一种海洋声传播可靠性模型快速匹配系统

摘要

本发明实现了一个海洋声传播可靠性模型快速匹配系统，包括：潜标式现场水声环境快速测量器：获取当时当地海洋环境数据及噪声矢量信息；数据拟合修正模块：基于实测海洋环境数据对历史环境数据加以修正；海洋声传播模型计算模块：采用GPU并行计算方法近实时解算水声传播模型库中的多种水声传播模型，得到预报的声传播损失；声传播可靠性模型匹配模块：将多点实测水声传播损失数据与不同水声传播模型计算的声传播损失数据比对，方差最小的模型即为现场海区当时时刻的最可靠模型。系统可以实现基于现场海洋环境数据信息快速选取当时海区的可靠声传播计算模型，有效改善海洋声传播模型环境适用性不好、海洋声传播计算可信度不高等现实问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海洋水下声传播模型解算及声场测量及其模型快速匹配方法，属于海洋声学领域。

背景技术

随着宽带声传播、浅海地声反演、匹配场定位、水下环境仿真等问题的深入研究，对水声传播模型的计算速度与精度提出了更高的要求。但声音在水下沿曲线传播并受现场水文环境条件影响较大，水下声传播存在强烈空间不对称性和时空变化性，尽管当前针对不同海洋环境的水下声传播计算模型已经多达百种，但不同模型均有各自的使用范围，在适用范围内且输入参数精度满足要求的前提下，一般可以保证模型计算结果的可靠性。而现实情况下，由于水声环境特别复杂，不仅水下声传播模型输入参数精度难以满足声传播计算的要求，还更加难以保证根据现场海洋环境选择适用的声传播计算模型，基于现场海洋环境选择可靠海洋声传播计算模型一直是海洋声学领域面对实际应用的难点问题。

发明内容

针对上述问题，为实现基于现场海洋环境特征快速选取最可靠的海洋声传播计算模型，提高当时当地水下声传播计算的可信度，准确描述水下声场环境，本发明的技术内容包括：

搭建潜标式现场水声环境快速测量器，实时测量现场海洋环境，组成部分包括，(1)浮标天线：作用发射测量现场海洋环境数据和接受控制指令；(2)浮体：作用保证天线露出海面；(3)温盐密链：作用测量海洋温盐密-深度剖面；(4)浮力潜标：作用搭载数字化水听器。

所述数字水听器构成包括：作为传感器部分的水听器、低噪声前置放大器、高通滤波器、24位的Sigma-Delta型ADC以及信号处理器组成。所述数字水听器对模拟电源进行电源隔离和滤波处理，ADC与处理器之间采用数字信号隔离芯片，隔离模拟部分与数字部分，阻隔开关噪声对信号干扰，有针对性的选用低噪声的前置放大器，兼顾电流噪声和电压噪声的影响，抑制低频段的电流噪声。

所述潜标式现场水声环境快速测量器现场实测得到当时海洋环境的温度、盐度和密度数据，该实测数据进入所述数据拟合修正模块对海洋环境历史数据进行修正，采用二次样条差值方法对数据离散点和不连续处进行数据拟合处理，保证数据标准统一、格式规范，符合水下声速剖面计算要求。

所述海洋声传播模型计算模块接收数据拟合修正模块输出的规范化温盐密海洋环境数据，计算当时现场水下声速剖面，采用GPU并行计算方法对海洋声传播模型库中的声传播模型实现近实时解算，预报现场声传播损失。传统使用CPU解算水声传播模型计算量大，耗时长，为保证系统能够近实时解算各种复杂的水声传播模型，采用先进的GPU并行计算方法对水声传播模型库中多种模型进行解算。

所述海洋声传播可靠性模型匹配模块通过比对当时现场实测环境声传播损失数据与海洋水声传播模型库中各模型现场计算的声传播损失数据，统计、比较两者方差大小，选取方差最小的模型为现场海区当地时刻的最可靠模型。

本发明具有以下优势：应用GPU并行计算技术，将现场当时、当地的海洋环境实测数据应用到海洋声传播计算模型的选取过程中，通过利用现场多点实测环境声传播损失数据与水声传播模型库中模型的现场计算的传播损失数据比对，选取方差最小的模型为该海区当地时刻的最可靠模型，使得选取的预报模型的时效性大大提高，增强水下声传播损失预报信息的可靠性，较好的解决了由于海洋环境的复杂性而导致的海洋声传播模型环境适用性不好、声传播预报可靠性不高等问题，提高了海洋声场计算的可信度。

附图说明

图1展示了本发明技术实现途径和系统构成的结构框图。

图中，1为潜标式现场水声环境快速测量器，2为数据拟合修正模块，3为海洋声传播模型计算模块，4为海洋声传播可靠性模型匹配模块。

图2展示了本发明的潜标式现场水声环境快速测量器工作原理图。

图3展示了所述潜标式现场水声环境快速测量器的数字水听器电路结构。

图4展示了CUDA并行求本征值网格线程分配方案。

图5展示了基于GPU的WKBZ模型的实现模块图。

图6展示了基于GPU实现的BDRM模型的总体框架图。

图7展示了FOR3D裂步-步进方法的原理图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明一种海洋声传播可靠性模型快速匹配系统，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，更为清楚的阐述本发明的系统和实现方法，并解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示的一种海洋声传播可靠性模型快速匹配系统，海洋声传播模型计算模块3基于GPU并行计算技术进行，计算所得的水下预报声传播损失与现场实测声传播损失数据进行比对，方差最小的模型即为当地海区当时的最可靠模型，海洋声传播可靠性模型快速匹配系统按照数据采集、数据拟合修正、海洋声传播模型计算、海洋声传播模型匹配分批次进行：

1)潜标式现场水声环境快速测量器1以潜标14为工作平台，集成数字水听器15和温、盐、密传感器13，实现空间共点、同步采集海洋噪声矢量信息并连同海洋深度-温、盐、密度剖面及时间信息整合在一起，形成数据文件并存储在CF卡中。

2)数据拟合修正模块2接收潜标式现场水声环境快速测量器1测得的多点实测海洋环境数据，结合海洋环境历史数据，采用二次样条差值算法进行数据的融合和进一步修正，解决实测数据与历史数据的离散和不连续问题，构建标准统一、格式规范的海洋环境数据集。

3)海洋声传播模型计算模块3接收数据拟合修正模块2输出的规范化温盐密海洋环境数据，对当时现场水下声速剖面进行实时计算，基于计算结果采用GPU并行计算方法对海洋声传播模型库中的声传播模型实现近实时解算，预报现场声传播损失。

进一步的，对于水下声传播模型中的简正波类模型，采用基于GPU的并行快速求解本征值方法，使用CUDA设计多分法求解本征值。多分法可同时计算多个函数值，然后找到两个相邻且函数值异号的自变量，并将它们作为新的边界，在进行多点求值，依次迭代最终求得函数解。

实施过程如图4，在CPU主机构建一个求解本征值的内核，利用GPU硬件并行加速特点，为该内核在GPU中分配一个线程网格，多少个本征值，就为该网格分配多少个线程块，而块中的线程数与多分法中求值数相同，这样实现多个本征值并行求解，使总体耗时大大降低。多分法求解过程绝对计算量增大，但收敛速度加快，迭代次数减少，使用CUDA并行计算可同时计算多个本征值，总计算时间大大减少。

进一步的，对于水下声传播模型中的WKBZ模型，基于GPU的实现框架如图5，该框架在GPU中划分两个并行处理网格，包括以下步骤：

步骤501：网格1采用多分法求解本征值，完成计算；

步骤502：网格2由本征函数计算模块和集成显示模块构成，计算本征函数后将结果转化为纹理进行显示。

进一步的，对于水下声传播模型中的BDRM模型，GPU实现框架如图6，包括以下步骤：

步骤601：网格1采用多分法求解本地本征值，完成计算；

步骤602：网格2由本地本征函数计算模块和集成显示模块构成，计算本地本征函数后将结果转化为纹理进行显示。

进一步的，对于水下声传播模型中的FOR3D和PE模型，采用裂步-步进的方法求解，裂步-步进方法的求解原理如图7。把深度分为M层，层数用m表示，每层的深度为Δz；把辐角分为L个扇区，扇区数为l，每个扇区的辐角为Δθ；然后在距离r方向上取步长Δr进行步进运算，从初始场步进到要求的距离，用j表示步进数。

进一步的，对于水下声传播模型中的耦合简正波—抛物方程(CMPE)模型，同样应用GPU多点求本征值和GPU高效能矩阵解法进行GPU并行实现。

本发明提供的一个海洋声传播可靠性模型快速匹配系统，充分发挥GPU并行计算技术的优势，创造性的将海洋环境实测数据应用到当时海区的海洋声传播模型的选取中，实现了基于现场海洋环境数据信息快速选取可靠声场计算模型，较好的解决了由于海洋环境的复杂性而导致的海洋声传播模型环境适用性不好、海洋声传播计算可信度不高等问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应说明的是，海洋声传播模型多达上百种，具有各自的适用范围和约束条件，本发明针对几种常用的海洋声传播模型进行技术方案的说明，但并非对其进行限制，凡属应用GPU并行计算技术实现海洋声传播模型的近实时解算并进一步与实测数据匹配实现可靠声传播模型的选择，均应当属于本发明的精神和范围内。在不脱离本发明原理的前提下，对于海洋环境测量手段的若干改进、润饰及对海洋声传播模型库的扩充等变化、应用、实施例也在本发明的精神和范围内。