水声传播建模研究现状综述

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1、第29卷第4期海洋技术Vol.29，No.42010年12月OCEANTECHNOLOGYDec，2010水声传播建模研究现状综述1，21卢晓亭，张林(1．海军潜艇学院航海观通系,山东青岛266071；2.总参水文气象局，北京100081)摘要：声波是目前唯一能够在海水介质中进行远距离传播的有效载体，因此水下声传播建模理论成为水下作战环境研究的重点和难点之一，对现代声纳的设计和使用以及水面、水下作战部署具有重要意义。从水声传播建模理论的七个主要方面综述了声传播建模理论的发展研究现状，总结了国内外近几十年来

2、并行计算在水声传播建模理论方面的应用现状，指出建立快速准确并与实际海洋环境条件相吻合的三维声场模型，并研究基于硬件平台的并行算法是未来水声传播建模理论的发展方向。关键词：水声传播;建模;并行计算;研究现状中图分类号：P733.21文献标志码：A文章编号：1003-2029（2010）04-0048-06引言声波的传播模型。根据假设和近似的不同，传播模型主要分为射线模型、简正波模型、多途扩展模型、快速场模型、抛物方程模型以及一些混合算法[3]。这些算法都有各自的优缺点声波是目前唯一能够在海水介质中进行远距离

3、传播的有效载体，水下声传播建模理论是水下作战环境研究的基本和适用范围，针对不同的问题应选择不同的方法，以使得到内容之一，对现代声纳的设计和使用以及水面、水下作战部的声场能够最大限度地符合实际情况。署具有重要意义。1919年德国人发表了第一篇关于水声的1.1射线理论论文[1]，自此之后，声波在海洋中传播问题的研究随即开始，射线理论建立在高频近似的基础上，只有当介质折射率两次世界大战的爆发更是促进了水声学的发展，人们认识了在波长尺度的空间范围内变化甚小时才能给出可用结果，因声在水中的传播机理，逐步建立起水声学

4、研究的理论体系，此射线理论适用于分析高频声传播问题，对低频以及一些焦使其成为人们认识和了解海洋进而开发和利用海洋的又一散问题处理困难，根据不同频率作适当的衍射修正，射线理有效途径，并发展成为一门独立的新兴交叉学科。水声传播论可以扩展到较低频的声传播问题。建模理论[2]的研究始于20世纪60年代，最初只有射线理论射线理论原则上不但适用于海洋环境与距离无关的声传播问题，而且也适用于海洋环境与距离有关的声传播问题[4]，和水平分层的简正波理论，它们处理问题的能力很有限，只能计算水平不变问题。从20世纪70年代开

5、始，出现了抛物但对于非水平分层介质求解过程较繁。射线理论可以求解三方程理论及耦合简正波理论，可以处理水平变化的二维声传维声传播问题，但考虑三维声传播问题时，声线结构的计算播问题。近半个世纪以来，国内外都投入了相当大的力量，在比较繁琐，其中很大的一个困难在于声线轨迹的描述和本征建模理论和相应的计算方法方面取得了重大进展。声线的寻找方面。近年来经常使用的射线模型主要有：RAY[5]、BELLHOP[6]、TRIMAIN[7]、HARPO[8]。1各类声传播建模理论现状RAY可以计算海底参数对宽带信号传播的影响

6、，海底参数包括压缩波和切变波速度、衰减以及海底密度；BELLHOP声波在海洋中的传播满足最基本的波动方程，但由于海以高斯波束跟踪方法为基础，可以计算水平非均匀环境中的洋环境条件的复杂多变，声信号在海洋信道中的传递存在着声线轨迹和声场；TRIMAIN是一个水平变化环境中的声线追强烈的畸变和涨落，海水中的声场分布也非常复杂。为了能踪模型，它将深度-距离平面用三角形区域划分，在每个三角够反映出海洋环境因素对声场的制约关系，人们从实际的传形分区中声速插值按1/c2变化；HARPO是一个三维声线追播问题中抽出主要矛

7、盾，再加上合理的假设和近似，建立了踪模型，通过对三维Hamilton方程的数值积分来得到传播损失。收稿日期：2010-03-11随着国际上水声学的研究重点转向低频问题，现在射线基金项目：国防预研基金（9140A03050206JB1501）;教育部新世纪法的应用越来越少，基本限制在某些特殊的高频问题。优秀人才支持计划（NCET）作者简介：卢晓亭(1972-),男,安徽庐州人,博士,副教授,研究方向为水声战和水下定位。第4期卢晓亭，等：水声传播建模研究现状综述491.2简正波理论距离的汉克尔变换给出，并用快

8、速傅里叶变换算法对变换结简正波理论在海洋声学中作为一种比较主要的计算方法，已果进行数字估计。目前，基于快速场理论的模型有：FFP[21]，经发展的比较完善，并且得到了广泛的运用，目前已有相当PRESS[22]，SCOOTER，SPARC，OASES[23]。多的简正波计算程序，如KRAKEN[9]、MOATL[10]、SNAP[11]、FFP基于声场的快速傅里叶变换方法，计算水平变化环COUPLE[12]。简正波模型建立在与距