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。
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。
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 < 0reflection_loss = 10*log10(0.5*(1 + (c0/c_bottom)^2)); % 海底反射模型total_loss = total_loss + reflection_loss;endloss = total_loss;delay = time;
end
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）。
五、仿真工具代码推荐
- 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
- 代码: 基于射线模型的浅海水声信道的仿真 www.youwenfan.com/contentcno/52425.html
- MATLAB工具箱：提供声学仿真库（如Acoustic Toolbox）。