[發明專利]基于自適應動態正交微分方程聲場不確定性快速估計方法

在審

• 申請號: 202210587336.7
• 申請日: 2022-05-25
• 公開（公告）號: CN115146220A
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 陳鋮;馮肖;楊坤德
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/13
• 分類號: G06F17/13;G06F17/16;G01H5/00;G01H3/00
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種基于自適應動態正交微分方程聲場不確定性快速估計方法，利用奇異值分解和降維以及有限差分的方法實現隨機射線的跟蹤，從而在保證高精度的情況下對動態海洋環境的聲場不確定性的快速估計，降低聲場不確定性估計的運算量，特別適用于模擬深海200Hz以上中高頻聲源的射線動態變化軌跡。在計算多個環境參數對聲場估計影響時，相比傳統的多項式展開方法效率更高。相比傳統的蒙特卡羅算法復雜度大程度減少，同時很大程度上節約了運算成本，具有更高的實現價值。只需要通過聲速公式計算得到某個海域內的聲速剖面樣本，便可以實現聲場射線軌跡和傳播損失特性不確定性快速估計，操作簡單。

技術領域

本發明屬于海洋物理，海洋工程及水聲工程等領域，涉及一種基于自適應動態正交微分方程聲場不確定性快速估計方法。本發明提出了一種基于奇異值分解和降維的方法處理海洋環境-聲場不確定性傳遞過程，通過演化隨機射線模型來求解動態海洋場環境下的聲場射線軌跡動態變化范圍，進而實現對聲場不確定性的快速估計。

背景技術

聲波是觀察海洋特征、識別外來物體和海底通信的主要手段，但一個顯著的特點是水聲傳播在很大程度上依賴于環境或介質，因此對水聲傳播的有效預測并非易事。鋒面、渦流和內波等復雜的物理過程引起了深海聲速剖面變化，從而導致了在海洋環境觀測和預報方面存在不確定性，該不確定性通過聲場模型傳遞給預報聲場，產生非線性的交互作用和模型的復雜演變，導致聲場估計的不確定性。該不確定性在一定程度上具有高自由度特征，經過波動方程數值方法求解，導致聲場不確定性的高自由度變化，致使聲場不確定性估計對運算量需求非常大。

國內外目前針對動態海洋環境的聲場不確定性的觀測和預報研究十分積極，如傳統的蒙特卡洛方法，多項式混沌展開的代理模型方法等，但這些方法存在一定的問題。

(1)傳統的蒙特卡羅方法在存在多個不確定環境參數時所需計算量很大，且收斂較慢；

(2)多項式混沌展開方法是一種常用的處理多維和非線性問題的有效方法，近年來被廣泛用于水聲不確定傳播問題的研究，目前已有的研究大多應用該方法來預測不確定環境下的聲場分布，但是研究選取的不確定環境參數數量較少，隨著環境參數數量的增加，需要更多的多項式展開項數和訓練點數以保證計算結果收斂，這會導致計算效率大幅度降低。

聲速剖面的高自由度擾動，會導致聲場不確定性估計維度極高，目前開展的相關研究很少，對海洋環境的聲場不確定性快速估計的研究仍面臨非常大的挑戰，必須尋求新的原理和技術途徑。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于自適應動態正交微分方程聲場不確定性快速估計方法，解決目前技術上所遇到的瓶頸。利用奇異值分解和降維以及有限差分的方法實現隨機射線的跟蹤，從而在保證高精度的情況下對動態海洋環境的聲場不確定性的快速估計，降低聲場不確定性估計的運算量，特別適用于模擬深海200Hz以上中高頻聲源的射線動態變化軌跡。

技術方案

一種基于自適應動態正交微分方程聲場不確定性快速估計方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：引入初始條件：設定模型選取的聲速剖面樣本個數為H，選取的射線個數為R，給定聲源的初始條件：

其中：x_d0為聲源的初始深度，Ψ₀為初始的輔助變量，cosθ₀和sinθ₀是聲場射線初始的角度，c(x₀)表示在初始位置x₀時的聲速；

對每個聲速剖面樣本執行射線模型的仿真運算，得到距聲源特定步長“s”處聲場射線的相關參數，即初始位置的射線參數，并將其用矩陣的形式表示：