[发明专利]基于BELLHOP的快速声场计算方法

说明书

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h_s、以及边界容限Δh；步骤(2)：建立水深与声速的函数关系f(h)；步骤(3)：定义f(h)的导函数g(h)；步骤(4)：求|g(h)|的最大值max|g(h)|，令M＝max|g(h)|；步骤(5)：对f(h)进行插值，获得在h_s深度处声速值f(h_s)及f(h_s)的导数g(h_s)；步骤(6)：若h_s＜Δh或h_s＞h₀‑Δh，令g(h_s)＝M；步骤(7)：对f(h_s)的导数g(h_s)进行归一化，令g₂(h_s)＝g(h_s)/M；步骤(8)：构造满足约束条件的g(h)和网格尺寸的映射关系r(g(h))；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。

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：