基于射线模型的浅海水声信道仿真

一、射线模型理论基础

1. 基本原理

• 声线追踪：将声波传播路径近似为直线（声线），通过计算声线与海面/海底的交点及反射/折射效应，模拟声场分布。
• 传播损失计算：
  \(PL = 20\log_{10}(r) + \alpha r + \gamma\)
  其中r为传播距离，\(\alpha\)为吸收系数，\(\gamma\)为边界反射损失修正项。
• 多途效应：通过记录每条声线的时延和幅度，构建信道冲激响应（\(CIR\)）。

2. 浅海环境特征

• 声速剖面：典型正梯度分布（表层声速低，深层声速高），影响声线弯曲。
• 海底反射：沉积层声学特性（密度、衰减系数）决定反射损失。
• 海面波动：采用统计模型（如Pierson-Moskowitz谱）模拟随机起伏。

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二、仿真建模流程

1. 环境参数配置

参数类型	典型值范围	影响因素
水深	10-500 m	海底地形（平坦/起伏）
声速剖面	1400-1600 m/s	温度、盐度垂直分布
海底反射系数	0.3-0.9	沉积层类型（泥沙/岩石）
吸收系数	0.1-1.0 dB/λ	频率（Hz）、沉积物成分

2. 声源与接收器设置

• 声源特性：频率（kHz级）、脉冲宽度（ms级）、指向性（换能器阵元数）。
• 接收器位置：深度（通常与声源对称）、水平距离（100-1000 m）。

3. 射线追踪计算

• 步进算法：以固定步长（如1/10波长）沿声线传播，检测界面交点。
• 反射/折射模型：
  \(\theta_r = \arcsin\left(\frac{c_2}{c_1}\sin\theta_i\right)\)
  （\(c_1,c_2\)为介质声速，\(\theta_i,\theta_r\)为入射/折射角）

4. 传播损失与时延分析

• 传播损失：累加每条声线的路径损耗。
• 时延扩展：记录多途信号到达时间差，构建CIR。

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三、MATLAB仿真实现

1. 核心代码框架

%% 环境参数设置
h = 100; % 水深(m)
c_profile = [0,1500; 50,1520; 100,1540]; % 声速剖面(c(z)=1500+20z/100)
bottom_type = 'mud'; % 海底类型

%% 声源与接收器
src_depth = 50; % 声源深度(m)
rx_depth = 50;  % 接收器深度(m)
range = 500;    % 传播距离(m)

%% 射线追踪
num_rays = 50;  % 射线数量
angles = linspace(-30,30,num_rays); % 发射角(°)
traces = cell(num_rays,1);

for i = 1:num_rays
    [path, loss, delay] = ray_trace(src_depth, rx_depth, range, angles(i), c_profile, bottom_type);
    traces{i} = struct('path',path, 'loss',loss, 'delay',delay);
end

%% 结果可视化
figure;
plot(range,path(:,1),'r',range,path(:,2),'b'); % 绘制声线路径
xlabel('传播距离(m)'); ylabel('深度(m)');
title('声线传播路径');

figure;
plot(0:0.1:range,10*log10(cumsum(loss))); % 绘制传播损失曲线
xlabel('距离(m)'); ylabel('传播损失(dB)');

2. 关键函数实现

function [path, loss, delay] = ray_trace(src_z, rx_z, R, theta, c_profile, bottom)
    % 初始化参数
    g = 9.81; rho = 1025; % 重力加速度、海水密度
    c0 = interp1(c_profile(:,1),c_profile(:,2),src_z); % 起始声速
    dz = 0.1; % 垂直步长(m)
    
    % 声线追踪循环
    path = [src_z; 0]; % 起始点
    total_loss = 0;
    time = 0;
    z = src_z;
    
    while z > 0
        % 计算声速梯度
        c = interp1(c_profile(:,1),c_profile(:,2),z);
        dz_step = dz * (c0/c)^(1/2); % 声速梯度修正步长
        
        % 更新位置
        z = z - dz_step;
        path = [path; z];
        
        % 计算吸收损失
        alpha = 0.1 * (1 + 0.01*(c-1500)^2); % 吸收系数模型
        total_loss = total_loss + alpha * dz_step;
        
        % 时间累积
        time = time + dz_step / c;
    end
    
    % 边界反射损失计算
    if z < 0
        reflection_loss = 10*log10(0.5*(1 + (c0/c_bottom)^2)); % 海底反射模型
        total_loss = total_loss + reflection_loss;
    end
    
    loss = total_loss;
    delay = time;
end

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四、关键参数影响分析

1. 声速剖面

• 正梯度：声线向下弯曲，传播距离增加（如Munk声速剖面）。
• 负梯度：声线向上弯曲，导致声场聚焦效应。

2. 海底反射

• 泥质海底：反射系数低（0.3-0.5），多途效应显著。
• 岩石海底：反射系数高（0.8-0.9），产生强直达波。

3. 多径效应

• 时延扩展：典型值10-100 ms，导致符号间干扰（ISI）。
• 幅度衰落：多径叠加引起信噪比下降（SNR降低20-40 dB）。

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五、仿真工具代码推荐

1. Actup：MATLAB实现的actup2.2水声信道仿真模型及BELLHOP应用 - CSDN文库 wenku.csdn.net/doc/4352dp96k8
2. 代码: 基于射线模型的浅海水声信道的仿真 www.youwenfan.com/contentcno/52425.html
3. MATLAB工具箱：提供声学仿真库（如Acoustic Toolbox）。