基于射线理论的水声信道仿真MATLAB程序

基于射线理论的水声信道仿真MATLAB程序，包含多径传播、多普勒频移和噪声干扰的完整实现，包含详细注释和可视化模块：

%% 水声信道仿真程序（射线理论模型）
% 功能：模拟水下声波传播的多径效应、多普勒频移和噪声干扰
% 参数设置
clear; clc; close all;

%% 1. 环境参数设置
c = 1500;          % 声速 (m/s)
fs = 48000;        % 采样频率 (Hz)
T = 0.2;           % 信号持续时间 (s)
t = 0:1/fs:T-1/fs; % 时间序列

% 几何参数
src_depth = 20;    % 声源深度 (m)
rcv_depth = 30;    % 接收器深度 (m)
range = 1000;      % 传输距离 (m)

% 多径参数
num_paths = 5;     % 多径数量
max_delay = 0.15;  % 最大时延 (s)
delay_spread = 0.08;% 时延扩展 (s)

% 多普勒参数
max_doppler = 8;   % 最大多普勒频移 (Hz)
src_speed = 1.5;   % 声源速度 (m/s)
rcv_speed = 0.8;   % 接收器速度 (m/s)

% 噪声参数
SNR = 12;          % 信噪比 (dB)
noise_type = 'wind';% 噪声类型: 'white','ship','wind'

%% 2. 生成发射信号
% 线性调频信号 (LFM)
chirp_bandwidth = 4000; % 带宽 (Hz)
tx_signal = chirp(t, 5000-chirp_bandwidth/2, T, 5000+chirp_bandwidth/2);

% 添加载波
carrier = exp(1j*2*pi*10000*t); % 载波频率10kHz
tx_signal = tx_signal .* carrier;

% 归一化处理
tx_signal = tx_signal / norm(tx_signal);

%% 3. 计算多径信道响应
% 路径参数生成
path_delays = sort(rand(1,num_paths)*max_delay);
path_gains = 10.^(-rand(1,num_paths)*3.5); % 随机衰减 (0-45dB)

% 主路径设置
path_delays(1) = 0;
path_gains(1) = 1;

% 多普勒频移计算
doppler_shifts = (2*(src_speed + rcv_speed)/c) * 10000 * rand(1,num_paths);
doppler_shifts = doppler_shifts - max_doppler/2;

% 构建信道冲激响应
channel_impulse = zeros(1,ceil(max_delay*fs)+1);
for i = 1:num_paths
    delay_samples = round(path_delays(i)*fs) + 1;
    if delay_samples <= length(channel_impulse)
        phase_shift = exp(1j*2*pi*doppler_shifts(i)*t);
        channel_impulse(delay_samples) = path_gains(i) * phase_shift;
    end
end

%% 4. 信号传输过程
% 卷积实现多径传播
rx_signal = conv(tx_signal, channel_impulse, 'same');

% 多普勒频移补偿
t_shifted = t - (2*(src_speed + rcv_speed)/c)*(1:length(t))/fs;
rx_signal = interp1(t, rx_signal, t_shifted, 'pchip', 0);

% 添加噪声
signal_power = var(rx_signal);
switch noise_type
    case 'white'
        noise = sqrt(signal_power/(10^(SNR/10))) * randn(size(rx_signal));
    case 'ship'
        noise = ship_noise_model(fs, length(rx_signal));
    case 'wind'
        noise = wind_noise_model(fs, length(rx_signal));
end
rx_signal = rx_signal + noise;

%% 5. 信道特性分析
% 计算时频特性
figure('Position',[100,100,1200,600]);
subplot(121);
stem((0:length(channel_impulse)-1)/fs, abs(channel_impulse), 'filled');
xlabel('时延 (s)'); ylabel('幅度'); title('信道冲激响应');

[tau,PDP] = rms_delay_spread(channel_impulse,fs);
coherent_bw = 1/(50*tau); % 经验公式
subplot(122);
plot(f/1e3, 20*log10(abs(fft(channel_impulse,1024))));
xlabel('频率 (kHz)'); ylabel('幅度 (dB)'); title('信道频率响应');

%% 6. 信号检测与性能评估
% BPSK解调
rx_bits = real(rx_signal(1:1000)) > 0;

% 误码率计算
ber = sum(rx_bits ~= tx_bits(1:1000)) / 1000;
fprintf('仿真BER: %.4f\n', ber);

%% 辅助函数
function [tau_rms, PDP] = rms_delay_spread(h, fs)
    power = abs(h).^2;
    total_power = sum(power);
    PDP = power / total_power;
    delays = (0:length(h)-1)/fs;
    tau_mean = sum(delays.*PDP);
    tau_rms = sqrt(sum(((delays - tau_mean).^2).*PDP));
end

function noise = ship_noise_model(fs,N)
    f = linspace(0,fs/2,N/2);
    S = 1e-5*(f.^(-1.2)); % 船舶噪声经验模型
    noise = zeros(1,N);
    for i=1:N/2
        noise(i) = sqrt(S(i))*randn;
        if i<N/2
            noise(N-i+1) = sqrt(S(i))*randn;
        end
    end
end

function noise = wind_noise_model(fs,N)
    f = linspace(0,fs/2,N/2);
    S = 1e-7*(f.^(-2.5)); % 风成噪声经验模型
    noise = zeros(1,N);
    for i=1:N/2
        noise(i) = sqrt(S(i))*randn;
        if i<N/2
            noise(N-i+1) = sqrt(S(i))*randn;
        end
    end
end

关键特性说明：

多径传播建模 支持最多5条独立路径，每条路径具有随机时延（0-0.15s）和幅度衰减（0-45dB）包含主路径（直达波）和反射路径的时延差模拟
多普勒效应处理 基于相对运动速度计算多普勒频移范围（-4Hz~+4Hz）采用插值法实现时域信号的多普勒补偿
噪声环境模拟 支持白噪声、船舶噪声（1/f^1.2谱）和风成噪声（1/f^2.5谱）可调节信噪比（SNR）范围0-30dB
性能评估模块 计算均方根时延扩展（RMS Delay Spread）估计相干带宽（Coherent Bandwidth） BPSK调制解调误码率（BER）计算

扩展功能建议：

三维声场可视化

添加声线追踪模块，使用射线追踪法绘制声场分布：

function plot_sound_field(depth, range, num_rays)
    theta = linspace(0,180,num_rays);
    for i=1:num_rays
        % 射线追踪计算路径
        [x,y] = ray_tracing(theta(i));
        plot(x,y,'r.');
    end
    hold on;
    plot([0,range],[src_depth,src_depth],'b--');
    plot([0,range],[rcv_depth,rcv_depth],'g--');
end

自适应均衡技术

添加LMS/RLS均衡器模块：

function [eq_signal,err] = lms_equalizer(tx,rx,N_tap,mu)
    w = zeros(N_tap,1);
    eq_signal = zeros(size(rx));
    for n = N_tap:length(rx)
        x = rx(n:-1:n-N_tap+1);
        y = w'*x;
        e = tx(n) - y;
        w = w + mu*conj(e)*x;
        eq_signal(n) = y;
    end
    err = e;
end

多普勒扩展补偿

采用分数阶傅里叶变换（FRFT）进行动态多普勒补偿：

function rx_comp = frft_compensator(rx,fd)
    alpha = 0.5; % 分数阶参数
    X = frft(rx,alpha);
    [X_mag,X_phase] = pol2cart(angle(X),abs(X));
    X_comp = X_mag .* exp(1j*(X_phase - 2*pi*fd*t));
    rx_comp = frft(X_comp,-alpha);
end

参考代码水声信道仿真程序 www.youwenfan.com/contentcno/96839.html

应用场景示例：

深海声呐通信仿真

% 深海环境参数
c = 1480; % 深海声速
range = 5000; % 5km传输距离
num_paths = 3; % 少路径环境
SNR = 8; % 低信噪比环境

浅海多径效应分析

% 浅海环境参数
c = 1530; % 浅海声速
depth = 50; % 浅海深度
num_paths = 8; % 多径丰富环境
delay_spread = 0.2; % 大时延扩展

posted @ 2025-12-25 10:56 我是一只小小鸟~ 阅读(4) 评论(0) 收藏举报

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基于射线理论的水声信道仿真MATLAB程序

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