隨機動態聲速重構方法研究

笪良龍，李韋華，韓 梅，程艷合

(海軍潛艇學院，山東 青島 266071)

隨機動態聲速重構方法研究

笪良龍，李韋華，韓 梅，程艷合

(海軍潛艇學院，山東 青島 266071)

海洋環境對聲傳播具有重要的影響，海洋溫度、鹽度、壓力決定聲速的大小，研究隨機動態聲速剖面的最優重構可以為聲場模型的計算提供良好的基礎，為艦艇行動提供最優的輔助決策。然而聲速剖面的重構卻是一個復雜的過程，涉及到大量的時空分布不規則的數據的計算和處理，提取出合理的時空間系數能夠提高聲速重構的精度。實驗證明，利用合理的時空分辨率，從海洋環境數據庫中選取數據可以提高海洋聲速剖面重構的精度。

聲速；重構；海洋環境；精度

我國周邊海域受到風浪、季節變化等的影響，海水的溫度變化較快，而溫度是影響海水聲速的重要因素，海水聲速的細微變化對聲納作用距離、匯聚區的大小影響重大，因此，對海水聲速的快速重構直接影響著海軍作戰的決策效率。事實上，人們也在對海水聲速(或水溫、鹽度、密度等)進行大量的測試和分析，并試圖尋求對海水聲速的變化規律進行數學描述，建立足夠完備的海洋水文數據庫系統。現實的海洋聲速場是時間和空間的函數，即使是間距很近的兩個海區或同一海區的不同時間內，其聲速場(尤其是海面下的溫躍層)也可能存在較大的差異。因此，要建立這樣的數據庫，其容量會是十分可觀的，也是很難做到的，而有效地對聲速場變化特征進行數學描述，并減少數據庫的數據量，是十分必要的。根據我國現有的水聲數據庫，需要建立一個適合于我國周邊海域使用的聲速剖面重構系統，通過對這些海域的水聲數據進行試驗，找出重構不同位置點的最優的時空分布是十分重要的。但以往海軍作戰使用的聲速數據都是基于月平均或季節平均的資料，掩蓋了某些實時的海洋環境信息，對指揮官的決策起到了誤導作用，隨著海軍信息化作戰的精確打擊的要求，建立以實測資料為基礎的海洋聲速重構系統迫在眉睫。D.N.Fox[1]等將改進后的經驗正交函數的方法融入到美國海軍MODAS數據同化系統中，實現剖面延拓、預報，具有良好的效果。彭臨慧[2]等也將該方法應用于深海，進行深海聲速剖面的預報。魏亮[3]等則采用該方法成功地對中國近海某點實現了預報，預報結果非常理想。在利用改進型經驗正交函數算法的基礎上，結合1911—2008年存有的數據庫，實現了隨機動態的聲速剖面的預報，并對中國近海的兩個ARGO數據點進行了預報，與ARGO實測數據和月平均資料進行了對比，有效地提高了聲速剖面的預報精度。

1 隨機動態聲速重構的基本原理

1.1 改進型經驗正交函數算法

若研究的海洋環境因子為聲速，假設在某個海域有N個已知的聲速剖面樣本，每個剖面有k+1層，則這些對應的聲速剖面可表示成矩陣形式為：

改進型經驗正交函數則是指原始聲速矩陣C在深度m與深度n上的協方差矩陣，其組成元素ri,m,n：

式中：σTi,mσTi,n由（3）式確定：

式中：bi,j（m,n）是位置點 i和 j之間的相關性系數。依據特征值絕對值大小由大到小選出較大絕對值所對應的特征向量，用絕對值最大的三個特征值對應特征向量ek作為EOF分解的空間函數，得到合成剖面如式（5）：

式中：αj為特征向量ek的權值，即EOF分解的時間函數，采用最簡單的使用與預報點相關系數最大的完整聲速剖面擬合出時間函數作為αj的值。

1.2 數據選取的原則

海洋環境數據庫中的溫度、鹽度、密度、深度、聲速這些量的分布都是由各個剖面的測點編號唯一決定的，每個剖面的測點編號中包含了所給剖面的經緯度、時間的信息，對數據進行選取時可以按照測點編號進行選取，對經緯度和時間的范圍進行規定，采用該區域的時空分辨率對數據進行篩選，有效地提高聲速剖面重構的精度。對于數據時空的自相關函數可以用式（6）表示：

式中：Δxij，Δyij，Δtij分別表示不同位置點間的東西方向、南北方向和時間的分離值。而Ak，Bk，Ck表示在不同位置層的東西方向、南北方向和時間的去相關尺度，這三個參數因海域不同而不同，它反映出海洋現象的變化范圍，相關尺度計算的越好，數據選取的范圍就會近似，計算結果就越精確[4]。根據我國近海各個海底地形地貌選取合適的時空間尺度，有效提高聲速精度。

2 重構使用的數據資料

聲速重構系統使用的資料來源于1911—2008年的包括CTD資料、南森數據、ARGO數據構成的實測海洋環境數據庫，用于對比的數據來自于2009年的ARGO數據，以及30'×30'的月平均資料。

3 重構系統模塊設計與實現

3.1 重構系統的流程與結構

系統的控制模塊主要分為參數的設定、數據庫的檢索、聲速剖面的篩選、算法的運行、結果可視化實現。

整個系統軟件的實現的流程圖可如圖所示，系統軟件是采用C++Builder設計的，并連接到存有海洋環境信息的數據庫中，主要包括溫度、鹽度、聲速、深度。在編程實現從數據庫中查詢的合適的數據時，對以下幾個條件進行了設定：

⑴時間、空間的范圍和向外搜索的時空分辨率由各個海區決定。

⑵對各個剖面的深度進行篩選，由于中國近海是大陸坡地形，水深的變化明顯，根據要求選取合適的深度的數據進行重構非常必要。

⑶已選取各個剖面的最大測量深度不一致，必須對各個剖面的最小深度進行計算，便于數據的網格化。

軟件設計的具體流程和基本結構可見圖1、圖2。

圖1 重構系統的流程圖

圖2 重構系統操作過程圖

3.2 系統仿真的結果

為檢驗系統計算結果的效能，選取中國臺灣以東海域具有ARGO實測數據點的位置進行了聲速剖面的重構。選取的位置點共2個，第一個剖面的位置點為 φ121.626°，λ21.863°，第二個位置點為 φ125.65°，λ24.578°，該位置點的ARGO數據的時間分別是2009年10月16日和2009年10月28日，具體位置見圖3。

圖3 選取位置點的地圖

采用聲速重構方法構造的兩個位置點的聲速剖面及與AGRO實測數據的比較如圖4～圖7所示。從圖4、圖5中可以看到，使用該重構系統構造的聲速剖面對ARGO實測數據的擬合比月平均資料要好，但在躍層位置處對聲速的重構不夠好，這可能主要是由于黑潮的影響，使得重構出的剖面最大誤差約為6 m/s。

圖4 第一個位置點聲速剖面圖

圖5 第一個位置點兩種聲速與ARGO的差值

從圖6、圖7中可以看到，第二個位置點用重構系統對聲速剖面的重構比月平均資料的擬合好很多，在此位置處各種海洋現象影響較小，對剖面的重構起到了較好的作用，最大誤差不超過4 m/s。

圖6 第二個位置點聲速剖面圖

圖7 第二個位置點兩種聲速與ARGO的差值

4 結論

通過對隨機動態聲速重構系統的研究，可以得到以下兩點結論：

⑴使用該系統可以隨機地對中國近海任意一點的聲速進行重構，得到的結果比較好；

⑵通過對時空范圍最優的選取，可以較好地選取數據，提高聲速重構的精度。

[1]Fox D N,Teague W J,Barron C N,et al.The Modular Ocean Data Assimilation System(MODAS)[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2002,19（2）:240-252.

[2]Peng L,Wang L,Qiu X F.Modal wave number tomography for South China Sea front[J].China Ocean Engineering，2003,17(2):289-294.

[3]韓梅，魏亮，周艷霞.改進型經驗正交函數海洋聲速剖面預報方法[J].海洋科學，2009（1）:235-239.

[4]Chu P C,Gui W,Chen Y C.Japan Sea thermohaline structure and circulation[J].American Meteorological Society,2002,32:3596-3615.

Research on Stochastic and Dynamic Sound Speed Reconstruction System

DA Liang-long,LI Wei-hua,HAN Mei,CHENG Yan-He
(Navy Submarine Academy,Qingdao Shandong 266071,China)

Ocean environment has an important effect on the sound propagation.Temperature,salinity,pressure determine the sound profile.The research of stochastic and dynamic sound speed reconstruction can offer foundation for the computation of sound field and an optimize decision for the action of warship.But the reconstruction of sound profile is a complex process,including substantial data computing and processing that distributes in time and space anomalistically.Getting logical coefficient of time and space,the precision of sound profile will increase.Experiment proves that logical resolving power of time and space will increase the precision of sound profile.

sound speed;reconstruction;ocean environment;precision

P733

A

1003-2029（2011）03-0056-04

2011-04-11

總裝預研基金資助項目（9140A22050810JB1502）

笪良龍(1967-)，男，安徽桐城人，教授，主要研究領域為水聲環境效應技術。