海洋-聲學-探測模型的并行預報技術研究

范培勤，李玉陽，過武宏，趙建昕，張　林

（海軍潛艇學院，山東　青島　266071）

海洋-聲學-探測模型的并行預報技術研究

范培勤，李玉陽，過武宏，趙建昕，張林

（海軍潛艇學院，山東青島266071）

針對聲納探測性能預報的需求，建立了海洋-聲學-探測模型，實現(xiàn)了并行計算。該模型將海洋數(shù)值預報模式、聲學模式與海洋觀測資源進行整合，輔以戰(zhàn)術需求，實現(xiàn)了對水聲環(huán)境和聲納探測性能的動態(tài)預報和估計。同時，結合高性能計算機系統(tǒng)，設計并實現(xiàn)了模型的并行算法，結果表明，該程序具有較高的并行性能，較好地滿足了聲納探測性能預報對實效性的要求，為形成業(yè)務化海洋水聲環(huán)境預報能力打下了良好的基礎。

海洋模式；聲納；探測性能；預報

長期以來受海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取能力和計算能力的制約，海洋水聲環(huán)境信息保障主要是針對具體的小范圍海域，基于歷史和統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析得到，無法解決“現(xiàn)報”和“預報”的問題，難以滿足水聲環(huán)境信息精細化保障的要求。因此，如何有效集成模型、數(shù)據(jù)等方面的現(xiàn)有資源，實現(xiàn)聲納探測性能的動態(tài)預報，成為目前亟需解決的問題。本文以聲納裝備使用熱點海區(qū)為背景，將海洋預報模型、聲學模型與聲納探測模型進行耦合，把傳感器性能的研究與水聲學、海洋學的研究緊密地聯(lián)系在一起，結合高性能計算平臺，實現(xiàn)了相關海區(qū)未來時刻聲納探測性能的動態(tài)預報和估計，對聲納裝備有效使用具有十分重要的意義。

1　海洋—聲學—探測模型

海洋—聲學—探測模型主要包括海洋數(shù)值模式［1-2］、聲學傳播模型、聲納探測模型，通過海洋動力模型的狀態(tài)變量、聲學計算參數(shù)、聲納方程參數(shù)之間的相互傳遞與影響形成統(tǒng)一的海洋—聲學—探測模型。該模型計算流程為：基于高性能并行計算平臺和水聲環(huán)境數(shù)據(jù)庫，首先通過水聲環(huán)境數(shù)據(jù)庫并結合實時更新的實測數(shù)據(jù)為POM模式提供歷史數(shù)據(jù)作為初始場，完成預報海區(qū)的溫度、鹽度、密度等環(huán)境基礎數(shù)據(jù)的預報，由此可得到聲速場的動態(tài)預報；在此基礎上讀取水聲環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的海底地形、密度、聲速、吸收系數(shù)等地聲參數(shù)，作為輸入文件傳遞給聲場計算模型，完成相關海區(qū)的聲場計算；最后，利用聲場計算結果，結合聲納探測模型，基于高性能并行計算平臺，完成相關海區(qū)的聲納探測性能預報，為聲納裝備的使用和指揮決策提供輔助決策信息支持。圖1給出了整個系統(tǒng)的信息流程圖。

圖1　海洋—聲學—探測模型并行預報信息流程圖

1.1海洋數(shù)值模式

海洋數(shù)值模式是把海洋原始方程組離散求解的過程，用數(shù)值模式進行數(shù)值模擬是目前海洋相關研究的實用方法之一。隨著讀入數(shù)值模式的實測數(shù)據(jù)種類的增多和質量的優(yōu)化以及模式自身的發(fā)展，數(shù)值模式如今已能較好地應用于三維海洋溫、鹽、流的數(shù)值模擬并向精確預測方向發(fā)展。目前海洋學界較為常用的海洋數(shù)值模式有POM，F(xiàn)VCOM，ROMS，HYCOM等。由于POM模式的開源性以及在中國海區(qū)的成功應用，本文采用該模式為聲學模型提供三維溫、鹽、密的動態(tài)預報。

1.2聲學模型

本文水下聲傳播模型采用的是波束位移射線簡正波（BDRM）模型，BDRM模型是一種十分有效的聲場計算方法，具有較高的精度、較快的計算速度，而且該方法把海洋邊界條件對聲場的影響與水層中的折射與繞射效應分離開來，有利于定性分析與定量計算海洋邊界條件對聲場的影響。BDRM理論的研究目前已經比較成熟，在此不再贅述，文獻［4］給出了模型的詳細推導過程。

1.3聲納探測模型

Carlo M．Ferla在深海中聲納最優(yōu)工作深度選擇的研究過程中［5］，在目標深度未知時，通過統(tǒng)計不同深度上聲源聲場的概率分布得到聲納最優(yōu)工作深度，本文借鑒這種思想進行聲納探測性能的計算。

1.3.1被動聲納方程被動聲納方程［6］為：

式中：SL為目標聲源級；TL為傳播損失；NL為噪聲級（包括自噪聲與環(huán)境噪聲）；DI為聲納指向性指數(shù)；DT為檢測閾。

FOM（Figure of Merit）為聲納優(yōu)質因子，可表示為：

式中：DTFOM表示當目標檢測概率Pdet=PdetFOM時的DT值，通常概率取0.5（50%）。

聲納優(yōu)質因子將不同的聲納設備和目標參數(shù)結合在一起，當在聲納方程被滿足的情況下，它等于傳播損失，而聲傳播損失可以通過聲傳播模型計算而得到，因此確定優(yōu)質因子后便可以得出聲納探測距離。

1.3.2聲納探測性能計算模型當聲納方程的各參數(shù)確定后，即可得出確切聲納對目標的探測距離。而實際情況中，被動聲納的探測范圍受到了自身性能、目標狀況、環(huán)境條件、主觀因素等諸多因素的影響，使得聲納探測性能的預報具有一定的不確定性，從而導致聲納探測范圍存在不確定性，此時聲納探測距離不再是某一確定值，而是滿足一定分布的概率值。因此，當考慮水下聲傳播存在一定的隨機性分布時，可以用概率函數(shù)描述聲納探測的檢測概率，建立基于聲納探測概率積分的聲納探測性能預報模型。

聲納信號余量的定義為：

考慮聲場存在隨機性分布時（如正態(tài)分布），對應的檢測概率為：

式中：σ與給定距離r處的信號檢測性能有關，反映了探測區(qū)域和非探測區(qū)域之間過渡的快慢。對于給定的發(fā)射和接收深度，可以計算得到不同距離上的聲傳播損失值。由式（1）和確定的優(yōu)質因子FOM，得到不確定環(huán)境參數(shù)不同距離上的信號余量，然后通過式（3）計算出某次實現(xiàn)各個距離上不同信號余量對應的檢測概率PD（r）。

為了比較不同深度上的檢測概率值，將檢測概率PD（r）按式（5）換算定義為檢測半徑，用來表示整個距離上的探測距離的可能性。

前面的討論都是在假設聲源的深度已知的情況下進行的，在聲源信息缺乏的情況下，前面得到的結論是不適用的。為了得到聲源深度未知情況下的聲納探測深度，假設聲源在整個深度上服從一定的概率密度分布，如：均勻分布、正態(tài)分布，然后將聲納探測性能看作當接收深度固定時，關于聲源深度的函數(shù)。這樣便可以得到當聲源深度服從一定概率密度分布時聲納探測性能的預報結果。

假設聲源在水平深度上的分布服從一定的概率p（z）。然后計算聲源在每一個深度處探測概率，并將這些值的平均值作為新的探測概率式（4）可表達為：

由式（2）可知，聲納優(yōu)質因子與目標、環(huán)境和聲納自身的性能等因素相關，這給（5）式、（7）式的求解帶來了很大的困難。考慮到優(yōu)質因子通常在一定的范圍內取值，在此假設聲納優(yōu)質因子在區(qū)間［FOM1，F(xiàn)OM2］上服從概率分布pFOM（x），式（5）、（7）可表達為：

該模型綜合考慮了聲納裝備、海洋環(huán)境對聲納探測性能的影響，將海洋環(huán)境要素對聲納探測性能的影響綜合考慮到聲傳播模型的計算中，簡化了性能模型的計算過程，為有效地了解、利用海洋環(huán)境，有效地發(fā)揮聲納探測性能提供了一個定量評價的方法。

2　模型并行計算方法

基于海洋—聲學—探測模型的聲納性能預報模型的并行處理可以分為兩部分：第一部分主要是海洋模式的并行計算，實現(xiàn)海洋聲速場的并行預報；第二部分主要是針對聲納探測性能預報的并行處理，本文主要討論該部分的并行計算方法，模型的并行處理流程如圖2所示。

圖2　模型并行處理流程圖

2.1海洋模式的并行計算

本文采用基于消息傳遞接口（MPI）的并行化設計，利用水平區(qū)域二維數(shù)據(jù)分解進行并行實現(xiàn)。根據(jù)對POM數(shù)值模式串行程序的計算結構、數(shù)據(jù)流向、及其差分格式的分析，并行程序將計算海區(qū)按經緯度劃分成多個子海區(qū)分配給不同的進程，每個進程只負責本進程所分配海區(qū)的計算任務，具體實現(xiàn)過程參考文獻［7］。

表1給出了海洋模式在曙光高性能并行計算機上的測試結果，其中模式的積分時間取為10 d，集合樣本數(shù)取為80，測試結果表明，進程數(shù)在32個以內時，可以在20 min內完成整個海區(qū)的聲速場預報。圖3～圖4為表1對應的并行程序效率和加速比圖，從圖中可以看出，模型并行后加速比接近線性，并行計算效率大于70%。

表1　海洋模式并行計算測試結果

圖3　并行程序效率

圖4　并行程序加速比

2.2聲納探測性能并行算法

聲納探測性能的計算主要圍繞著不同經緯度點的聲納探測性能求解展開，計算主要集中在每個經緯度點的聲場計算和聲納探測性能求解兩個方面。計算過程中每個經緯度方區(qū)只要給出運算必須的海洋水聲環(huán)境參數(shù)（聲速剖面、海底地聲參數(shù)等）可以獨立完成計算。信息交互主要集中在程序開始計算時的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)廣播和計算結束后的計算結果收集兩個方面，跟整個計算過程相比，其所耗的時間十分有限，因此，適合利用基于MPI的消息傳遞并行編程方式實現(xiàn)。

2.2.1并行算法設計與實現(xiàn)幾乎在所有的科學工程計算中，循環(huán)部分都占有很大的比重，消耗了大部分的計算時間。因此，循環(huán)的并行化是一個重要的并行處理方法。聲納探測性能的預報主要圍繞著經度和緯度方向的循環(huán)計算進行，循環(huán)部分占用了整個計算過程的絕大部分時間。因此，在經度和緯度方向的循環(huán)計算的并行化處理是整個程序并行處理的關鍵。

循環(huán)的并行劃分方法主要有兩種［8］:

（1）對總的循環(huán)次數(shù)N進行交叉計算，讓不同的進程計算滿足條件的計算任務，如：將0，np，2× np，...號循環(huán)交給進程0計算，將1，np+1，2×np+1，...號循環(huán)交給進程1計算，如此分配下去。

（2）對總的循環(huán)次數(shù)N按塊分解。即將N的根據(jù)進程的個數(shù)分為np（進程數(shù)）段，每段的大小基本相同，每一連續(xù)的段分給一個進程進行計算，如：將號循環(huán)的計算任務分配給進程0，將號循環(huán)的計算任務分配給進程1，如此分配下去。

本文采用第一種劃分方法，在對等模式下，對N進行交叉計算。算法思路如下:

進程id滿足公式（3）的循環(huán)號數(shù):

其中［］是取整符號，np是進程的個數(shù)。即:

進程0負責0，0+np，0+2np，…號循環(huán)的計算；

進程1負責1，1+np，1+2np，…號循環(huán)的計算；

……

當每個進程計算完成后，進程0從其他進程中收集計算結構并將其輸出，由于計算得到的數(shù)據(jù)量非常大，也可以讓每次循環(huán)的計算結果在計算完成后單獨輸出到一個文件，以減少計算時間、提高程序的效率。流程圖如圖5所示。

圖5　聲納探測性能并行計算流程圖

2.2.2并行算法性能分析表2給出預報海區(qū)未來6 d聲納探測性能預報所花費的時間。從表2可以看出，程序并行后，預報所用的時間大大減小，其中當用512個處理器來計算時，所有產品的預報只需：2 124.63 s，可以有效為聲納使用提供決策參數(shù)支持。提供相關海區(qū)的探測性能預報結果。同時還可以看出，隨著處理器個數(shù)的增加，預報所需時間基本呈線性遞減，程序具有比較高的并行效率。

表2　并行計算時間表

圖6～圖7分別給出在并行計算時的加速比、并行效率，從圖中可以明顯地看出并行程序具有十分好的并行效果。

圖6　并行程序加速比

圖7　并行程序效率

3　結論與討論

本文構建了海洋—聲學-探測耦合模型，將海洋模式、聲學模型與傳感器探測性能預報緊密耦合在一起，基于高性能計算平臺，實現(xiàn)了聲納探測性能的動態(tài)預報與估計，初步構建了水聲環(huán)境業(yè)務化預報流程。該方法對聲納裝備使用人員充分利用海洋環(huán)境信息，優(yōu)化傳感器和武器的使用，提高水下作戰(zhàn)的環(huán)境效應利用能力具有重要的意義。

［1］Lermusiaux P F J.Uncertainty Estimation and Prediction for Interdisciplinary Ocean Dynamics［J］.Journal of Computational Physics，2006，217：176-199.

［2］過武宏，笪良龍，趙健昕.動態(tài)水聲環(huán)境不確定性的估計與分析.應用聲學［J］.2013，32（6）：464-472.

［3］方國洪，魏澤勛，崔秉昊，等.中國近海域際水、熱、鹽輸運：全球變網格模式結果［J］.中國科學（D輯），2002，32（12）：969-977.

［4］張仁和，李風華.淺海聲傳播的波束位移射線簡正波理論［J］.中國科學（A輯），1999：29（3）：241-251.

［5］CarloM.Ferla，Michael B.Porter.Receiver Depth Selection for Passive Sonar Systems［J］.Oceanic Engineering，1991，16（3）：267-278.

［6］楊士莪.水聲傳播原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1990.

［7］李東，劉璟，韓桂軍，等.POM海洋模式的并行算法［J］.海洋通報，2010，29（3）：329-333.

［8］Micheal J Quinn著，陳文光，武永為，等譯.MPI與OpenMP并行程序設計（C語言版）［M］.北京：清華大學出版社，2004.

Study on the Parallel Forecast Technology of the Oceanic Acoustic Detection Model

FAN Pei-qin，LI Yu-yang，GUO Wu-hong，ZHAO Jian-xin，ZHANG Lin
Naval Submarine Academy，Qingdao 266071，Shandong Province，China

To meet the needs of sonar performance prediction，an oceanic acoustic detection model is established to realize parallel computation.This model，supplemented by tactical requirements，integrates marine numerical prediction，acoustic mode and ocean observing resources，and realizes dynamic forecast and estimation on the underwater acoustic environment and sonar detection performance.Meanwhile，combined with the highperformance computer system，a parallel algorithm is designed and implemented for the model.The results show that the program has high parallel performance，meeting the requirements of sonar prediction performance on the effectiveness，which lays a good foundation for the formation of operational ocean acoustic environment forecast.

ocean model；sonar；detection efficiency；forecast

TP391；P733.23

A

1003-2029（2016）04-0036-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.007

2015-12-24

新世紀優(yōu)秀人才支持計劃，總裝預研基金項目資助（9140A03060213JB15039）

范培勤（1981-），男，博士，研究方向為水聲環(huán)境效應、并行計算。E-mail：similaroly05@163.com