Bellhop模型在水声网络仿真中的实现和应用

随着水声技术的发展,水声网络(UANs)因其在海洋监视、灾害预警和海洋安全等领域的表现而备受关注。水声信道是影响UANs性能的重要因素之一,其复杂特性直接影响着UANs相关协议的前期设计和评估,对于协议走向实际应用至关重要。有别于传统理论模型,Bellhop水声信道模型通过跟踪射线计算海洋声场,提供了一种更准确的获得不同海洋环境下信道特性的方法,但该方法不能直接用于网络仿真。针对此,文中在目前主流的网络仿真平台NS3上构建了基于Bellhop的水声信道模型,将高斯射线模型用于水声网络仿真。对比结果表明,该模型能够有效仿真声信号在水下的传播特性,可为实际UANs协议开发提供参考。

基于BELLHOP模型的水下多目标跟踪算法研究

针对高频主动声呐的深海多目标跟踪问题,提出了基于BELLHOP模型的无迹卡尔曼滤波-高斯混合概率假设密度(Unscentesd Kalman Filter-Gaussian Mixture-Probability Hypothesis Density,UKF-GM-PHD)水下多目标跟踪算法。该算法首先利用BELLHOP射线声学模型,计算出本征声线、目标信号的幅度、相位及时延信息,以此构造目标回波信号并叠加高斯白噪声。然后,由回波信号计算得到目标相对于观测站的距离、方位角和俯仰角信息,作为目标跟踪系统中的量测信息。最后利用提出的UKF-GM-PHD多目标跟踪算法,实现高频主动声呐非线性系统的多目标跟踪。仿真结果表明,在深海高频主动声呐条件下,文章提出的UKF-GM-PHD多目标跟踪算法较传统高斯混合概率假设密度(Gaussian Mixture Probability Hypothesis Density,GM-PHD)方法,明显降低了目标丢失率,并且最优子模式指派统计量(Optimal Sub-Patter Assignment,OSPA)距离也更小,跟踪效果更好。

基于声学宽带扩频信号的抗多径测距技术研究

为研究宽带扩频信号在复杂水声信道下的测距精度,提高水声定位系统的抗多径性能,以BELLHOP模型的多径干扰冲激响应作为水声信道环境基础,通过构造不同传播距离、海洋环境特征的多径水声信道,对宽带扩频编码进行同步相关测距仿真;提出一种基于宽带扩频信号载波域同步的抗多径测距方法,利用载波携带的宽带特征信息进行相关同步以提高理论测距精度。实验结果表明:在有直达声且不考虑声线弯曲条件下,浅海多径信道条件测距精度可达厘米级,中深水信道维持分米级测距精度,较基带同步方法的抗干扰性能有所提升,基于宽带扩频信号载波域同步的抗多径测距方法,能够为声学定位系统的高性能测距技术提供理论依据。

基于BELLHOP模型的水下信道仿真方法研究

论文采用BELLHOP模型对水下信道进行仿真,并研究了对目标声源的探测方法和阵列最佳布放方法与声线的关系。首先介绍了水下声场建模基本原理,利用BELLHOP模型对水下信道进行仿真并得到所需要相关输出参数,之后求得水声信道中声源到各个阵元的传递函数,通过改变声源位置参数得到各组相应的传递函数。最后研究采用遗传算法的最优布局中节点的布放位置与声线之间的关系,实验结果表明,采用传递函数能够较好地对水声信道中信号的传播途径进行模拟,此外,无论声线数目的多少,最优节点始终放置在声线上。

基于BELLHOP模型的水中目标回波亮点特征建模与分析

水中目标回波亮点的时空特性是主动声呐进行目标检测、跟踪与识别的主要依据,由于水声环境复杂多变,回波亮点结构受环境因素影响较大。建立了主动声呐目标回波的5亮点模型,并利用BELLHOP模型仿真复杂的水声传播环境。在浅海正声速梯度、浅海负声速梯度和深海声道3种信道条件下,提取并分析了不同舷角下目标回波亮点的时空特性。仿真结果表明,该模型反映了不同声传播环境下的目标回波亮点特征变化情况,可为主动声呐的目标检测与识别提供支撑。

高速运动声呐海底宽带混响建模与仿真

海底混响是鱼雷在声速近似满足负梯度分布的浅海水域进行目标探测时的主要干扰源。为了准确、便捷、可复现地获得混响信号,并研究其统计特性,文中提出一种基于Bellhop模型的高速运动声呐海底宽带混响仿真方法。该方法先将对混响有贡献的海底区域划分为若干个不均匀的散射单元,计算每个单元的散射特征函数,其中传播损失通过Bellhop模型计算;再基于网络模型仿真得到包含幅值、相位与多普勒频移等主要影响因子的海底混响模拟信号。最后,对仿真信号与实航信号进行时频域分析及相似性比较。结果表明,以仿真信号与实测数据瞬时值的概率密度分布的点积比为评价标准,文中的方法与实航数据相似度明显提高,验证了模型的有效性。

海洋混合层结构对表面声道中声传播特性的影响分析

利用WOA05气候态数据集和北黄海调查数据,应用BELLHOP高斯束射线模型分析了我国近海及西太平洋典型海区的混合层结构对表面声道中声传播特性的影响,结果表明:我国近海的混合层结构有显著的区域性和季节性变化;深海中主要表现为混合层深度变化,这种变化直接影响表面声道的空间分布,声波在混合层中的表面声道中传播与在混合层外的影区中传播产生的能量场差异较大;浅海中混合层深度与声速梯度的空间变化都很明显,声速梯度的增大和混合层的加深都能使更多声线以反转的形式传播,使表面声道声场增强。两组海上实验数据表明,在真实海洋中混合层可在短时间内出现生消变化或在局部海域出现非均匀分布。在浅海温跃层环境下,海-气边界特定的物理过程能够使混合层发生间歇性的变化,当表面声道出现时近表层声场明显增强。

西北太平洋副热带模态水形成区声传播特性分析

利用 Argo 剖面数据和水声学数值模型，分析了西北太平洋副热带模态水（STMW）形成区因季节性环境差异所引起的水声传播变化特征。声场计算结果表明，STMW 形成区域的声传播为近表层波导与会聚区的复合形式，其中会聚区终年存在，表面波导在秋、冬两季混合层加深的环境条件下出现，次表层波导在夏季 STMW 潜沉的环境条件下出现。上层海洋中两类不同形式的波导使表层和次表层的声能分布呈反相变化，波导内与波导外的声能差异可达10～15 dB（声波频率为1000 Hz）。STMW 的季节性变化还会引起会聚区的位置差异，具体情况与声源深度有关。声源在20 m 时，夏季会聚区距离最远，秋季、春季次之，冬季最近，夏季和冬季相差6．6 km；声源在150 m 时，夏季会聚区距离缩短了3．1 km，其他季节变化不大。

深海声速剖面结构变化对会聚区偏移特性的影响分析

应用分层声速剖面模型(LSSPM)和BELLHOP高斯束声场计算模型,对深海声速剖面结构变化引起的会聚区偏移特性进行了分析。结果表明,声速值的整体变化对会聚区影响很小,而混合层、主跃层、深海等温层及声道轴的变化都会使会聚区位置出现不同程度的偏移。主跃层是上层海洋变化的主要体现,混合层变化对会聚区的影响也是通过改变主跃层的形态结构实现的,跃层强度的增大使会聚区向远离声源方向偏移。深海等温层的声速变化体现了深海水团的结构差异,与主跃层引起的会聚区偏移呈反相变化。声道轴附近的声速变化体现了不同类型中层水团侵入和混合的影响,所引起的会聚区偏移反映了声道轴上层与下层梯度变化的综合效应,声速最小值的增加使会聚区向远离声源方向偏移。

白令海西部小区域声传播特征研究

白令海是连接太平洋、北冰洋唯一要道,经济、军事地位极其重要。利用中国第5次北极科学考察CTD（Conductivity,Temperature,Depth）数据,在分析白令海西部小区域水文环境基础上,结合大陆坡地形,利用UMPE（University of Miami Parabolic Equation）抛物方程模型模拟声传播特征,并利用Bellhop射线声学模型分析其形成的物理机制。陆坡区域受流混合影响,50~350 m形成低温、低盐水团。声波沿陆坡向深海传播时,声能向500 m以上汇聚,次表层50 m左右形成声道,深层为声影区;声波沿陆坡向浅海传播时,50 m左右出现声道,深层传播损失较大,无声影区;＂斜坡增强效应＂使得声源置于浅水海域时,50 m声道强度大于声源置于深水海域。

台湾海峡近海水声信道传递函数仿真研究

水声信道传递函数特性对水声通信系统的性能有着重要的影响。采用美国海军GDEM(generalized digital environmental model)中全球气候态月平均声速数据,基于BELLHOP射线传播模型,对台湾海峡近海北、中、南部三个站点在不同季节的声速剖面下的传递函数进行了仿真研究。仿真结果表明,台湾海峡近海浅海声信道的传递函数为锯齿状,间断出现子通带。平均子通带宽度与声速剖面和海水的深度的变化密切相关。

声速垂直结构变化引起的汇聚区偏移

应用Munk模型和BELLHOP模式,对不同声速垂直结构类型条件下的汇聚区声传播特征进行了分析。结果表明,近表层水温、温跃层强度、温跃层厚度以及声道轴深度的变化将导致汇聚区位置发生不同程度的偏移。温跃层是上层海洋变化的主要体现,跃变强度的增加会使汇聚区向远离声源方向偏移。表层水温增加1℃可使汇聚区向远离声源方向偏移0.6～0.7km;温跃层强度增加0.005℃.m-1可将使汇聚区向远离声源方向偏移1.5～2.0km;温跃层厚度减小100m将使汇聚区向靠近声源方向偏移0.4～1.2km。声道轴位置变化则体现了温跃层和深海等温层的共同影响,两者作用相互抵消,使汇聚区偏移很小,声道轴加深100m将使汇聚区向靠近声源方向偏移约0.1km。

对马海流温盐锋的时空变化特征及其附近声场的初步分析

通过对WOA13数据库季节平均数据的分析依次得到锋区内0~1 000 m各层锋轴线的位置,对马海流锋轴线位置由表层的40°N附近随深度增加逐渐南移到39°N附近且位置的季节摆动幅度增大.利用绝对梯度方法对温度锋强度与盐度锋强度的水平分布及垂直变化进行了分析;对比了四季锋强度的差异以及差异比率,得到了不同深度不同季节锋强度强弱分布的规律.对比声速穿过锋线时的差异认为表面声速从南到北逐渐减小,锋轴线南北两侧声速差异主要集中在150 m以内,且随深度增加声速差异减小.此外,还运用BELLHOP模型对锋区内700 m以浅的声道特点以及声传播损失进行了简单分析.

湾流锋强度空间变化及季节变化特征研究

基于WOA13数据可以较好的表现海洋锋强度的变化特征这一特点,选用分辨率为1/4°的1955-2012年58年季节平均数据分析了湾流锋轴线上温度、盐度绝对梯度的空间分布特征、季节的变化的强弱规律、温、盐关系,并运用BELLHOP模型对锋区声场特点进行了分析。分析表明湾流锋轴线水平位置及其强度随着深度变化比较明显,在锋轴线上温、盐强度的正相关性显著,锋区内声道的形成与季节以及声源深度关系密切。

浅海混响背景下吊放声呐主动方式探潜研究

浅海混响估算是研究吊放声呐主动方式搜潜作战使用的关键环节。首先分析声能声呐方程各项的定义,研究最大允许传播损失的计算方法;然后采用Bellhop模型计算吊放声呐与海底散射元之间的传播问题,依据Jackson模型推导海底反向散射强度的计算方法。结合海底散射面积的估算与吊放声呐主动工作满足小掠射角的特点,对负梯度和负跃层声速梯度下的浅海混响进行仿真和分析;结合信号余量的估算,研究2种典型声场条件下工作深度对浅海混响和吊放声呐探潜的影响,并提出相应的吊放声呐工作深度的选择方法。

深海主跃层环境对会聚区影响的数值分析

应用BELLHOP模式,对声速剖面的声跃层结构变化引起会聚区偏移特征进行了分析.结果表明,声速垂直结构的变化可导致会聚区位置出现不同程度的偏移：跃层强度增加0.01 s-1将使会聚区向远离声源方向偏移1.5 ～2.0km;跃层厚度增大50m将使会聚区向靠近声源方向偏移0.3～0.5km;跃层位置加深l00m将使会聚区向远离声源方向偏移0.5～1.0km.在跃层的三个特征量中,跃层强度起主导作用.跃层强度变化引起的声线在海洋次表层的偏折差异,进而导致进入深海等温层的入射角差异,是使会聚区发生偏移的决定性因素.

航空吊放声纳主动方式暴露距离研究

航空吊放声纳是反潜作战主要搜潜设备之一,其主动工作方式暴露范围也是搜潜战术运用的重要参数。基于均方声压声纳方程修正了相关参数,得到了声能声纳方程各项参数定义,结合高斯束射线Bellhop模型,研究了吊放声纳主动方式暴露距离估算方法,针对潜艇两种声纳类型工作特性,进行了仿真和分析。仿真结果表明,在潜艇侦察声纳工作时,吊放声纳主动方式暴露距离明显加大。

基于WOSS的NS-Miracle水声信道模拟方法扩展

将世界海洋仿真系统(World Ocean Simulation System,WOSS)与声射线模型Bellhop结合并引入海洋噪声经验公式对NS-Miracle仿真系统的水声传输信道模拟方法进行扩展。为了验证扩展后的仿真系统,实验采用了基于水声信道特征经验模型、Bellhop射线模型及WOSS结合Bellhop射线模型的3种仿真方法对5个节点集中式拓扑结构的水下传感器网络进行了计算机仿真。结果表明,在相同的网络环境中,利用Bellhop信道仿真模型的两组实验的平均吞吐量、平均延时非常接近,而利用经验信道模型的第一组仿真得到的平均吞吐量和延时与后两组数据的差别稍大,三者的平均误包率非常接近。同时实验仿真了3个不同海域相同结构水下传感器网络的运行情况,分析引入WOSS后对仿真结果的影响。结果显示:在不同海域引入WOSS的系统仿真结果比未引入WOSS的系统仿真结果更具有实时动态性,扩展后的NS2/NS-Miracle仿真系统能够更准确地模拟实际水声网络的相关特性。另外,实验还利用扩展后的系统对ALOHA-CS、CSMA/CA和DACAP三种MAC协议进行了仿真和分析,结果显示,CSMA/CA协议相较于其他两种协议更适合集中式结构的水下传感器网络。

深海地形对声传播特性的影响

为了研究深海海底环境对声传播特性的影响,建立了深海海底地形模型,通过BELLHOP模型仿真深海声道声速分布下不同海底地形的声传播特性,定量分析了“山地”、“海盆”以及平坦海底三种典型深海地形下,接收深度分别为500 m、1 km、3 km、4 km时的声传播特性差异,并利用本征声线的传播和时间到达结构进行了物理解释,研究成果对深海环境下声呐装备的作战使用具有指导意义。

基于混沌相关特性的水声通信

近年来,海下石油资源的不断开采利用,石油井道的环境变化在开采过程中至关重要,这需要构建水下无线通信网络对其实时监测。针对井道环境数据的实时传输,根据OFDM原理,利用混沌信号的自相关特性与互相关特性,提出一种基于混沌相关特性的混沌水声通信系统。通过BELLHOP模型设置海洋环境参数模拟海下石油开采井道来对该方法进行验证,结果表明,此通信方式提高了单次传输的信息量,简化了信号的解调,同时比传统的OFDM通信提高了传输速率。