为水声通信机通信距离的指标预估。