海洋-声学-探测模型的并行预报技术研究.pdf

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1、第35卷第4期2叭6年8月海洋技术学报JOURNALOF0CEANTECHNOLOGYV01．35．No．4Aug，2016doi：10．3969／j．issn．1003—2029．2016．04．007海洋一声学一探测模型的并行预报技术研究范培勤，李玉阳，过武宏，赵建昕，张林(海军潜艇学院，山东青岛266071)摘要：针对声纳探测性能预报的需求，建立了海洋一声学一探测模型，实现了并行计算。该模型将海洋数值预报模式、声学模式与海洋观测资源进行整合，辅以战术需求，实现了对水声环境和声纳探测性能的动态预报和估计。同时，结合高性能计算机系统，设计并实现了模型的并行算法．结果表明，该程序

2、具有较高的并行性能，较好地满足了声纳探测性能预报对实效性的要求．为形成业务化海洋水声环境预报能力打下了良好的基础。关键词：海洋模式；声纳；探测性能；预报中图分类号：rI’P391；P733．23文献标志码：A文章编号：1003—2029(2016)04—0036—05长期以来受海洋环境数据获取能力和计算能力的制约，海洋水声环境信息保障主要是针对具体的小范围海域，基于历史和统计数据通过统计分析得到，无法解决“现报”和“预报”的问题，难以满足水声环境信息精细化保障的要求。因此，如何有效集成模型、数据等方面的现有资源，实现声纳探测性能的动态预报，成为目前亟需解决的问题。本文以声纳装备使

3、用热点海区为背景，将海洋预报模型、声学模型与声纳探测模型进行耦合，把传感器性能的研究与水声学、海洋学的研究紧密地联系在一起，结合高性能计算平台，实现了相关海区未来时刻声纳探测性能的动态预报和估计，对声纳装备有效使用具有十分重要的意义。1海洋一声学一探测模型海洋一声学一探测模型主要包括海洋数值模式旧、声学传播模型、声纳探测模型，通过海洋动力模型的状态变量、声学计算参数、声纳方程参数之间的相互传递与影响形成统一的海洋一声学一探测模型。该模型计算流程为：基于高性能并行计算平台和水声环境数据库，首先通过水声环境数据库并结合实时更新的实测数据为POM模式提供历史数据作为初始场，完成预报海区

4、的温度、盐度、密度等环境基础数据的预报，由此可得到声速场的动态预报；在此基础上读取水声环境数据库中的海底地形、密度、声速、吸收系数等地声参数，作为输入文件传递给声场计算模型，完成相关海区的声场计算；最后，利用声场计算结果，结合声纳探测模型，基于高性能并行计算平台，完成相关海区的声纳探测性能预报，为声纳装备的使用和指挥决策提供辅助决策信息支持。图l给出了整个系统的信息流程图。r

5、下"．，世L、—1川啪*】i人场‘。帆c叫救州一水，：』1Ⅵ坡“，Ⅲ垃帆删敏州图1海洋一声学一探测模型并行预报信息流程图1．1海洋数值模式海洋数值模式是把海洋原始方程组离散求解的过程，用数值模式进行数值模拟

6、是目前海洋相关研究的实用方法之一。随着读人数值模式的实测数收稿日期：2015～12—24基金项目：新世纪优秀人才支持计划，总装预研基金项目资助(9140A03060213JBl5039)作者简介：范培勤(198l一)，男，博士，研究方向为水声环境效应、并行计算。E—mail：similamly05@163．com第4期范培勤，等：海洋一声学一探测模型的并行预报技术研究37据种类的增多和质量的优化以及模式自身的发展，数值模式如今已能较好地应用于三维海洋温、盐、流的数值模拟并向精确预测方向发展。目前海洋学界较为常用的海洋数值模式有POM，FVCOM，ROMS，HYCOM等。由于POM

7、模式的开源性以及在中国海区的成功应用，本文采用该模式为声学模型提供三维温、盐、密的动态预报。1．2声学模型本文水下声传播模型采用的是波束位移射线简正波(BDRM)模型，BDRM模型是一种十分有效的声场计算方法，具有较高的精度、较快的计算速度，而且该方法把海洋边界条件对声场的影响与水层中的折射与绕射效应分离开来，有利于定性分析与定量计算海洋边界条件对声场的影响。BDRM理论的研究目前已经比较成熟，在此不再赘述，文献[4]给出了模型的详细推导过程。1．3声纳探测模型cdoM．Ferla在深海中声纳最优工作深度选择的研究过程中【5J，在目标深度未知时，通过统计不同深度上声源声场的概率分

8、布得到声纳最优工作深度，本文借鉴这种思想进行声纳探测性能的计算。1．3．1被动声纳方程被动声纳方程悯为：乩一化一^吧+D，=Dr(1)式中：乩为目标声源级；兕为传播损失；舭为噪声级(包括自噪声与环境噪声)；饼为声纳指向性指数；Dr为检测阈。阳M(FigureofMerit)为声纳优质因子，可表示为：FoM=sL—NL—DT耐DI(、2)式中：D‰表示当目标检测概率氏=R～时的D丁值，通常概率取0．5(50％)。声纳优质因子将不同的声纳设备和目标参数结合在一起，当在声纳方程被满足的