基于ROMS模型的水聲信道建模仿真

摘 要：復雜多變的海洋環境是影響聲吶性能的主要因素，水下聲場的計算對聲吶布放、航路規劃等反潛工作具有指導意義。本文基于ROMS模型對海洋數據進行模擬，并使用并行化技術改進后的BELLHOP模型對其進行仿真，實現對水下聲場的快速預報。文章通過實驗驗證了該方法的可行性以及結果的準確性，利用并行化技術改進后的計算速度也有顯著提升。仿真實驗表明，此方法可以快速準確地預報水下聲場，對聲吶設備的工作具有評估和指導作用，為后續反潛作戰方案制定提供了數據參考。

關鍵詞：ROMS模型；水聲信道建模；BELLHOP模型；聲吶性能評估；聲場快速預報；并行化分析

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

為了充分發揮聲吶的作戰效能，優化海戰場作戰資源的分配，應根據戰場態勢和水下聲場環境實時預估聲吶的探測性能，并以此制定科學高效的作戰方案以提高反潛作戰能力，水下聲場的快速、準確計算是指導聲吶工作和任務規劃的重要前提與基礎。

本文采用BELLHOP模型作為水聲信道建模仿真的方法，此模型是Porter[1]等人在傳統射線法的基礎上引入了高斯聲束追蹤法，解決了傳統射線模型無法有效計算聲線能量焦散和聲影區的問題，同時保留了射線法物理意義清晰、適用性強、理論基礎成熟的優點，被廣泛應用于匹配場定位[2]、海洋聲層析[3-4]、聲場快速預測[5]等水聲研究領域。通過水聲信道模型對海洋環境數據分析即可得水下聲場，分析過程中所需數據主要來自于投棄式溫深測量儀（XBT）、溫鹽深測量儀（CDT）等設備的測量值，在復雜的海洋環境條件影響下，這些數據具有不確定性。區域海洋模型ROMS作為一種較新的海洋模式，采用Boussinesq近似和準靜態近似求解雷諾平均N-S方程的方法。許靈靜[6]、周超杰[7]等使用ROMS模型對南海、長江口的流場和溫鹽場進行模擬。研究表明，ROMS模型的模擬結果和實測結果具有較高的一致性。

本文采用ROMS模型對海洋數據進行模擬，并由多線程技術改進的BELLHOP模型進行水聲信道計算，實現對目標區域水下聲場的快速預測，為后續任務規劃提供參考。

1 水下聲場建模

1.1 ROMS模型

ROMS是一個開源的三維區域海洋模型，由洋環流模型SPEM（S-coordinate Primitive Equation Model， SPEM）和羅格斯大學海洋與海岸科學研究所開發的SCRUM（S-coordinates Rutgers University Model， SCRUM）模型結合發展演化而來[8]，經過不斷完善和改進，已經被廣泛應用于各種尺度的流場模擬當中。ROMS在水平和垂直方向上分別使用笛卡爾坐標系和σ坐標系，相對經典模型POM（Princeton Ocean Model， POM）來說，底邊界層面上有更高的解析度[9]，水動力方程可寫作如下方式。

動量方程：

（1）

（2）

對流擴散方程：

（3）

狀態方程：

（4）

不可壓縮流體方程：

（5）

式中：x，y為水平坐標，z為垂直坐標；u，v，w為（x， y， z）矢量速度的分量；φ為動態壓力；f為科里奧利參數；t為時間；g為重力加速度；ρ為密度；T為溫度；S為鹽度；P為壓力；Fu，Fv，FC為強迫項；Du，Dv，DC為水平擴散項。

ROMS模型在水平方向上采用正交曲線Arakawa C網格，垂直方向上采用跟隨地形和自由表面的可伸縮Sigma坐標系統，并針對不同的情況提供多種轉換函數和拉伸函數來調節垂向層級的疏密分配，使研究人員可以根據研究內容進行均勻或不均勻的分層。在開邊界條件上，ROMS提供了多種算法供選擇，如放射性邊界條件、梯度邊界條件、Chapman邊界條件等。這些寬容的條件讓使用者可以針對不同的條件進行自由搭配組合，從而適應多種海洋環境。除此之外，ROMS模型還能通過對海水運動的模擬實現對海洋環境的預測。

1.2 水聲信道模型

1.2.1 BELLHOP模型

水聲信道的建模技術不斷發展，至今已有多種不同特點的技術及代表模型。例如，擅長處理與距離無關的水平分層介質問題的簡正波法，對環境適應能力強，可精確計算低頻聲以及能夠處理高頻水平變化問題的高斯波束射線法等。其中，基于高斯聲束追蹤法的BELLHOP模型在解決傳統射線法缺陷的同時保留了其優點，在0.6～30 kHz范圍內結果準確，被美國海軍指定為預報聲傳播的標準模型[10]。

BELLHOP在傳統射線法的基礎上引入了高斯聲束追蹤理論，其基本思路是將聲線當作一系列在截面強度上按照高斯函數分布的聲束的疊加，將聲傳播方程簡化為聲線方程和伴隨方程[11]。

（6）

式中：c為聲速；r（s）和z（s）表示柱坐標系下聲線的坐標；s為沿聲線的弧長。

采用一組伴隨分量來描述聲線的寬度和曲率：

（7）

式中：cnn為聲場的二階導數。

基于高斯聲束追蹤理論的BELLHOP聲場計算模型，其結果的準確性和可靠性經過了大量檢驗。該模型的計算結果包含傳播損失、本征聲線以及聲線到達時間序列等多種實用數據，且允許用戶指定設置好的聲源、海洋表面和底部反射系數等參數，受到眾多科研人員的追捧。

1.2.2 并行化BELLHOP模型

隨著國家對海洋研究的不斷深入和重視，研究中心也從近場淺海逐漸向遠場深海轉移，水下聲場的計算規模也在擴大。利用并行化技術改進模型能夠在實現加快計算速度的前提下，保證結果的準確性，并且在高斯射線模型的計算中，每條聲線的計算過程都是獨立的，且各聲線的貢獻疊加即可得到整個聲場。因此可將聲線進行分組，并分配給多個核心進行并行計算，最后將各聲線的貢獻合并即可得出完整的聲場計算結果。根據上述特點，在高斯射線模型的計算過程中引入聲線分組和聲場合并環節，具體計算流程如圖1所示。

2 實驗仿真

2.1 并行化分析

為驗證并行化BELLHOP模型的準確性，實驗選擇在典型深海Munk聲速剖面的情況下進行，Munk剖面如圖2所示。所選環境是海底聲速為1 600 m/s、密度為1.8 g/cm3、衰減為

0.8 dB/λ的液態半無限空間，海深5 km，接收距離100" km，聲源深度1 km，頻率50 Hz。BELLHOP和并行化BELLHOP計算典型深海Munk聲速的傳播損失結果如圖3、圖4所示。

由結果可知，BELLHOP模型和并行化BELLHOP模型的計算結果基本一致，說明并行化技術改進后模型仍具有準確性，同時在深海聲道的計算過程中，BELLHOP能夠有效描述出聲影區和會聚區的值。

2.2 ROMS數據分析

ROMS模型水平方向分辨率設為1/10°，垂直方向分為30層，垂直變換參數Vtransform為2，垂向拉伸參數Vstretching為4，表面控制參數θs為6，底部控制參數θb為2，海深5 000 m。對照數據采用BOA-Argo全球海洋網格數據集，聲速由經驗公式計算得出。結果表明，模擬數據和實際數據整體上比較吻合，在聲躍層附近的模擬偏差比平均值高。

3 結 語

本文使用由ROMS模型模擬出的海洋數據代替了傳統的XBT（投棄式溫深測量儀）、CDT（溫鹽深測量儀）等觀測數據，并使用了多線程改進的BELLHOP模型對其進行分析；實驗結果表明，ROMS模型在整體上能夠較為準確地模擬出海洋溫鹽等數據，但在聲躍層附近的數據波動偏大，同時使用多線程改進的BELLHOP模型在處理大規模水聲計算過程中能夠充分利用計算機的資源提高計算速度。

參考文獻

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