基于射线追踪与抛物方程法的浅层海洋环境声源信道仿真

基于射线追踪与抛物方程法的浅层海洋环境声源信道仿真代码实现，整合了声场建模、多径效应和噪声干扰等关键模块：

一、核心代码框架MATLAB

%% 参数设置
c = 1500;           % 基准声速(m/s)
f0 = 30e3;          % 中心频率(Hz)
B = 5e3;            % 带宽(Hz)
T = 10e-3;          % 脉宽(s)
fs = 100e3;         % 采样率

%% 环境建模（声速剖面）
depth = linspace(0,200,100);  % 深度分层
c_profile = 1448.96 + 4.591*T + ... % 声速计算    (-5.304e-2)*T.^2 + 2.374e-4*T.^3;

%% 声源信号生成
t = 0:1/fs:T;
s = cos(2*pi*f0*t) .* (t<=T/2); % CW脉冲

%% 射线追踪建模
N_rays = 1000;      % 射线数量
angles = linspace(-30,30,N_rays); % 发射角分布
h = zeros(size(angles)); 

for i = 1:N_rays
    angle = angles(i);
    [tau, amp] = ray_tracing(angle, c_profile); % 射线追踪算法h(i) = amp * exp(1j*2*pi*f0*tau); % 多径分量合成
end

%% 多普勒效应建模
v = 2; % 流速(m/s)
f_d = 2*v*f0/cosd(mean(angles)); % 多普勒频移h = h .* exp(1j*2*pi*f_d*t);

%% 噪声合成（Wenz模型）
NL = 17 - 30*log10(f0/1000); % 航运噪声级noise = 10^(NL/10) * randn(size(t));

%% 信号传播仿真
r = conv(s,h, 'same') + noise;

%% 后处理
[TL, f] = spl(r,fs); % 声压级计算delay = (1/fs)*conv(ones(size(t)),h,'same'); % 时延扩展

%% 可视化
figure;
subplot(3,1,1);
plot(t,r);
title('接收信号时域波形');
xlabel('时间(s)'); ylabel('幅度');

subplot(3,1,2);
plot(f,TL);
title('声压级谱分析');
xlabel('频率(Hz)'); ylabel('dB re 1\mu Pa');

subplot(3,1,3);
stem(delay,ones(size(delay)));
title('时延扩展分布');
xlabel('时延(s)'); ylabel('幅度');

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二、关键算法实现

1. 射线追踪算法（Bellhop改进版）

function [tau, amp] = ray_tracing(theta, c_profile)
    g = 9.81; rho = 1025; % 重力加速度与海水密度
    dz = 0.1; % 垂直步长
    z = 0; p = 1; tau = 0; amp = 1;
    
    while z < 200
        c = interp1(depth,c_profile,z,'linear',0);
        dz_opt = sqrt(2*(c^2 - (c*sind(theta))^2)/g); % 最优步长z = z + dz;
        tau = tau + dz/c;
        amp = amp * exp(-dz*0.1); % 吸收衰减
        theta = asind(sind(theta)*c/(c+0.3*v)); % 折射修正end
end

2. 多普勒补偿模块

function y = doppler_compensate(x,f_d,fs)
    t = 0:1/fs:length(x)/fs;
    H = exp(-1j*2*pi*f_d*t);
    y = filter(H,1,x);
end

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三、资源推荐

1. MATLAB工具箱
   • Bellhop-MATLAB接口 github.com/underwater-acoustics
     支持三维声场可视化
2. 代码
   • 浅层海洋环境声源信道代码 youwenfan.com/contentcna/52582.html