3. 水下声学传播特性与LBL信号体制
长基线（LBL）定位的精度上限，本质上由水下声信道决定，而不是由解算算法决定。布设阵列之前，必须先回答两个问题：声信号在这片海域里会变成什么样？我该选哪种信号体制去"对抗"这种变化？本节围绕水声信道的三个核心效应——传播损失、多途与声速剖面折射——展开，并说明LFM与MFSK两类常用信号体制如何影响LBL的时延测量与解算结果。
一、传播损失：作用距离与信噪比的硬约束
水声传播损失由扩展损失与吸收损失两部分构成。工程上常用简化模型估算：
TL = n·10·lg(r) + α·r/1000 （dB，r 单位 m，α 单位 dB/km）
球面扩展 n=2；柱面扩展（声道内远距离）n≈1
吸收系数 α 随频率快速上升：10 kHz 约 1 dB/km，30 kHz 约 6～7 dB/km，
100 kHz 可达 30 dB/km 以上（典型温盐深条件下的量级参考）这组关系直接决定LBL换能器的工作频段。以示例参数说明：若换能器声源级 SL=185 dB、接收端在环境噪声下的检测阈 DT=70 dB，允许的最大单程损失约 115 dB。取 n=2、α=2 dB/km，则 3 km 处 TL≈69.5+6=75.5 dB，余量充足；10 km 处 TL≈100+20=120 dB，已超出预算。这说明在给定声源级下，LBL 的有效作用半径是有限的，布设几何必须让每个应答器到目标的距离落在预算之内。若把频率从 10 kHz 提高到 50 kHz，α 上升一个量级，同样距离下损失增加十几到几十 dB，作用距离会显著缩短——这就是"高频换精度、低频换距离"的取舍。
二、多途与声速剖面：时延测量的主要误差源
浅海环境中，直达波、海面反射、海底反射会先后到达接收机，形成多途。若多途时延差小于信号的时间分辨率，各路径叠加会造成波形畸变与到达时刻模糊；若大于分辨率，则可能出现"错锁"到反射波上，产生一个等于路径差的系统性偏差。深海则受声速剖面控制：表面混合层、主跃层、深海等温层使声线弯曲，形成表面声道、汇聚区与声影区。布设时若应答器恰好落在声影区，链路会间歇性中断，表现为定位解算中个别应答器时延缺失、几何构型退化。
应对多途的工程手段有三类：一是提高信号的时间带宽积，用脉冲压缩把多途在时域上"压"开；二是选择指向性换能器抑制海面/海底反射；三是把接收机布放在声道轴附近，利用折射会聚提高信噪比。这三条都指向同一个结论：信号体制的选择不是通信问题，而是定位精度问题。
三、LFM：用脉冲压缩换取时延分辨率
线性调频信号（LFM）在一段时宽 T 内让频率线性扫过带宽 B，接收端用匹配滤波做脉冲压缩，输出主瓣宽度约 1/B，压缩增益约 10·lg(BT)。举例：取 T=20 ms、B=4 kHz，则压缩后主瓣约 0.25 ms，对应水中声速 1500 m/s 下的距离分辨率约 0.375 m，压缩增益约 19 dB。这个增益既提高了检测信噪比，也把多途在时域上"拉开"——若海面反射与直达波的路径差对应 3 ms 时延，压缩后两者主瓣清晰分离，接收机可以锁定首个到达的直达波，避免错锁。
在LBL中，LFM通常用于应答器回复的测距脉冲。实际处理时要注意两点：一是匹配滤波的参考副本必须与发射波形严格一致，否则压缩主瓣展宽、峰值下降；二是门限检测应结合前沿检测而非峰值检测，因为多途叠加会使峰值偏移。工程上常把检测门限设在噪声基底上方 10～12 dB，并记录首达时刻作为时延观测量。
四、MFSK：稳健识别与低速数据链路
多频移键控（MFSK）用一组离散频率承载符号，每个符号周期内只发一个单频。它的优点是抗多途稳健、实现简单、峰均比低，适合在低信噪比、强多途条件下传输应答器的身份码、深度、电池状态等低速信息。代价是时间带宽积小，时延测量精度不如LFM。因此在LBL系统中常见"分工"：MFSK负责唤醒与识别，LFM负责精确测距；或者在同一帧内先发MFSK同步头、再发LFM测距段。
选择体制时可参考下面的判断逻辑：若基线尺度大、信噪比紧张，优先低频LFM并适当加长脉宽；若多途严重且需要区分多个应答器，采用MFSK编码加正交频分或时分复用；若既要求识别又要求高精度，采用MFSK+LFM复合帧。需要强调的是，信号带宽决定了时延精度的理论下限，而多途与声速误差决定了实际能达到的精度，二者不可混淆。
五、从信道到布设参数的对应关系
把上述分析落到布设动作上，可以形成一张对应表：传播损失预算决定最大基线尺度与换能器频段；多途时延差决定脉冲重复周期必须大于最大多途时延，否则相邻脉冲会串扰；声速剖面决定应答器布放深度应尽量靠近声道轴或直达波可达层；信号体制决定接收机的匹配滤波副本与检测门限。以示例参数说明：若测得最大多途时延差约 8 ms，则测距脉冲重复周期应大于 10 ms，避免距离模糊；若目标活动范围 2 km、最远应答器 3 km，按前述预算选择 10～15 kHz 频段较为稳妥。
实际布设前，建议先用CTD或声速仪测一条声速剖面，结合海深与海底底质判断多途强度，再据此确定频段、脉宽、带宽与阵列几何。信号体制不是孤立的选择题，而是信道条件、链路预算与定位精度三者共同约束下的工程决策。