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申请/专利权人：哈尔滨工程大学

摘要：本发明属于水声领域，公开了基于BELLHOP的快速声场计算方法，步骤1：指定基础步长L0、海洋深度h0、声源初始深度hs、以及边界容限Δh；步骤2：建立水深与声速的函数关系fh；步骤3：定义fh的导函数gh；步骤4：求|gh|的最大值max|gh|，令M＝max|gh|；步骤5：对fh进行插值，获得在hs深度处声速值fhs及fhs的导数ghs；步骤6：若hs＜Δh或hs＞h0‑Δh，令ghs＝M；步骤7：对fhs的导数ghs进行归一化，令g2hs＝ghsM；步骤8：构造满足约束条件的gh和网格尺寸的映射关系rgh；步骤9：计算网格边长L；步骤10：计算当前网格内及边界处声场分布；步骤11：判断当前位置是否达到接收点；步骤12：声场计算结束，停止计算。本发明保证了声场计算的速度、提高了声场计算的精度。

主权项：1.基于BELLHOP的快速声场计算方法，其特征在于：包含如下步骤：步骤1：指定基础步长L0、海洋深度h0、声源初始深度hs、以及边界容限Δh；步骤2：建立海底声速坐标系，使用传感器每隔Δh深度测量一次海洋声速值，建立水深与声速的函数关系fh，fh表示在水深h处水中的声速，Δh为量化步进值；h＝0表示海面，h＝h0表示海底；步骤3：定义fh的导函数gh；步骤4：求|gh|的最大值max|gh|，令M＝max|gh|；步骤5：对fh进行插值，获得在hs深度处声速值fhs及fhs的导数ghs；步骤6：若hs＜Δh或hs＞h0-Δh，令ghs＝M；步骤7：对fhs的导数ghs进行归一化，令g2hs＝ghsM；步骤8：构造gh和网格尺寸的映射关系rgh，并使rgh满足约束条件：计算海深hs处的rg2hs： 步骤9：计算网格边长L：L＝rghsL0；步骤10：按照BELLHOP模型计算当前网格内及边界处声场分布，并得到网格内声线终点处的深度，将网格内声线终点处的深度赋值给hs；步骤11：判断当前位置是否达到接收点，若当前位置达到接收点则执行步骤12，否则执行步骤5；步骤12：声场计算结束，停止计算。

全文数据：基于BELLHOP的快速声场计算方法技术领域本发明属于水声领域，尤其涉及基于BELLHOP的快速声场计算方法。背景技术在潜艇、UUV、AUV以及鱼雷等装备中，为充分发挥作战效能，一般都需要根据战场态势和水文条件实时估计声场分布。而快速、准确的水下声场估计是水下武器和装备的自导性能准确预估、攻击方案制订的重要参考信息。基于高斯声束模型的BELLHOP声场计算软件已经成为声场标准计算软件，其计算准确性和可靠性得到了多个学者和机构的充分检验。高斯声束模型的基本思路是将声场看作一系列声线的线性叠加，而声束在横截面上的强度采用高斯函数的形式。在声源的处理上，高斯声束模型认为声源是一系列声束的线性叠加，各个声束在声场中独立传播。高斯声束模型将声传播方程简化为声线方程和伴随方程。将上述方程离散化，即可得到声线计算的递推表达式，该表达式可以利用计算机进行实现，只要给定初始值，即可利用计算机通过反复迭代得到声场。声场计算模型BELLHOP软件正是基于该方法利用迭代方法得到最终的声场分布。在离散化过程中，实际上是按照一定的规律将空间划分成更小尺度的空间块，称为“网格”。只要网格划分得足够细，网格内部声学特性如声速、温度等参量就可以认为是常数，故只需考虑网格与网格交接处的声场变化即可。理论上，只要每个网格的尺寸足够小，便可以严格求得问题的解。但是，考虑到计算机中数值精度不能无限小，计算能力有限，所以通常无法利用该方法求得声场的严格解，只能在一定范围内求得近似解。一般而言，声场求解准确与否取决于离散化过程中网格的划分方法：网格划分得越细致，每个网格的尺寸越小，计算结果的精度越高，但所需计算量也越大。若每个网格的尺寸较大，则可以快速地求得声场的解，但计算结果与真实声场的误差也较大。BELLHOP软件中没有给出声场网格的划分方法，使用过程中需要人为地设计网格划分方案，这也限制了该方法的自动化应用。例如，在鱼雷打击目标过程中，往往需要在短时间内多次计算声场，这个过程中若引入人工的参与决策是不现实的。另一方面，人为划分网格将不可避免地引入主观因素，无法根据声场变化及时调整划分方案，由此引入不必要的计算浪费以及由于网格划分方案不细致导致的声场计算不准确。因此，BELLHOP声场模型计算软件急需一种自动化、稳健的声场网格划分方法。发明内容本发明的目的在于公开计算精度与计算速度均衡性好、可靠性高的基于BELLHOP的快速声场计算方法。本发明的目的是这样实现的：基于BELLHOP的快速声场计算方法，包含如下步骤：步骤1：指定基础步长L0、海洋深度h0、声源初始深度hs、以及边界容限Δh；步骤2：建立海底声速坐标系，使用传感器每隔Δh深度测量一次海洋声速值，建立水深与声速的函数关系fh，fh表示在水深h处水中的声速，Δh为量化步进值；h＝0表示海面，h＝h0表示海底；步骤3：定义fh的导函数gh；步骤4：求|gh|的最大值max|gh|，令M＝max|gh|；步骤5：对fh进行插值，获得在hs深度处声速值fhs及fhs的导数ghs；步骤6：若hs＜Δh或hs＞h0-Δh，令ghs＝M；步骤7：对fhs的导数ghs进行归一化，令g2hs＝ghsM；步骤8：构造gh和网格尺寸的映射关系rgh，并使rgh满足约束条件；约束条件：包括约束一、约束二、约束三、约束四和约束五：约束一：rgh与gh符号无关，只与gh绝对值大小有关；约束二：rgh与|gh|负相关，即|gh|越大，rgh数值越小；约束三：rgh应当在g0和gh0处取得最大值；约束四：rgh的值域为[r0,1]，r0为大于0的小量，表示系统中最小网格的尺度因子；约束五：rgh在区间0,1上单调递减。步骤9：计算网格边长L：L＝rghsL0；步骤10：按照BELLHOP模型计算当前网格内及边界处声场分布，并得到网格内声线终点处的深度，将网格内声线终点处的深度赋值给hs；步骤11：判断当前位置是否达到接收点，若当前位置达到接收点则执行步骤12，否则执行步骤5；步骤12：声场计算结束，停止计算。本发明的有益效果为：本发明采用了自适应的网格划分方案，能够根据声场参数自动地调整网格划分方案，一方面保证了声场计算的速度，另一方面提高了声场计算的精度；本发明的适应性强，能够适应不同场景下声场的计算。附图说明图1是基于BELLHOP的快速声场计算方法流程图；图2是海底声速坐标系示意图。具体实施方式下面结合附图来进一步描述本发明：在潜艇、UUV、AUV以及鱼雷等装备中，为充分发挥作战效能，一般都需要根据战场态势和水文条件实时估计声场分布。而快速、准确的水下声场估计是水下武器和装备的自导性能准确预估、攻击方案制订的重要参考信息。基于高斯声束模型的BELLHOP声场计算软件已经成为声场标准计算软件，其计算准确性和可靠性得到了多个学者和机构的充分检验。高斯声束模型的基本思路是将声场看作一系列声线的线性叠加，而声束在横截面上的强度采用高斯函数的形式。在声源的处理上，高斯声束模型认为声源是一系列声束的线性叠加，各个声束在声场中独立传播。高斯声束模型将声传播方程简化为声线方程和伴随方程：上式中，cs为声速，rs和zs表示柱坐标系下声线的坐标，s为沿声线的弧长。采用一组伴随分量ps和qs描述声线的曲率和宽度，可以得到上式中，cnn为声场的2阶导数。将上述方程离散化，即可得到声线计算的递推表达式，该表达式可以利用计算机进行实现，只要给定初始值，即可利用计算机通过反复迭代得到声场。声场计算模型BELLHOP软件正是基于该方法利用迭代方法得到最终的声场分布。根据声场计算模型，本发明提出基于BELLHOP的快速声场计算方法，如图1，包含如下步骤：步骤1：指定基础步长L0、海洋深度h0、声源初始深度hs、以及边界容限Δh；由于计算过程中对声场进行了离散化，与真实值存在一定误差，深度的数值一般不会严格地等于0或者h0，所以用Δh指定一个误差范围，当深度的数值与边界距离小于该范围时，就把该处当做边界处理，这样能够增强程序鲁棒性，防止因量化误差导致错过边界的情况。步骤2：如图2，建立海底声速坐标系，使用传感器每隔Δh深度测量一次海洋声速值，建立水深与声速的函数关系fh，fh表示在水深h处水中的声速，Δh为量化步进值；h＝0表示海面，h＝h0表示海底；受温度、深度的影响，fh通常是在1500ms附近变化的曲线。显然，在fh变化平缓处，表明水下环境变化较为缓慢，使用较大尺度的网格进行划分也不会影响BELLHOP模型的计算精度，而在fh变化剧烈处表明水下环境变化剧烈，此时应当使用小尺度的网格进行划分，以保证每个网格内部的声速可以视作常数处理。步骤3：定义fh的导函数gh：可以看到，gh描述了声速梯度的变化剧烈程度和变化方向：g的值为正，表示声速正在增加，每单位深度上声速增加的数值为gh；若g的值为负，则表示声速值随着深度的增加正在减小，深度每增加一个单位距离，则声速数值减小|gh|。所以，可以利用gh指导BELLHOP模型中声场网格的划分方案。在|gh|数值大的地方表明声速正在快速变化，此时应当划分成尺度较小的网格，而在|gh|数值较小的地方，表明该区域中声速变化较为缓慢，此时可以使用较大尺度的网格进行划分，这样在保证计算精度的前提下也可以尽量降低计算量，提高计算速度。步骤4：求|gh|的最大值max|gh|，令M＝max|gh|；步骤5：对fh进行插值，获得在hs深度处声速值fhs及fhs的导数ghs；由于fh是利用传感器每隔一段深度进行测量得到，fh中不一定刚好存在hs处的测量值，故需要对fh进行插值，以求得fhs的具体数值。步骤6：若hs＜Δh即此时hs靠近海面或hs＞h0-Δh即意味着hs靠近海底，令ghs＝M；步骤7：由于fh需要由传感器提前测量得到，为计算方便，需要先对gh进行归一化得g2h，使g2h值域为[0,1]：令g2hs＝ghsM；步骤8：只需要设计一种在gh和网格尺寸的映射关系r，便可以实现声场中网格的自动划分。可以将r设计为值域为0～1之间的连续函数，所以只要给定基准长度L0，就可以获得h处声场网格的长度L：构造gh和网格尺寸的映射关系rgh，为了兼顾声场模型计算精度与计算速度，使rgh满足约束条件；约束条件：包括约束一、约束二、约束三、约束四和约束五：约束一：rgh与gh符号无关，只与gh绝对值大小有关；约束二：rgh与|gh|负相关，即|gh|越大，rgh数值越小；约束三：rgh应当在g0和gh0处取得最大值；约束四：rgh的值域为[r0,1]，r0为大于0的小量，表示系统中最小网格的尺度因子；约束五：rgh在区间0,1上单调递减。步骤9：计算网格边长L：L＝rghsL0；步骤10：按照BELLHOP模型计算当前网格内及边界处声场分布，并得到网格内声线终点处的深度，将网格内声线终点处的深度赋值给hs；步骤11：判断当前位置是否达到接收点，若当前位置达到接收点则执行步骤12，否则执行步骤5；步骤12：声场计算结束，停止计算。实施例1：基于BELLHOP的快速声场计算方法，包含如下步骤：步骤1：指定基础步长L0、海洋深度h0、声源初始深度hs、以及边界容限Δh；步骤2：建立海底声速坐标系，使用传感器每隔Δh深度测量一次海洋声速值，建立水深与声速的函数关系fh，fh表示在水深h处水中的声速，Δh为量化步进值；步骤3：定义fh的导函数gh：步骤4：求|gh|的最大值max|gh|，令M＝max|gh|；步骤5：对fh进行插值，获得在hs深度处声速值fhs及fhs的导数ghs；步骤6：若hs＜Δh或hs＞h0-Δh，令ghs＝M；步骤7：对fhs的导数ghs进行归一化，令g2hs＝ghsM；步骤8：计算海深hs处的rg2hs：上式中，ε和r0为常数，共同决定了函数r的形状和位置。ε＞0为尺度因子，调节ε可以实现对r函数的尺度缩放；ε的另一个作用是避免了分母为零这一错误情况，使得即使在极端情况下r的值也不发散，保证了算法的稳定性。r0是rh的最小值，满足0＜r0＜1。决定了函数的偏移值。在声速变化最剧烈处以及海面、海底处，r取得最小值r0。因此，r0决定了声场中最小网格的尺度因子。步骤9：计算网格边长L：L＝rghsL0；步骤10：按照BELLHOP模型计算当前网格内及边界处声场分布，并得到网格内声线终点处的深度，将网格内声线终点处的深度赋值给hs；步骤11：判断当前位置是否达到接收点，若当前位置达到接收点则执行步骤12，否则执行步骤5；步骤12：声场计算结束，停止计算。与现有技术相比，本发明采用了自适应的网格划分方案，能够根据声场参数自动地调整网格划分方案，一方面保证了声场计算的速度，另一方面提高了声场计算的精度；本发明的适应性强，能够适应不同场景下声场的计算。以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.基于BELLHOP的快速声场计算方法，其特征在于：包含如下步骤：步骤1：指定基础步长L0、海洋深度h0、声源初始深度hs、以及边界容限Δh；步骤2：建立海底声速坐标系，使用传感器每隔Δh深度测量一次海洋声速值，建立水深与声速的函数关系fh，fh表示在水深h处水中的声速，Δh为量化步进值；h＝0表示海面，h＝h0表示海底；步骤3：定义fh的导函数gh；步骤4：求|gh|的最大值max|gh|，令M＝max|gh|；步骤5：对fh进行插值，获得在hs深度处声速值fhs及fhs的导数ghs；步骤6：若hs＜Δh或hs＞h0-Δh，令ghs＝M；步骤7：对fhs的导数ghs进行归一化，令g2hs＝ghsM；步骤8：构造gh和网格尺寸的映射关系rgh，并使rgh满足约束条件；步骤9：计算网格边长L：L＝rghsL0；步骤10：按照BELLHOP模型计算当前网格内及边界处声场分布，并得到网格内声线终点处的深度，将网格内声线终点处的深度赋值给hs；步骤11：判断当前位置是否达到接收点，若当前位置达到接收点则执行步骤12，否则执行步骤5；步骤12：声场计算结束，停止计算。2.根据权利要求1所述的基于BELLHOP的快速声场计算方法，其特征在于：所述的fh的导函数gh：3.根据权利要求1所述的基于BELLHOP的快速声场计算方法，其特征在于：所述的约束条件：包括约束一、约束二、约束三、约束四和约束五：约束一：rgh与gh符号无关，只与gh绝对值大小有关；约束二：rgh与|gh|负相关，即|gh|越大，rgh数值越小；约束三：rgh应当在g0和gh0处取得最大值；约束四：rgh的值域为[r0,1]，r0为大于0的小量，表示系统中最小网格的尺度因子；约束五：rgh在区间0,1上单调递减。

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