本发明涉及声学领域，具体涉及水声通信信道建模技术，主要是一种高精度水声通信信道建模方法。
背景技术：
在构建水声通信系统时，如通信信号的波形、带宽和功率等诸多因素的分析设计需要考虑水声信道的影响。所以高精度的水声信道模型对通信系统构建至关重要。bellhop是一种分析波导声压场的模型。该模型应用十分广泛，其在设定海洋环境下，应用射线理论分析信道函数、传播损失等，但此模型未考虑实际海洋环境参数的时变特性。近年来，时变信道仿真模型的关注度越来越高。porter等提出了一种基于bellhop的时变信道估计方法，该方法通过跟踪多个相关波束来分析时变信道对发射信号的影响，但该算法计算量巨大。parastoo提出了一种水声通信信道统计建模方法，其将实际环境参数的不确实性分类为两种，分别是大尺度效应和小尺度效应，并用ar过程建模。该方法构建了时变水声信道模型，并减小了计算量。海面起伏是造成信道时变的一个重要因素，但由于海面起伏变化周期很短，若反复调用bellhop模型来模拟海面变化，将大幅度增加计算量，所以parastoo的方法分析过程中未考虑海面起伏模型，只设定一个起伏速度用于分析多普勒，未考虑起伏高度对时延等的影响。
本成果中，基于parastoo的时变信道模型，考虑海面起伏对信道冲击响应的影响，提出了一种高精度的水声信道建模方法。该方法分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响，并在parastoo的时变信道模型中考虑此影响，从而优化其时变信道模型，在不增加计算量的情况下实现高精度水声通信信道建模。并用wafo模型模拟海面起伏验证了该方法可行性。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高精度水声通信信道建模方法，可以模拟海洋时变信道，实现高精度水声通信信号建模。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种高精度水声通信信道建模方法，包含如下步骤：
(1)构建信道大尺度变化模型，用一阶ar过程模拟声源和接收机的随机运动。
收发平台距离失配是是造成大尺度变化的主要原因之一。大尺度变化的影响反应在各路径传播距离和时延。路径长度的变化为
其中a0为信号中心频率处的吸收系数。实际分析过程中用一阶ar过程模拟声源和接收机的大尺度变化。
(2)根据仿真环境要求用bellhop模型或者镜像模型计算多路径时延和衰减信息。
等声速环境用镜像模型来分析多路径时延和衰减信息，声速随深度变化时用bellhop模型来分析。
(3)根据海面起伏数据，用近似模型来分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响
图1中长虚线表示bellhop模型或镜像模型计算的平整海面环境下某条海面反射路径，随着时间变化，海面起伏，此路径长度发生变化，改变量为δ，可用下面表达式近似，
δ(u,t)≈h(u,t)cos(θ)(3)
其中u为此路径在海面反射的水平距离，θ为此路径入射到海面的角度。路径长度改变量决定时延改变量，所以海面起伏变化后，此路径的传播时延为
海面起伏的多普勒影响由起伏速率决定，具体表达式如下所示
w(t,u)为在t时刻，距离为u处海面的起伏高度。
(4)分析小尺度散射模型，将每条路径散射为多条子路径，分析子路径的时延和多普勒影响。
小尺度变化主要由各路径散射造成。分析时将每条路径散射成多条子路径，每条路径的幅度和时延都有起伏。散射子路径的幅度用正态分布表示，时延用ar过程描述。第p条路径经小尺度变化后的散射系数为
(5)分析收发平台运动的多普勒影响。
收发平台相对速度表达式为
vdp＝vtdcos(θp-θtd)-vrdcos(θp+θrd)(7)
其中vtd,θtd,vrd,θrd为目标和接收机的运动速度和角度。θp为目标路径运动方向。
根据此相对速度分析多普勒偏移因子ap＝vdp/c。
(6)将多径耦合，并考虑海面起伏的影响，构造时变信道冲击响应。
耦合后，
其中hp为第p条路径的路径增益。
在parastoo的时变信道模型中分析考虑海面起伏对多路径时延和多普勒的影响，优化其时变信道模型，在不增加计算量的情况下实现高精度水声通信信道建模。
本发明的有益效果为：本发明在parastoo的时变信道模型的基础上，分析了海面起伏对多路径到达信号时延和多普勒的影响，并在构造接收信号过程中考虑此影响，可实现高精度水声通信信道建模，构造高逼真度接收信号。
附图说明
图1：海面起伏近似示意图；
图2：b1s1路径近似结果与bellhop运行结果传播时间分析；
图3：反复运行bellhop的时变信道冲击响应；
图4：近似结果得到的冲击响应；
图5：wafo模型近似的海面起伏；
图6：时不变信道冲击响应；
图7：parastoo模型信道冲击响应；
图8：wafo海面起伏模型信道冲击响应；
图9：信道建模系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。
(1)构建信道大尺度变化模型，用一阶ar过程模拟声源和接收机的随机运动。
大尺度效应用一阶ar过程建模，ar系数为0.9，每次随机偏移量服从正态分布。
(2)根据仿真环境要求用bellhop模型计算多路径时延和衰减信息。
仿真过程中用bellhop模型分析，仿真条件为：波导深度为100m，收发深度分别为50m和20m，收发间距为2000m。海底参数声速为1800m/s，密度为1.6g/cm3。
(3)根据海面起伏数据，用近似模型来分析海面起伏对多路径时延和多普勒的影响。
本发明用wafo模型来模拟海表面随机起伏运动。它的计算模型是一个平稳高斯过程，计算在某位置点，在固定时间其海面起伏高度。表达式如下所示
其中θj为随机相位起伏。rj为莱斯分布幅度，sj为加权系数。应用此模型得到的一个海面起伏变化图如图5所示。图2所示结果对应的海面起伏状况用一阶ar过程描述。根据公式(4)和(5)，计算海面起伏对时延和多普勒的影响。
(4)分析小尺度散射模型，将每条路径散射为多条子路径，分析子路径的时延和多普勒影响。
分析过程中设定每条路径散射子路径20条，散射子路径的幅度服从高斯分布，均值为hp/20，方差为1e‐6。相同散射子路径在不同时间的传播时延有相关性，用ar过程建模。其中随机偏移量用高斯过程模拟。
(5)收发平台运动的多普勒影响分析。
仿真过程中只要分析了收发平台相对静止的情况。
(6)将多径耦合，并考虑海面起伏的影响，构造时变信道冲击响应。
图2给出经过一次海面反射和一次海底反射路径(b1s1)在不同时间的传播时延，分别用本成果中的近似方法和反复运行bellhop模型来估计多路径时延。从图中可以看出用近似的方法和理论计算的结果十分接近，误差很小。为不同结果相互比较，图3‐图6没有考虑小尺度效应影响。图7‐图8包含小尺度效应影响。图3是反复运行bellhop模型得到不同时间信道冲击响应，图4是用近似分析得到的冲击响应结果，图中p0代表直达声，ps代表经一次海面反射的路径，pb代表经一次海底反射的路径。对比两图可以看出，两种方法各时间点冲击响应基本吻合。图6‐8分别为时不变信道冲击响应、parastoo模型信道冲击响应和wafo海面起伏模型信道冲击响应。图6为时不变信道，所以其信道冲击响应不随时间变化。图7对应的冲击响应经过大尺度变化和小尺度变化处理，其结果随时间起伏变化，相比于图6更符合实际情况，而对比图7和图8可以看出，在wafo海面起伏模型下，经海面反射的路径起伏变化更大，而p0和pb未经过海面反射，这两条路径不受海面起伏影响。所以图8的冲击响应更符合时变信道特性。图9为整个系统工作示意图。
本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的实施结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。