一种并行的耦合海洋声学预报系统及运行方法与流程
本发明属于物理海洋与水下声场建模融合领域，涉及一种并行的耦合海洋声学预报系统及运行方法。
背景技术：
目前，国内外已经建立了各种各样的声传播模型，按照对波动方程数值解法的不同，可以将各种模型大致分为简正波模型、射线模型、抛物方程模型以及一些联合模型。声场模型单独在计算方面已经发展得比较成熟。但是，现有的大多数声场领域的计算都是串行的，针对并行算法的研究相对比较少。处理较小规模的二维声传播问题时，现有的声场计算模型可以满足实际的需求。然而近年来，随着对三维声传播问题、大时间、大区域声场计算的需求，现有声场计算效率已经难以满足实际的科研需求。
在海洋学方面，自然资源部第一海洋研究所前期由乔方利研究员利用浪致混合理论，率团队建立了全球高分辨率海浪-潮流-环流耦合模式fio-com，克服了海洋环流模式夏季模拟sst偏高、次表层温度偏低以及混合层偏浅等的共性难题，将次表层海洋温度的模拟偏差减小了约90%，对于海洋数值模式具有通用性。该海洋模型能够提供较为精确的温度、盐度、海面粗糙度等水文环境参数。
到目前为止，无论在海洋学，还是在水声学方面，各自研究领域均有了不菲的理论与实践的积累。但是，针对海洋学和声学的交叉研究仍然较少。现有的声场模型只有仿真计算功能，没有进行水下声场预报的功能。而且，现阶段已有研究成果的计算规模小，国际国内还没有适用于全球海洋声场的大时间跨度的预报系统。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于提供一种并行的耦合海洋声学预报系统及运行方法，本发明系统采用动态海洋模型与水下声学传播模型协同运作的方式，海洋模型生成声学模型预报所需要的初始化环境变量，以便针对各种变化多端的海洋现象给出周边声场、声纳作用距离等的及时预报。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
一种并行的耦合海洋声学预报系统，所述系统包括海洋环境预报模块、海洋-声学耦合模块以及海洋声学传播解决模块；海洋环境预报模块在整个系统中的作用是为系统提供初始化环境输入；海洋-声学耦合模块的功能包括为参数初始化、地形提取以及海洋环境参数剖面提取，通过将海洋模块的包括温度、盐度、海面粗糙度输出在内的参数转化为声学模型的输入，将海洋模型和声学模型结合在一起；海洋声学传播解决模块的作用为海洋声场的计算、海洋声场及声纳作用距离在内的结果的输出。
进一步，所述的海洋模式使用海浪-潮流-环流耦合数值模型，
进一步，所述的声场模型使用全局矩阵耦合简正波模型，在耦合简正波理论中，对于一个水平变化波导，将水平变化波导分成若干段，在直角坐标系（x，y，z）下，第j段的声场可以表示为n个简正波的总和：
其中，
是第j段第n号简正波的本征值，xj是第j段的水平距离，
结合各个段间边界处压力连续和水平方向质点振速连续的边界条件、声源处边界条件以及r→∞处的辐射条件，可以得到如下形式的线性系统方程：
其中，x是列向量
v是列向量
s为声源条件。
上面两式中上标上面两式中上标t表示转置。式中的c是全局系数矩阵，形式如下：
其中，j为水平分段的总段数，i是单位矩阵，e1和e2是归一化的距离解，求解该方程可以得到各阶模态的耦合系数和
在二维声场解的基础上，通过波数积分变换技术实现三维声场解，在直角坐标系（x，y，z）下，波数积分逆变换公式如下：
其中，
本发明还提供整个系统运行方法，具体包括如下步骤：
1）海洋环境预报模块提供初始化环境输入；
2）通过海洋-声学耦合模块，读取初始化信息，获取海洋环境预报模块给出的海洋水文环境预报结果；
该系统共能提供三种类型的计算结果，系统根据用户指定的类型进行计算。系统用户在初始化信息中根据需求指定计算类型参数，主程序根据用户指定的计算类型参数决定进行哪一种类型计算，进而根据计算类型读取地形及环境参数的区域范围，共有三种计算类型：第一种类型，计算声源点和接收点之间垂直剖面内的声场，此类型仅需提取声源点和接收点之间垂直剖面的地形及海洋环境参数；第二种类型，计算以声源为圆心，360°方位角内水平剖面内的声场，此时需要提取以声源为圆心，360°方位角范围内的地形及海洋环境参数；第三种类型，各子进程在声场计算的基础上，根据规定的声纳优质因数，计算声纳最大作用距离，此时需要提取所需计算区域内的地形及海洋环境参数；
3）在海洋声学传播解决模块对系统实施并行化计算；三种声场计算类型都需要多进程的并行计算：第一、二种计算中不同频点、不同方位角的声场计算需将频点、方位角平均分配于各个进程，三维声场波数积分计算时需将波数平均分配于各个进程；第三种计算中针对地理空间划分时采用规则矩形网格划分方式，在经度和纬度两个维度对海洋区域进行划分；
主进程分配任务给各个子进程，各个子进程根据分配任务进行声场计算，获得各个声源各个频点的声场计算结果；之后，主进程按照计算类型要求对子进程的声场计算结果进行包括求和平均在内的进一步处理，输出包括声场及声纳作用距离在内的计算结果。
本发明与现有技术相比的有益效果：
该系统将物理海洋模型与声场模型结合在一起，实现了水下声场的实时预报；该系统可移植到任意高性能计算机系统上，解决水下声场计算量大、计算速度慢的问题，快速实现三维声场的精确计算以及对全球海域声纳作用距离的估计。
本发明声场模型使用全局矩阵耦合简正波模型，利用全局矩阵（dgm）方法求解耦合系数，与传统方法相比，全局矩阵耦合简正波模型避免了大量的矩阵变换和矩阵相乘等操作，提高了模型的稳定性和计算效率。
本系统所采用的声场模型利用波数积分技术将二维模型扩展到三维的声传播问题，进而实现了各个波数的声场计算的并行化，使得本模型能够快速处理三维的声传播问题。在声场计算的基础上，本系统设定声纳优质因数，对声场结果进一步处理，使得系统具备了声纳作用距离预报的功能。
附图说明
图1是耦合海洋声学预报系统的模块化架构图；
图2是对地理空间的规则矩形网格并行划分方式；
图3是耦合海洋声学预报系统声学计算流程图；
图4是声纳作用距离计算流程图；
图5是预报区域地形图；
图6是预报区域的海平面高度异常图；
图7是针对a、b两点之间垂直剖面的声场预报结果；
图8是以a点为圆心，360°方位角范围内水平剖面的声场预报结果；
图9是全球海域声纳作用距离预报结果，声纳探测装置布设在海底。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图来对本发明的技术方案做进一步解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。
实施例1
一种并行的耦合海洋声学预报系统，所述系统包括海洋环境预报模块、海洋-声学耦合模块以及海洋声学传播解决模块；
海洋环境预报模块在整个系统中的作用是为系统提供初始化环境输入；
海洋-声学耦合模块，为参数初始化、地形提取以及海洋环境参数剖面提取，通过将海洋模块的包括温度、盐度、海面粗糙度输出在内的参数转化为声学模型的输入，将海洋模型和声学模型结合在一起。
海洋声学传播解决模块的作用为海洋声场的计算、海洋声场及声纳作用距离在内的结果的输出。所采用的模型为声场模型，所述的声场模型是在现有技术二维模型的基础上进一步改进为三维模型，使用全局矩阵耦合简正波模型，在耦合简正波理论中，对于一个水平变化波导，将水平变化波导分成若干段，在直角坐标系（x，y，z）下，第j段的声场可以表示为n个简正波的总和：
其中，
结合各个段间边界处压力连续和水平方向质点振速连续的边界条件、声源处边界条件以及r→∞处的辐射条件，可以得到如下形式的线性系统方程：
其中，x是列向量
v是列向量
s为声源条件。
上面两式中上标t表示转置。式中的c是全局系数矩阵，形式如下：
其中，j为水平分段的总段数，i是单位矩阵，e1和e2是归一化的距离解，求解该方程可以得到各阶模态的耦合系数和，最终得到各段的二维声场解。
在二维声场解的基础上，通过波数积分变换技术实现三维声场解，在直角坐标系
（x，y，z）下，波数积分逆变换公式如下：
其中，
本发明耦合海洋声学预报系统采用fortran-90编程语言的模块化实现，整体设计框架如图1所示。整个系统通过并行化实现，各个声源、频点、地理空间计算任务均衡分配到各个进程，地理空间采用规则矩形网格的并行划分方式，如图2所示。该系统最终可以提供3种形式的计算结果，一种是距离-深度垂直剖面的声场计算结果；一种是距离-方位角水平剖面的声场计算结果；最后一种是全球或区域任意深度的声纳作用距离估计结果。
系统执行过程中的具体计算流程如图3所示：
首先，海洋环境预报模块读取初始化信息，包括声源位置、频率以及计算类型等，获取海洋模型给出的海洋水文环境预报结果，包括温度、盐度、海面粗糙度等。
其次，海洋-声学耦合模块根据初始化参数给出的计算类型参数决定各个进程读取地形及环境参数的区域范围：第一种类型需提取声源点和接收点之间垂直剖面的地形及海洋环境参数；第二种类型需要提取以声源为圆心，360°方位角范围内的地形及海洋环境参数；第三种类型需要提取所需计算区域内的地形及海洋环境参数。
之后，海洋声学传播解决模块主进程分配计算任务给各个子进程。各个子进程依据分配任务进行声场计算，各个子进程的计算流程为：①读取声线传播路径周围经纬度网格点的水深、温度、盐度等数据；②对网格点数据进行插值，获取声线传播路径上的水深、温度和盐度等，利用经验公式计算声速剖面；③根据声源位置、深度及频率、声速、海面粗糙度、海底地形及参数等，计算单个声源单个频点的声场。
最后，根据计算类型主进程对声场计算结果进行进一步的处理。第一种类型，主进程对子进程计算所得声场结果进行求和平均，获取频谱平均的垂直剖面的声场计算结果并输出；第二种类型，按方位角角度归类声场，输出各个方位角度声场结果，给出水平剖面的声场计算结果展示；第三种类型，计算各个网格点的声纳作用距离并输出计算结果。
针对单个网格点的声纳作用距离计算流程图如图4所示，依次计算声源渐远距离上的单点声传播损失，将声场传播损失与声纳优质因数比较，获取声纳最大作用距离。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例2
选定两点a(124.1°e,26.38°n)和b(124.8°e,24.63°n)，地形图见图5，计算从a到b的垂直剖面声场传播。图6给出的是冲绳沟槽区域的海表面高度异常，可以看出，a、b两点声传播也会受到黑潮锋面涡旋的影响，a点位于海表低温区，b点位于海表高温区，声速剖面是水平变化的。针对a和b两点进行垂直剖面声场预报，首先，在两个点a和b之间进行插值，插值间隔1km，获取各个插值点的经纬度；其次，从海洋模式水文预报结果读取从a到b连线附近矩形区域的温度和盐度等值，从全球海陆数据库(gebco)读取地形数据，根据各个插值点周围四个经纬度网格的水深、温度、盐度数据进行二维线性插值，求取a、b以及插值点的水深、温度、盐度等，根据经验公式求得声速，获取1km间隔各点的水平变化的声速；最后，将声场传播路径上的水平变化的水深、声速，以及声源位置、深度、频率，还有海面粗糙度、海底参数等输入声场模型，进行声场计算。对于单个垂直剖面的声场计算结果，只需对几个频点的声场进行并行计算，最后对所有进程汇总，最终得到频点平均的距离-深度垂直剖面的声场预报结果。例如，对于选取的两点a和b，给出这段路径上的距离-深度垂直剖面的声场预报。声源位于a点，水深50m处。声源中心频率为200hz，1/3倍频程带宽。图7所示为耦合海洋声学预报系统给出的穿越冲绳沟槽的垂直剖面声场预报结果，可以看出，位于冲绳沟槽一侧的声源发出的声线，在穿越沟槽传播的过程中，声线下陷，沿着海底传播，在沟槽另一侧仅有很少的声能量穿过。
实施例3
针对声源点a(124.1°e,26.38°n)，计算围绕a旋转一周的距离-方位角水平剖面内的声场。针对围绕a点的水平剖面的声场预报，首先从海洋模式预报结果读取围绕a附近的圆形区域内的水深、温度、盐度、海面粗糙度等预报结果。在360°方位角内间隔平均取值，每个方位角传播路径间隔1km取值水深、温度、盐度等，各个插值点的数据由周围四个经纬度点的数据二维线性插值获得。根据经验公式由水深、温度、盐度等计算求得声速。将水深、声速等数据，声源信息、海面粗糙度以及海底参数等输入声场模型，进行声场计算。各个方位角和各个频点的声场并行同步计算。选取冲绳沟槽边缘一侧a(124.1°e,26.38°n)点，见地形图5，给出这点周围200km以内50m深度水平剖面的声场预报。声源位于a(124.1°e,26.38°n)点，水深50m处。声源中心频率为200hz，1/3倍频程带宽。图8是耦合海洋声学预报系统给出的冲绳沟槽海域以a点为圆心50m接收深度水平剖面的声场预报结果。可以看出，在水深50m处，沟槽上方水体水深0-800m内声能量很弱，沟槽对声能量起到了遮挡作用，穿过沟槽的声能量很少。
实施例4
全球海域或者特定区域的声纳作用距离预报，相较于垂直剖面和水平剖面的声场预报其计算量较为庞大。计算过程中需要将计算任务均衡划分，如图2所示。在本例中实施全球海域纬度82°n-82°s，经度180°e-180°w之间的声纳作用距离预报。假定在全球海域82°n-82°s，180°e-180°w之间间隔1°依次布设声源点，计算声源在周围区域的传播损失，依据互易原理以及规定的声纳优质因数，可以得到声纳作用距离。将海域中的计算任务按照进程数进行规则矩形网格划分，并且每个进程读取自己计算范围内的地形、温度、盐度、海面粗糙度等参数。计算时首先判定声源位置是否位于海域，声源位于陆地直接跳过。对于求解单个目标声源对应的声纳作用距离的计算流程如下：围绕目标声源在360°范围内均匀角度间隔确定n个方位角；针对单个方位角的水平距离传播损失进行计算；将计算结果与声纳优质因数进行比较，确定单个方位角的声纳作用距离；同样方法计算其余方位角的作用距离，对所有方位角的作用距离进行求和平均，得到该目标声源对应系统的作用距离。图9是全球海域的声纳作用距离预报图，图声纳布设于海底，计算网点间隔1°×1°，每个网格点包含频点数量为7，方位角数为16，假定声纳优质因数为100db。按照单个网点，单个频点，单个方位角进行一次声传播计算，最多所需核数为180（纬度格点个数）×360（经度格点个数）×7（频点个数）×16（方位角个数）×70%（海洋占地球比）=5080320（个）。计算任务按照进程数均衡划分。可以看出，声纳位于海底时，深海区域的声纳作用距离要优于浅海海域的声纳作用距离。
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