BELLHOP3D模型的多核并行及性能评估

通过三维射线模型BELLHOP3D能够计算海洋中的三维声场,在声呐性能预报以及海洋环境参数反演等应用中具有重要意义。然而随着计算海域范围的增大以及计算网格点分辨率的提高,水声传播对计算的需求也逐渐增大。文章面向天河2号超级计算平台的多核体系结构,针对BELLHOP3D计算特征,充分挖掘其中的并行性,采用OpenMP多核并行技术,实现BELLHOP3D的多核并行。最后,通过Munk波导算例以及三维楔形海底算例对射线模型的并行计算效率进行了测试,当计算节点中的24个计算核心全部用于计算时,两个算例的并行计算效率分别达到了83.3%和87.5%。

Bellhop模型在水声网络仿真中的实现和应用

随着水声技术的发展,水声网络(UANs)因其在海洋监视、灾害预警和海洋安全等领域的表现而备受关注。水声信道是影响UANs性能的重要因素之一,其复杂特性直接影响着UANs相关协议的前期设计和评估,对于协议走向实际应用至关重要。有别于传统理论模型,Bellhop水声信道模型通过跟踪射线计算海洋声场,提供了一种更准确的获得不同海洋环境下信道特性的方法,但该方法不能直接用于网络仿真。针对此,文中在目前主流的网络仿真平台NS3上构建了基于Bellhop的水声信道模型,将高斯射线模型用于水声网络仿真。对比结果表明,该模型能够有效仿真声信号在水下的传播特性,可为实际UANs协议开发提供参考。

三维声传播模型BELLHOP3D的信息传递接口并行优化

近些年,我国对海洋不断深入的探索对复杂环境中声场的快速预报提出了越来越高的需求。BELLHOP3D是一种基于射线法的三维声传播计算模型,在海洋声学中应用十分广泛。BELLHOP3D的计算效率比其他常用模型高,但是仍然有非常大的提升空间。该文使用信息传递接口对BELLHOP3D进行粗粒度的并行优化,并行后的程序计算结果稳定可靠,并行效率高,更适合在实际应用中实现快速的声场预报。并行BELLHOP3D程序可以在https://github.com/nj-zyq/BELLHOP3D_MPI.git下载。

基于BELLHOP模型的水下多目标跟踪算法研究

针对高频主动声呐的深海多目标跟踪问题,提出了基于BELLHOP模型的无迹卡尔曼滤波-高斯混合概率假设密度(Unscentesd Kalman Filter-Gaussian Mixture-Probability Hypothesis Density,UKF-GM-PHD)水下多目标跟踪算法。该算法首先利用BELLHOP射线声学模型,计算出本征声线、目标信号的幅度、相位及时延信息,以此构造目标回波信号并叠加高斯白噪声。然后,由回波信号计算得到目标相对于观测站的距离、方位角和俯仰角信息,作为目标跟踪系统中的量测信息。最后利用提出的UKF-GM-PHD多目标跟踪算法,实现高频主动声呐非线性系统的多目标跟踪。仿真结果表明,在深海高频主动声呐条件下,文章提出的UKF-GM-PHD多目标跟踪算法较传统高斯混合概率假设密度(Gaussian Mixture Probability Hypothesis Density,GM-PHD)方法,明显降低了目标丢失率,并且最优子模式指派统计量(Optimal Sub-Patter Assignment,OSPA)距离也更小,跟踪效果更好。

基于Bellhop的中尺度涡声传播特性分析

结合某航次的温盐数据,利用经验公式,得到其在中尺度冷涡环境下沿水平方向上变化的声速剖面,结合该声速剖面及所在位置的地形特点,研究在有涡无涡环境下,涡心到涡外在不同地形时的声传播损失变化规律。研究发现,地形因素对声传播损失变化有着重要的影响,在有地形影响的中尺度涡环境下,声传播的会聚区变得比较发散,在无地形时,会聚区比较集中;在中尺度涡的影响下,会聚区会发生一定的偏移,以冷涡进行分析,中尺度冷涡会引起会聚区向涡边缘偏移,且偏移量随着接收端深度的增加而减小,且会聚带也随之变宽。

基于BELLHOP模型的水下信道仿真方法研究

论文采用BELLHOP模型对水下信道进行仿真,并研究了对目标声源的探测方法和阵列最佳布放方法与声线的关系。首先介绍了水下声场建模基本原理,利用BELLHOP模型对水下信道进行仿真并得到所需要相关输出参数,之后求得水声信道中声源到各个阵元的传递函数,通过改变声源位置参数得到各组相应的传递函数。最后研究采用遗传算法的最优布局中节点的布放位置与声线之间的关系,实验结果表明,采用传递函数能够较好地对水声信道中信号的传播途径进行模拟,此外,无论声线数目的多少,最优节点始终放置在声线上。

射线模型Bellhop的并行化处理

射线模型是声场计算时常用的模型之一,为了使射线模型Bellhop实现对声场的快速计算,该文基于Bellhop传播模型的C++版本BellhopC开发了并行化射线模型BellhopMP。在并行的处理过程中,结合高斯射线理论,利用多线程技术,建立稳定可靠的并行模型,实现快速声场预报。文章通过仿真实验验证了该模型计算声场的准确性,并通过典型海洋波导下的声传播问题对其并行计算性能进行了测试。结果表明使用BellhopMP能够大幅度提高计算速度,有效解决深海远程等长时间声场计算问题,并且串行所需的计算时间越长,并行效率越高。

基于BELLHOP模型的水中目标回波亮点特征建模与分析

水中目标回波亮点的时空特性是主动声呐进行目标检测、跟踪与识别的主要依据,由于水声环境复杂多变,回波亮点结构受环境因素影响较大。建立了主动声呐目标回波的5亮点模型,并利用BELLHOP模型仿真复杂的水声传播环境。在浅海正声速梯度、浅海负声速梯度和深海声道3种信道条件下,提取并分析了不同舷角下目标回波亮点的时空特性。仿真结果表明,该模型反映了不同声传播环境下的目标回波亮点特征变化情况,可为主动声呐的目标检测与识别提供支撑。

基于BELLHOP的水声信道时变模型

随着海洋开发和信息产业的发展,对水声信道的研究日益重要。传统的射线声学模型不能很好地反映水下环境的复杂多变性。本文提出的BELLHOP--多普勒时变模型充分考虑了水体环境和信道几何结构等物理因素,反映了水声信道的衰减、多径、时变特性,并重点分析了多普勒效应造成信号频移和时间扩展(或压缩)的问题。

基于声学宽带扩频信号的抗多径测距技术研究

为研究宽带扩频信号在复杂水声信道下的测距精度,提高水声定位系统的抗多径性能,以BELLHOP模型的多径干扰冲激响应作为水声信道环境基础,通过构造不同传播距离、海洋环境特征的多径水声信道,对宽带扩频编码进行同步相关测距仿真;提出一种基于宽带扩频信号载波域同步的抗多径测距方法,利用载波携带的宽带特征信息进行相关同步以提高理论测距精度。实验结果表明:在有直达声且不考虑声线弯曲条件下,浅海多径信道条件测距精度可达厘米级,中深水信道维持分米级测距精度,较基带同步方法的抗干扰性能有所提升,基于宽带扩频信号载波域同步的抗多径测距方法,能够为声学定位系统的高性能测距技术提供理论依据。

基于ROMS模型的水声信道建模仿真

复杂多变的海洋环境是影响声呐性能的主要因素,水下声场的计算对声呐布放、航路规划等反潜工作具有指导意义。本文基于ROMS模型对海洋数据进行模拟,并使用并行化技术改进后的BELLHOP模型对其进行仿真,实现对水下声场的快速预报。文章通过实验验证了该方法的可行性以及结果的准确性,利用并行化技术改进后的计算速度也有显著提升。仿真实验表明,此方法可以快速准确地预报水下声场,对声呐设备的工作具有评估和指导作用,为后续反潜作战方案制定提供了数据参考。

基于水文环境的鱼雷自导作用距离预估方法研究

水声传播特性受海洋环境的水文条件影响严重,具有非常显著的时变和空变特性,直接制约着鱼雷自导性能。基于波束追踪(Bellhop)声场计算方法,综合考虑信道特性、装备自身特性和目标特性,建立鱼雷自导作用距离预估模型,提出鱼雷工作深度选择方法,可为鱼雷探测能力评估、作战规划、作战参数选择等提供技术手段。通过仿真和实航试验结果,分析水文环境对鱼雷自导作用距离的影响,验证了预估模型的准确性,研究成果可用于指导鱼雷作战使用,并为研究鱼雷自导环境适应性问题提供参考。

水下航行器辐射噪声仿真及冰下传播规律研究

水下航行器辐射噪声模拟和水声信道中的信号传播特性是水声领域研究的两大热点问题。通过经验公式以及设计FIR滤波器的方法模拟出水下航行器的辐射噪声功率谱。在此基础上结合Bellhop声学工具箱,模拟经过海洋信道传递的辐射噪声信号。结合Burke-Twersky(B-T)冰水模型进行冰水界面下海洋信道的研究。结果显示,功率谱幅值根据水平传播距离和声源深度产生不同程度的衰减。且冰水上边界的存在使声线产生额外的反射和损失,造成接收点功率谱额外衰减20~30 dB。

高速运动声呐海底宽带混响建模与仿真

海底混响是鱼雷在声速近似满足负梯度分布的浅海水域进行目标探测时的主要干扰源。为了准确、便捷、可复现地获得混响信号,并研究其统计特性,文中提出一种基于Bellhop模型的高速运动声呐海底宽带混响仿真方法。该方法先将对混响有贡献的海底区域划分为若干个不均匀的散射单元,计算每个单元的散射特征函数,其中传播损失通过Bellhop模型计算;再基于网络模型仿真得到包含幅值、相位与多普勒频移等主要影响因子的海底混响模拟信号。最后,对仿真信号与实航信号进行时频域分析及相似性比较。结果表明,以仿真信号与实测数据瞬时值的概率密度分布的点积比为评价标准,文中的方法与实航数据相似度明显提高,验证了模型的有效性。

海洋混合层结构对表面声道中声传播特性的影响分析

利用WOA05气候态数据集和北黄海调查数据,应用BELLHOP高斯束射线模型分析了我国近海及西太平洋典型海区的混合层结构对表面声道中声传播特性的影响,结果表明:我国近海的混合层结构有显著的区域性和季节性变化;深海中主要表现为混合层深度变化,这种变化直接影响表面声道的空间分布,声波在混合层中的表面声道中传播与在混合层外的影区中传播产生的能量场差异较大;浅海中混合层深度与声速梯度的空间变化都很明显,声速梯度的增大和混合层的加深都能使更多声线以反转的形式传播,使表面声道声场增强。两组海上实验数据表明,在真实海洋中混合层可在短时间内出现生消变化或在局部海域出现非均匀分布。在浅海温跃层环境下,海-气边界特定的物理过程能够使混合层发生间歇性的变化,当表面声道出现时近表层声场明显增强。

西北太平洋副热带模态水形成区声传播特性分析

利用 Argo 剖面数据和水声学数值模型，分析了西北太平洋副热带模态水（STMW）形成区因季节性环境差异所引起的水声传播变化特征。声场计算结果表明，STMW 形成区域的声传播为近表层波导与会聚区的复合形式，其中会聚区终年存在，表面波导在秋、冬两季混合层加深的环境条件下出现，次表层波导在夏季 STMW 潜沉的环境条件下出现。上层海洋中两类不同形式的波导使表层和次表层的声能分布呈反相变化，波导内与波导外的声能差异可达10～15 dB（声波频率为1000 Hz）。STMW 的季节性变化还会引起会聚区的位置差异，具体情况与声源深度有关。声源在20 m 时，夏季会聚区距离最远，秋季、春季次之，冬季最近，夏季和冬季相差6．6 km；声源在150 m 时，夏季会聚区距离缩短了3．1 km，其他季节变化不大。

深海声速剖面结构变化对会聚区偏移特性的影响分析

应用分层声速剖面模型(LSSPM)和BELLHOP高斯束声场计算模型,对深海声速剖面结构变化引起的会聚区偏移特性进行了分析。结果表明,声速值的整体变化对会聚区影响很小,而混合层、主跃层、深海等温层及声道轴的变化都会使会聚区位置出现不同程度的偏移。主跃层是上层海洋变化的主要体现,混合层变化对会聚区的影响也是通过改变主跃层的形态结构实现的,跃层强度的增大使会聚区向远离声源方向偏移。深海等温层的声速变化体现了深海水团的结构差异,与主跃层引起的会聚区偏移呈反相变化。声道轴附近的声速变化体现了不同类型中层水团侵入和混合的影响,所引起的会聚区偏移反映了声道轴上层与下层梯度变化的综合效应,声速最小值的增加使会聚区向远离声源方向偏移。

白令海西部小区域声传播特征研究

白令海是连接太平洋、北冰洋唯一要道,经济、军事地位极其重要。利用中国第5次北极科学考察CTD（Conductivity,Temperature,Depth）数据,在分析白令海西部小区域水文环境基础上,结合大陆坡地形,利用UMPE（University of Miami Parabolic Equation）抛物方程模型模拟声传播特征,并利用Bellhop射线声学模型分析其形成的物理机制。陆坡区域受流混合影响,50~350 m形成低温、低盐水团。声波沿陆坡向深海传播时,声能向500 m以上汇聚,次表层50 m左右形成声道,深层为声影区;声波沿陆坡向浅海传播时,50 m左右出现声道,深层传播损失较大,无声影区;＂斜坡增强效应＂使得声源置于浅水海域时,50 m声道强度大于声源置于深水海域。

台湾海峡近海水声信道传递函数仿真研究

水声信道传递函数特性对水声通信系统的性能有着重要的影响。采用美国海军GDEM(generalized digital environmental model)中全球气候态月平均声速数据,基于BELLHOP射线传播模型,对台湾海峡近海北、中、南部三个站点在不同季节的声速剖面下的传递函数进行了仿真研究。仿真结果表明,台湾海峡近海浅海声信道的传递函数为锯齿状,间断出现子通带。平均子通带宽度与声速剖面和海水的深度的变化密切相关。

声速垂直结构变化引起的汇聚区偏移

应用Munk模型和BELLHOP模式,对不同声速垂直结构类型条件下的汇聚区声传播特征进行了分析。结果表明,近表层水温、温跃层强度、温跃层厚度以及声道轴深度的变化将导致汇聚区位置发生不同程度的偏移。温跃层是上层海洋变化的主要体现,跃变强度的增加会使汇聚区向远离声源方向偏移。表层水温增加1℃可使汇聚区向远离声源方向偏移0.6～0.7km;温跃层强度增加0.005℃.m-1可将使汇聚区向远离声源方向偏移1.5～2.0km;温跃层厚度减小100m将使汇聚区向靠近声源方向偏移0.4～1.2km。声道轴位置变化则体现了温跃层和深海等温层的共同影响,两者作用相互抵消,使汇聚区偏移很小,声道轴加深100m将使汇聚区向靠近声源方向偏移约0.1km。