[發明專利]一種并行的耦合海洋聲學預報系統及運行方法

有效

• 申請號: 202110769864.X
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113259034B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 楊春梅;劉宗偉;姜瑩;呂連港;郭景松;王關鎖;尹訓強
• 申請（專利權）人: 自然資源部第一海洋研究所
• 主分類號: H04B17/391
• 分類號: H04B17/391;H04B11/00;H04B13/02;G06F17/11
• 代理公司: 北京科家知識產權代理事務所(普通合伙) 11427
• 代理人: 沈小明

1.一種并行的耦合海洋聲學預報系統，其特征在于所述系統包括海洋環境預報模塊、海洋-聲學耦合模塊以及海洋聲學傳播解決模塊；海洋環境預報模塊在整個系統中的作用是為系統提供初始化環境輸入；海洋-聲學耦合模塊的功能包括為參數初始化、地形提取以及海洋環境參數剖面提取，通過將海洋模塊的包括溫度、鹽度、海面粗糙度輸出在內的參數轉化為聲學模型的輸入，將海洋模型和聲學模型結合在一起；海洋聲學傳播解決模塊的作用為海洋聲場的計算、海洋聲場及聲納作用距離在內的結果的輸出；

所述的聲學模型使用全局矩陣耦合簡正波模型，在耦合簡正波理論中，對于一個水平變化波導，將水平變化波導分成若干段，在直角坐標系(x，y，z)下，第j段的聲場可以表示為N個簡正波的總和：

其中，和是歸一化的距離解：

是第j段第n號簡正波的本征值，x^j是第j段的水平距離，和是耦合系數，是第j段第n號簡正波的本征函數。

結合各個段間邊界處壓力連續和水平方向質點振速連續的邊界條件、聲源處邊界條件以及r→∞處的輻射條件，可以得到如下形式的線性系統方程：

Cx＝ν，

其中，x是列向量

x＝[a¹ b¹ a² b²…a^J-1 b^J-1a^J]^T，

ν是列向量

v＝[s 0 0 0…0 0 0]^T，

s為聲源條件。

上面兩式中上標T表示轉置。式中的C是全局系數矩陣，形式如下：

其中，J為水平分段的總段數，I是單位矩陣，E₁和E₂是歸一化的距離解，求解該方程可以得到各階模態的耦合系數和最終得到各段的二維聲場解；在二維聲場解的基礎上，通過波數積分變換技術實現三維聲場解，在直角坐標系(x，y，z)下，波數積分逆變換公式如下：

其中，是通過二維全局矩陣耦合簡正波模型求得的二維聲場解，k_y值為水平波數在y方向上的分量；取不同的k_y值，通過逆變換公式得到三維聲場解p(x，y，z)。

2.根據權利要求1所述的一種并行的耦合海洋聲學預報系統，其特征在于所述的海洋模型使用海浪-潮流-環流耦合數值模型。

3.權利要求1-2任何一項所述系統運行方法，其特征在于所述方法具體包括如下步驟：

1)海洋環境預報模塊提供初始化環境輸入；

2)通過海洋-聲學耦合模塊，讀取初始化信息，獲取海洋環境預報模塊給出的海洋水文環境預報結果；

根據初始化信息給出的計算類型參數決定各個進程讀取地形及環境參數的區域范圍，共有3種計算類型：第一種類型計算聲源點和接收點之間垂直剖面內的聲場，此類型僅需提取聲源點和接收點之間垂直剖面的地形及海洋環境參數；第二種類型以聲源為圓心，計算360°方位角內水平剖面內的聲場，此時需要提取以聲源為圓心，360°方位角范圍內的地形及海洋環境參數；第三種類型在聲場計算的基礎上，根據規定的聲納優質因數，計算聲納最大作用距離，此時需要提取所需計算區域內的地形及海洋環境參數；

3)在海洋聲學傳播解決模塊對系統實施并行化計算；三種聲場計算類型都需要多進程的并行計算：第一、二種計算中不同頻點、不同方位角的聲場計算需將頻點、方位角平均分配于各個進程，三維聲場波數積分計算時需將波數平均分配于各個進程；第三種計算中針對地理空間劃分時采用規則矩形網格劃分方式，在經度和緯度兩個維度對海洋區域進行劃分；

主進程分配任務給各個子進程，各個子進程根據分配任務進行聲場計算，獲得各個聲源各個頻點的聲場計算結果；之后，主進程按照計算類型要求對子進程的聲場計算結果進行包括求和平均在內的進一步處理，輸出包括聲場及聲納作用距離在內的計算結果。