CN111641466B - 基于电流场模式的长距离海水信道频率传输特性建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电流场模式的长距离海水信道频率传输特性建模方法，对于提高海洋用长距离数据传输技术具有重要的研究意义；海水作为长距离数据传输中的重要介质，本发明提出了一种从信道本身出发直接测试信道特性然后建立实测信道模型的方法；随着测量深度的增加，传输信道的阻抗参数发生很大的变化，这使得数据在传输过程中产生严重的畸变和衰减，严重影响了测量数据的准确性，所以研究海水信道本身的特性对于数据传输的准确性有着非常重要的意义；本发明从海水信道本身出发，采用网络分析仪测量并结合仿真得到长距离传输海水信道的幅频衰减和相频偏移特性，建立实测信道数学模型，本发明为解决长距离传输信号衰减问题提供重要的理论基础。

Description

基于电流场模式的长距离海水信道频率传输特性建模方法
技术领域
本发明以电流场传输模式的长距离传输海水信道为原型，提出一种针对长距离传输海水信道，通过测量与仿真分析传输信号在海水信道传输的幅频与相频特性，并建立了传输特性与频率，距离参数相关的数学模型，该方法对于分析基于电流场模式的长距离传输海水信道传输特性具有重要的理论意义，归属于电子信息技术等领域。
背景技术
海洋环境的监测是海洋科学的一个最重要的研究领域。海洋环境监测是对海洋中的物理、化学和生物条件进行调查和研究，包括海洋现象，海洋科学研究，海洋灾害，以及海洋突发性污染事件等。实现大范围、大规模的海洋环境监测数据的长距离传输，更加需要精细准确的方法和技术，同时也是海洋环境监测的重点和难点问题。电流场传输方式是目前常用的一种重要的水下通信方式，信号的传输频率被控制在几MHz内。基于电流场模式的长距离传输方式突破传统电流场传输模式的短距离通信限制，是实现全深海剖面测量的一种水下通信方式。采用海水作为传输媒质的长距离通信方式，与近距离电流场通信方式的共同特点是其电信号在海水中的存在形式与电流场通信的电场分布或者电流密度的分布形式是一致的。基于电流场模式的长距离传输方式可以实现全海深千米及以上传输距离的探测和有效传输。
针对深海环境多要素大量监测数据高速实时长距离传输功能的迫切需求，本发明提出了基于电流场模式的长距离传输海水信道***未知的情况下，从海水信道本身入手，利用扫频法，通过网络分析仪测量电流信号在短距离海水信道中频率传输特性，然后利用仿真分析海水信道的传输距离与传输特性的关系，最终得到基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性，建立海水信道数学模型。从而可以进一步指导长距离传输信道的通信***设计，提高信号传输的精确度和稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了充分了解电流场信号在长距离传输海水信道中的传输特性，为提高电流信号在海水信道中的传输性能提供了理论基础。
本发明从电流信号本身入手，测量不同频率的正弦波电流信号在短距离海水信道中频率传输特性，然后利用仿真分析海水信道的传输距离与传输特性的关系，得到不同探测深度下海水信道的传输特性，最终得到基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性，建立海水信道数学模型，为提高感应耦合信道的传输性能提供了理论基础。
本发明的技术方案：
本发明基于电流场模式的长距离传输海水信道，发明了一种应用网络分析仪并结合仿真分析得到基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性，并建立数学模型的方法。可表述为：应用网络分析仪测量不同频率的正弦波电流信号在短距离海水信道中频率传输特性，然后利用仿真分析海水信道的传输距离与传输特性的关系，得到不同探测深度下海水信道的传输特性，最终得到基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性，建立海水信道数学模型。根据信道特性建立一个简单可行的海水信道模型，对于提高基于电流场模式的长距离传输海水信道传输性能具有重要的研究意义。
本发明提供的基于电流场模式的长距离海水信道频率传输特性建模方法，具体步骤是：
第1步、测量电流信号在短距离海水信道中的频率传输特性
首先，在实验室条件下采用网络分析仪扫描法测量30KHz-1MHz的正弦波电流信号经过1m，2m，3m和4m的海水传输信道后，记录不同深度海水信道对不同频率的电流信号幅值衰减量以及相位偏移量。
第2步、电流信号在短距离海水信道中频率传输特性的分析
本发明根据上述步骤中所测得的海水信道特性，利用MATLAB自定义的函数类型对实测数据进行画图，分别采用傅里叶数逼近和多样条逼近方式实现海水幅频和相位曲线最佳拟合，得到不同工作频率下海水信道的幅频衰减函数和相位偏移函数。
第3步、传输距离对海水信道电流场信号传输特性的分析
分析电流信号在不同传输距离的信道中的幅值衰减与相位偏移特性。采用COMSOL仿真和理论推导得到不同传输距离下信道中信号幅值衰减与传输距离的关系、相位偏移与传输距离的关系。
第4步、建立基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性的模型
根据以上分析得到幅频衰减函数和相位偏移函数，针对不同探测深度的海水信道，其信道特性可以通过线性时不变滤波器模型来描述，建立海水信道传输数学模型。
本发明的优点和有益效果
本发明针对于长距离传输海水信道的数据传输速度和可靠性的瓶颈问题，提出一种对基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性的测量方法。该方法采用网络分析仪结合仿真分析，得到基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性，建立海水信道数学模型。对于提高基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输性能提供一定的理论指导意义。
附图说明
图1测量装置图。
图2是通过网络分析仪测量得到的1m，2m，3m和4m信道的幅频与相频曲线。
图3是针对1m，2m，3m和4m信道的幅频与相频特性曲线的函数拟合过程。
图4是不同传输距离的信道幅频特性曲线及其函数拟合过程。
以下结合附图和通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
具体实施方式
实施例一
第1步、测量电流信号在短距离海水信道中的频率传输特性
首先，在实验室条件下采用网络分析仪扫描法测量30KHz-1MHz的正弦波电流信号经过1m，2m，3m和4m的海水传输信道后，记录不同深度下海水信道对不同频率的电流信号幅值衰减量以及相位偏移量。
第2步、电流信号在短距离海水信道中频率传输特性的分析
本发明根据上述步骤中所测得的离散信道特性，利用MATLAB自定义的函数对实测数据分别采用傅里叶级数逼近和多样条逼近方法实现曲线最佳拟合，得到4米短距离范围内不同工作频率下海水信道的幅频衰减函数A1(f)和相频偏移函数
Figure GSB0000191524270000031
分析电流信号在短距离海水信道中的频率传输特性。
A1(f)＝a0+a1*cos(f*w)+b1*sin(f*w)+a2*cos(2*f*w)+b2*sin(2*f*w)+a3*cos(3*f*w)+b3*sin(3*f*w)(1)
其中，函数的参数分别为a0＝364.7；a1＝-301.8；b1＝-482.1；a2＝103；b2＝212.3；a3＝41.55；b3＝-4.456；w＝0.001496。
Figure GSB0000191524270000032
其中，函数的参数分别为p1＝-2.27；p2＝1.729；p3＝7.074；p4＝-8.672；p5＝10.37；p6＝3.628。
第3步、传输距离对海水信道电流场信号传输特性的分析
分析电流信号在不同传输距离的信道中的幅值衰减与相位偏移特性。采用COMSOL仿真和MATLAB拟合得到同一传输频率的电信号，不同传输距离信道幅值衰减与传输距离s的关系A2(s)。
A2(s)＝a·cbs+c·eds (3)
其中，函数的参数分别为a＝0.02753；b＝-0.1377；c＝0.01897；d＝-0.0005913。
通过理论推导计算长距离传输海水信道延时，得到相位偏移与传输距离s、信号频率f的关系
Figure GSB0000191524270000041
Figure GSB0000191524270000042
第4步、建立基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性的模型
根据短距离传输信道中电流信号幅频衰减与相频偏移并结合电流信号传输特性和传输距离的关系，建立基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性的FIR数学模型，模型传输函数可以表示如下：
Figure GSB0000191524270000043
将以上三步中得到的信道幅值衰减和相位偏移函数(1)-(4)带入(5)中，即可得到基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性的FIR数学模型：
Figure GSB0000191524270000044
其中，函数的参数分别为a0＝364.7；a1＝-301.8；b1＝-482.1；a2＝103；b2＝212.3；a3＝41.55；b3＝-4.456；w＝0.001496；p1＝-2.27；p2＝1.729；p3＝7.074；p4＝-8.672；p5＝10.37；p6＝3.628；a＝0.02753；b＝-0.1377；c＝0.01897；d＝-0.0005913；
f为传输信号频率，s为传输距离，A1(f)是不同频率振幅的衰减系数，α为海水信道衰减参数，
Figure GSB0000191524270000045
为不同频率的电流信号经过海水信道相位偏移，A2(s)是同一传输频率的电流信号经过不同传输距离的信道幅值衰减，
Figure GSB0000191524270000046
是相位偏移与传输距离s、信号频率f的关系。
仿真与结果分析
(1)从实验测量结果中可以看出，在短距离海水信道中的频率传输特性的测量中，电流信号经过1m-4m的不同传输距离的海水传输信道后的幅频衰减特性和相位偏移特性的变化不大，海水传输信道频率特性基本一致。说明了实验室平台的海水测量***的稳定性。
(2)从图中可以看出，网络分析仪发出的电信号经过海水信道后的幅频衰减特性，随着频率的不断增加，其幅频衰减特性从频率为30KHz时的衰减为-2.2dB开始逐渐下降到-10dB以下，然后下降趋势逐渐减缓。由此，也说明了电信号在海水中传输时，海水对高频信号的衰减和吸收更严重。而且，当传输信号的频率为1MHz时，信号经过海水后的衰减大约为-12dB，也就是接收端信号的幅值衰减到了发送信号的60％。
(3)从图中可以看出，网络分析仪发出的不同频率的正弦波电流信号经过海水信道后的相位偏移特性，随着频率的不断增加，信号经过海水得相位偏移随着信号频率由30KHz-100KHz的增加，其相位差逐渐增大，但是随着信号的频率继续增加到更高频率，其相位差的变化非常复杂。
(4)从图中可以看出，随着信道传输距离的增加，海水信道的幅值由急剧衰减到逐渐减缓。关于电流信号在长距离传输海水信道的相位偏移特性，通过以上理论分析可知，传输距离的增加带来相位偏移的增大，同时电流信号的频率越高，相位偏移越严重。由此得到不同探测深度下海水信道的传输特性，最终建立基于电流场模式的长距离传输海水信道数学模型。根据信道的模型及特点设计相应的通信***和信号处理方法，可以更好的提高通信***的传输性能，提高通信***的准确性和稳定性。

Claims (1)

1.基于电流场模式的长距离海水信道频率传输特性建模方法，其特征在于具体步骤是：
第1步、测量电流信号在短距离海水信道中的频率传输特性
首先，在实验室条件下采用网络分析仪扫描法测量30KHz-1MHz的正弦波电流信号经过1m，2m，3m和4m的海水传输信道后，记录不同深度下海水信道对不同频率的电流信号幅值衰减量以及相位偏移量；
第2步、电流信号在短距离海水信道中频率传输特性的分析
根据上述步骤中所测得的离散信道特性，利用MATLAB自定义的函数对实测数据分别采用傅里叶级数逼近和多样条逼近方法实现曲线最佳拟合，得到4米短距离范围内不同工作频率下海水信道的幅频衰减函数A1(f)和相频偏移函数
Figure FSB0000191524260000011
分析电流信号在短距离海水信道中的频率传输特性；
A1(f)＝a0+a1*cos(f*w)+b1*sin(f*w)+a2*cos(2*f*w)+b2*sin(2*f*w)+a3*cos(3*f*w)+b3*sin(3*f*w) (1)
其中，函数的参数分别为a0＝364.7；a1＝-301.8；b1＝-482.1；a2＝103；b2＝212.3；a3＝41.55；b3＝-4.456；w＝0.001496；
Figure FSB0000191524260000012
其中，函数的参数分别为p1＝-2.27；p2＝1.729；p3＝7.074；p4＝-8.672；p5＝10.37；p6＝3.628；
第3步、传输距离对海水信道电流场信号传输特性的分析
分析电流信号在不同传输距离的信道中的幅值衰减与相位偏移特性，采用COMSOL仿真和MATLAB拟合得到同一传输频率的电信号，不同传输距离信道幅值衰减与传输距离s的关系A2(s)；
A2(s)＝a·ebs+c·eds (3)
其中，函数的参数分别为a＝0.02753；b＝-0.1377；c＝0.01897；d＝-0.0005913；
通过理论推导计算长距离传输海水信道延时，得到相位偏移与传输距离s、信号频率f的关系
Figure FSB0000191524260000013
Figure FSB0000191524260000014
第4步、建立基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性的模型
根据短距离传输信道中电流信号幅频衰减与相频偏移并结合电流信号传输特性和传输距离的关系，建立基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性的FIR数学模型，模型传输函数可以表示如下：
Figure FSB0000191524260000021
将以上三步中得到的信道幅值衰减和相位偏移函数(1)-(4)带入(5)中，即可得到基于电流场模式的长距离传输海水信道频率传输特性的FIR数学模型如下：
Figure FSB0000191524260000022
f为传输信号频率，s为传输距离，A1(f)是不同频率振幅的衰减系数，α为海水信道衰减参数，
Figure FSB0000191524260000023
为不同频率的电流信号经过海水信道相位偏移，A2(s)是同一传输频率的电流信号经过不同传输距离的信道幅值衰减。
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