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基于数字孪生的水声信道建模研究

摘要

水声通信技术在海洋研究和开发中发挥着至关重要的作用。然而，水声信道具有复

杂的时变、频变和空变等特性，严重影响了水声通信系统的可靠性和有效性。因此，构

建精准反映水声信道特性的模型是设计水声通信系统的关键。

针对传统水声信道建模方法受限于应用条件，无法满足仿真准确性和环境适配性的

问题，本文将数字孪生技术应用于水声领域，开展以水声信道为核心的数字孪生建模研

究，旨在搭建具有高保真性和高适配度的水声信道模型。通过研究水声信道射线模型和

机器学习模型相融合的数字孪生建模方法，突破水声信道仿真完全依赖于物理模型这一

技术难点，实现水声信道在数字空间的精准映射。论文围绕水声信道数字孪生建模方法

的主要研究内容包括以下几个方面：

针对数字孪生技术进行了理论研究，并总结了近年来在不同应用领域所给出的数字

孪生定义和组成结构。在此基础上，本文提出了一种适用于水声信道重构的数字孪生框

架，主要包括声学射线模型和机器学习模型两部分，为水声信道建模提供了技术路线。

针对环境孪生数据精度影响水声信道模型感知海洋环境状态的问题，首先采用绝对

中值法和移动平均滤波器相结合的方法，检测和修正异常的温、盐、深数据。同时，为

提高推算声速的准确性，本文使用和声有哪些信誉好的足球投注网站、改进和声有哪些信誉好的足球投注网站、粒子群、和声-粒子群混

合算法优化Medwin和Leroy声速经验公式参数，对比算法性能并选择收敛速度及优化

能力相均衡的和声-粒子群混合算法优化Medwin公式，以获取贴合真实海洋环境的声速。

针对接收数据匮乏难以训练和测试水声信道数字孪生模型的问题，本文首先采用附

加环境噪声的处理方法进行数据增强，构造具有不同信噪比的实测接收信号数据集，有

效克服实测接收数据量不足的问题，充分提供真实水声信道特征。

针对海洋环境要素获取不完备导致水声信道物理模型无法进行全方位的水声信道

状态感知的问题，本文基于水声信道射线模型，对实测海洋环境要素添加微弱扰动，满

足海洋环境状态一致性及数量需求，通过水声信道射线模型构建时不变性的仿真接收信

号样本集。通过结合生成对抗网络(GAN)、深度卷积Wasserstein生成对抗网络(DCWGAN)

以及带有梯度惩罚的深度卷积Wasserstein生成对抗网络(DCWGAN-GP)的方法，开展基

于GANs的水声信道数字孪生建模研究。借助2022年崂山实测和仿真接收数据集对三

种模型进行离线训练和在线测试，最终选择测试结果最佳的DCWGAN-GP模型作为数

字孪生框架中的机器学习模型。实验结果验证水声信道数字孪生模型具有高保真性。利

哈尔滨工程大学硕士学位论文

用2022年湛江海试数据，验证基于DCWGAN-GP的水声信道数字孪生模型具有环境适

配性，该模型能够有效分析、预测真实水声信道状态。

关键词：数字孪生；水声信道；机器学习；射线理论；生成对抗网络

基于数字孪生的水声信道建模研究

ABSTRACT

Underwateracousticcommunicationtechnologyplaysavitalroleinmarineresearchand

development.However,theunderwateracousticchannelhascomplextime-varying,

frequency-varyingandspace-varyingcharacteristics,whichseriouslyaffectthereliabilityand

effectivenessoftheunderwateracousticcommunicationsystem.Therefore,constructinga

modelthataccuratelyreflectsthecharacteristicsoftheunderwateracousticchannelisthekey

todesigninganunderwateracousticcommunicationsy