盧曉亭 ，張 林

(1．海軍潛艇學(xué)院航海觀通系,山東 青島 266071；2.總參水文氣象局，北京100081)

水聲傳播建模研究現(xiàn)狀綜述

盧曉亭1，2，張 林1

(1．海軍潛艇學(xué)院航海觀通系,山東 青島 266071；2.總參水文氣象局，北京100081)

聲波是目前唯一能夠在海水介質(zhì)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播的有效載體，因此水下聲傳播建模理論成為水下作戰(zhàn)環(huán)境研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，對(duì)現(xiàn)代聲納的設(shè)計(jì)和使用以及水面、水下作戰(zhàn)部署具有重要意義。從水聲傳播建模理論的七個(gè)主要方面綜述了聲傳播建模理論的發(fā)展研究現(xiàn)狀，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外近幾十年來(lái)并行計(jì)算在水聲傳播建模理論方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出建立快速準(zhǔn)確并與實(shí)際海洋環(huán)境條件相吻合的三維聲場(chǎng)模型，并研究基于硬件平臺(tái)的并行算法是未來(lái)水聲傳播建模理論的發(fā)展方向。

水聲傳播;建模;并行計(jì)算;研究現(xiàn)狀

引言

聲波是目前唯一能夠在海水介質(zhì)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播的有效載體，水下聲傳播建模理論是水下作戰(zhàn)環(huán)境研究的基本內(nèi)容之一，對(duì)現(xiàn)代聲納的設(shè)計(jì)和使用以及水面、水下作戰(zhàn)部署具有重要意義。1919年德國(guó)人發(fā)表了第一篇關(guān)于水聲的論文[1]，自此之后，聲波在海洋中傳播問(wèn)題的研究隨即開(kāi)始，兩次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)更是促進(jìn)了水聲學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)了聲在水中的傳播機(jī)理，逐步建立起水聲學(xué)研究的理論體系，使其成為人們認(rèn)識(shí)和了解海洋進(jìn)而開(kāi)發(fā)和利用海洋的又一有效途徑，并發(fā)展成為一門獨(dú)立的新興交叉學(xué)科。水聲傳播建模理論[2]的研究始于20世紀(jì)60年代，最初只有射線理論和水平分層的簡(jiǎn)正波理論，它們處理問(wèn)題的能力很有限，只能計(jì)算水平不變問(wèn)題。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，出現(xiàn)了拋物方程理論及耦合簡(jiǎn)正波理論，可以處理水平變化的二維聲傳播問(wèn)題。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外都投入了相當(dāng)大的力量，在建模理論和相應(yīng)的計(jì)算方法方面取得了重大進(jìn)展。

1 各類聲傳播建模理論現(xiàn)狀

聲波在海洋中的傳播滿足最基本的波動(dòng)方程，但由于海洋環(huán)境條件的復(fù)雜多變，聲信號(hào)在海洋信道中的傳遞存在著強(qiáng)烈的畸變和漲落，海水中的聲場(chǎng)分布也非常復(fù)雜。為了能夠反映出海洋環(huán)境因素對(duì)聲場(chǎng)的制約關(guān)系，人們從實(shí)際的傳播問(wèn)題中抽出主要矛盾，再加上合理的假設(shè)和近似，建立了聲波的傳播模型。根據(jù)假設(shè)和近似的不同，傳播模型主要分為射線模型、簡(jiǎn)正波模型、多途擴(kuò)展模型、快速場(chǎng)模型、拋物方程模型以及一些混合算法[3]。這些算法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，針對(duì)不同的問(wèn)題應(yīng)選擇不同的方法，以使得到的聲場(chǎng)能夠最大限度地符合實(shí)際情況。

1.1 射線理論

射線理論建立在高頻近似的基礎(chǔ)上，只有當(dāng)介質(zhì)折射率在波長(zhǎng)尺度的空間范圍內(nèi)變化甚小時(shí)才能給出可用結(jié)果，因此射線理論適用于分析高頻聲傳播問(wèn)題，對(duì)低頻以及一些焦散問(wèn)題處理困難，根據(jù)不同頻率作適當(dāng)?shù)难苌湫拚?，射線理論可以擴(kuò)展到較低頻的聲傳播問(wèn)題。

射線理論原則上不但適用于海洋環(huán)境與距離無(wú)關(guān)的聲傳播問(wèn)題，而且也適用于海洋環(huán)境與距離有關(guān)的聲傳播問(wèn)題[4]，但對(duì)于非水平分層介質(zhì)求解過(guò)程較繁。射線理論可以求解三維聲傳播問(wèn)題，但考慮三維聲傳播問(wèn)題時(shí)，聲線結(jié)構(gòu)的計(jì)算比較繁瑣，其中很大的一個(gè)困難在于聲線軌跡的描述和本征聲線的尋找方面。

近年來(lái)經(jīng)常使用的射線模型主要有：RAY[5]、BELLHOP[6]、TRIMAIN[7]、HARPO[8]。

RAY可以計(jì)算海底參數(shù)對(duì)寬帶信號(hào)傳播的影響，海底參數(shù)包括壓縮波和切變波速度、衰減以及海底密度；BELLHOP以高斯波束跟蹤方法為基礎(chǔ)，可以計(jì)算水平非均勻環(huán)境中的聲線軌跡和聲場(chǎng)；TRIMAIN是一個(gè)水平變化環(huán)境中的聲線追蹤模型，它將深度-距離平面用三角形區(qū)域劃分，在每個(gè)三角形分區(qū)中聲速插值按1/c2變化；HARPO是一個(gè)三維聲線追蹤模型，通過(guò)對(duì)三維Hamilton方程的數(shù)值積分來(lái)得到傳播損失。

隨著國(guó)際上水聲學(xué)的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向低頻問(wèn)題，現(xiàn)在射線法的應(yīng)用越來(lái)越少，基本限制在某些特殊的高頻問(wèn)題。

1.2 簡(jiǎn)正波理論

簡(jiǎn)正波理論在海洋聲學(xué)中作為一種比較主要的計(jì)算方法，已經(jīng)發(fā)展的比較完善，并且得到了廣泛的運(yùn)用，目前已有相當(dāng)多的簡(jiǎn)正波計(jì)算程序， 如 KRAKEN[9]、MOATL[10]、SNAP[11]、COUPLE[12]。簡(jiǎn)正波模型建立在與距離無(wú)關(guān)的假設(shè)基礎(chǔ)之上，要把簡(jiǎn)正波模型擴(kuò)展成與距離有關(guān)的模型，有“絕熱近似”和“模式耦合”方法[13]。絕熱簡(jiǎn)正波方法[14]是從薛定諤方程的有關(guān)研究結(jié)論中引入水聲研究之中的，其基本假設(shè)是聲波在聲道中的簡(jiǎn)正波保持絕熱耦合，即簡(jiǎn)正波之間沒(méi)有能量交換，它的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小、計(jì)算速度快，然而由于它忽略了簡(jiǎn)正波之間的能量交換，因此只適合于解決聲道在水平方向變化比較緩慢的一些問(wèn)題。耦合簡(jiǎn)正波方法[15-16]由于計(jì)入了由水平非均勻性帶來(lái)的簡(jiǎn)正波耦合效應(yīng)，被認(rèn)為是計(jì)算二維、三維非均勻波動(dòng)問(wèn)題最精確的方法，它的結(jié)果常被用作檢驗(yàn)其他方法的標(biāo)準(zhǔn)解。耦合簡(jiǎn)正波方法的物理圖像清晰、精度高，然而由于各號(hào)簡(jiǎn)正波之間存在著相互耦合，計(jì)算簡(jiǎn)正波本征值、本征函數(shù)及耦合系數(shù)的計(jì)算量很大，使得耦合簡(jiǎn)正波計(jì)算速度很慢，當(dāng)海底傾斜程度加大時(shí)，計(jì)算步長(zhǎng)必須大幅度減小，從而使計(jì)算速度大為降低，計(jì)算誤差也將增加。所以目前在處理水平非均勻性問(wèn)題方面，耦合簡(jiǎn)正波方法在應(yīng)用上受到一定的限制。

關(guān)于使用簡(jiǎn)正波理論的三維傳播建模，可以通過(guò)兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)[17]。第一種方法是使用N×2D技術(shù)，即使用N個(gè)水平徑向面（即扇面），沿著每個(gè)徑向面結(jié)合與距離有關(guān)的二維絕熱近似模型，解決三維問(wèn)題。第二種方法是直接利用波動(dòng)方程包含水平折射效應(yīng)。Kuperman等人[18]研究了三維海洋環(huán)境中聲場(chǎng)的快速計(jì)算，采用預(yù)先計(jì)算局部聲特征值和簡(jiǎn)正波的方法來(lái)處理由大量的明顯局部環(huán)境構(gòu)成的復(fù)雜三維環(huán)境，采用絕熱和耦合簡(jiǎn)正波理論進(jìn)行三維海洋環(huán)境中的聲場(chǎng)快速計(jì)算。Perkins[19]通過(guò)絕熱簡(jiǎn)正波的解算構(gòu)建了輕微水平變化環(huán)境的全三維聲場(chǎng)。Chiu和Ehret[20]提出了三維耦合簡(jiǎn)正波模型（CMM3D），包含了水平折射和徑向模耦合，該模型具有與海洋循環(huán)模型產(chǎn)生數(shù)據(jù)的接口，來(lái)檢驗(yàn)強(qiáng)海洋鋒對(duì)三維聲傳播的影響。

1.3 多途擴(kuò)展技術(shù)

多途擴(kuò)展技術(shù)是用積分無(wú)窮集合，把波動(dòng)方程展開(kāi)為聲場(chǎng)積分表達(dá)式，每個(gè)積分代表一條特定的聲線路徑。由于求解方程時(shí)使用了廣義的WKB近似，所以這一方法也稱為WKB方法。多途擴(kuò)展模型具有與射線模型相同的某些特性，而且能正確地估計(jì)焦散區(qū)和聲影區(qū)的聲壓場(chǎng)。多途擴(kuò)展模型不考慮環(huán)境特性與距離的關(guān)系，主要的程序模型有FAME和MULE[17]。

FAME是一個(gè)基于多途擴(kuò)展的水平分層海洋環(huán)境聲傳播模型，其中的多途用Fresnel積分和等效距離導(dǎo)數(shù)來(lái)表示。MULE是多途擴(kuò)展方法對(duì)多頻率或者寬帶的擴(kuò)展形式。

1.4 快速場(chǎng)理論

快速場(chǎng)理論也叫“波束積分”?？焖賵?chǎng)理論按簡(jiǎn)正波近似方法來(lái)分離波動(dòng)方程參數(shù)，簡(jiǎn)正波近似由赫姆霍茲方程關(guān)于距離的漢克爾變換給出，并用快速傅里葉變換算法對(duì)變換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字估計(jì)。目前，基于快速場(chǎng)理論的模型有：FFP[21]，PRESS[22]，SCOOTER，SPARC，OASES[23]。

FFP基于聲場(chǎng)的快速傅里葉變換方法，計(jì)算水平變化環(huán)境的聲傳播損失；PRESS基于高階自適應(yīng)積分方法，主要用來(lái)研究淺海沉積層切變波所引起的與頻率有關(guān)的聲傳播損失特性；SCOOTER基于有限元方法，可以用來(lái)計(jì)算水平均勻環(huán)境中聲場(chǎng)；SPARC是一個(gè)時(shí)域步進(jìn)的快速場(chǎng)模型，主要用來(lái)處理寬帶聲傳播問(wèn)題；OASES利用波數(shù)譜積分方法，對(duì)水平分層波導(dǎo)中的地震-聲傳播進(jìn)行建模。

1.5 拋物方程

拋物方程法是波動(dòng)方程的窄角近似解，后來(lái)又出現(xiàn)了可以處理寬角、向后散射等問(wèn)題的算法。拋物方程法主要是針對(duì)水平變化問(wèn)題而提出的，可以很容易地推廣至三維問(wèn)題，而且可以計(jì)算全場(chǎng)解，對(duì)于低頻問(wèn)題的計(jì)算速度很快。

拋物方程方法（PE）在處理聲道水平變化和三維變化的聲場(chǎng)方面具有優(yōu)越性[24]，但是由于模型假設(shè)上的限制，PE方法不能計(jì)算近場(chǎng)，不能計(jì)算水平變化比較劇烈的聲場(chǎng)，考慮后向散射比較復(fù)雜。另外，當(dāng)頻率比較高時(shí)，差分步長(zhǎng)必須取得很小，計(jì)算量很大，計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，使得PE方法的應(yīng)用受到一定的限制。

拋物方程模型使用了四種基本的數(shù)值算法：（1）分裂步傅里葉算法；（2） 隱式有限差分 （IFD）；（3） 常微分方程（ODE）；（4） 有限元方法（FE）。分裂步算法[25]對(duì)于解純初始值問(wèn)題是一種有效的方法，但當(dāng)聲波與海底有顯著的相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些困難，因此提出了隱式有限差分法和常微分方程法，Lee和McDaniel對(duì)隱式有限差分技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了IFD模型[26]和FOR3D模型[27]，IFD模型利用隱式有限差分形式求解拋物方程，F(xiàn)OR3D模型利用Lee-Saad-Schultz（LSS）方法求解三維寬角波動(dòng)方程，用于預(yù)報(bào)三維海洋環(huán)境中的聲傳播損失。Collins[28]描述了拋物方程的有限元解。

1.6 射線-簡(jiǎn)正波理論

射線-簡(jiǎn)正波方法將簡(jiǎn)正波賦予相應(yīng)的射線含義，以便能夠?qū)?jiǎn)正波獲得較為明晰的物理圖象，國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)生了平滑平均場(chǎng)模型[29]、廣義相積分簡(jiǎn)正波模型（WKBZ）[30-31]、波束位移射線簡(jiǎn)正波模型（BDRM）[32]。

在淺海環(huán)境中，聲場(chǎng)往往包含大量的簡(jiǎn)正波，形成復(fù)雜的空間干涉結(jié)構(gòu)，計(jì)算起來(lái)十分困難。實(shí)驗(yàn)表明，由于海洋環(huán)境與實(shí)驗(yàn)條件的不穩(wěn)定性，使復(fù)雜的干涉結(jié)構(gòu)很難與實(shí)驗(yàn)相吻合。這種情況下人們就考慮用比較簡(jiǎn)便的方法計(jì)算聲場(chǎng)的空間平滑結(jié)構(gòu)，以避免繁瑣的數(shù)值計(jì)算，提高計(jì)算速度，于是產(chǎn)生了平滑平均場(chǎng)模型。實(shí)踐證明平滑平均場(chǎng)解算聲場(chǎng)的速度能滿足戰(zhàn)術(shù)上實(shí)時(shí)性要求。

廣義相積分簡(jiǎn)正波理論（WKBZ）綜合考慮了海面反射相位修正、海底反射損失，很好地克服了WKB近似在反轉(zhuǎn)點(diǎn)附近發(fā)散的困難，提高了計(jì)算精度，在深海聲場(chǎng)的計(jì)算中計(jì)算速度比有限差分方法快兩個(gè)數(shù)量級(jí)，尤其是頻率越高優(yōu)越性越強(qiáng)，但不能處理帶有表面聲道的深海問(wèn)題，并且在負(fù)躍層淺海的計(jì)算中需做進(jìn)一步修正。

波束位移射線簡(jiǎn)正波理論（BDRM）是一種十分有效的淺海聲場(chǎng)計(jì)算方法，該方法把邊界對(duì)聲場(chǎng)的影響與水層中的折射與繞射效應(yīng)分離開(kāi)來(lái)，有利于定性分析與定量計(jì)算邊界對(duì)聲場(chǎng)的影響。對(duì)于計(jì)算淺海負(fù)躍層環(huán)境中簡(jiǎn)正波聲場(chǎng)具有較高的計(jì)算精度和速度，而且該方法可以推廣至深海。

1.7 簡(jiǎn)正波-拋物方程理論

20世紀(jì)90年代人們將簡(jiǎn)正波理論與拋物方程方法結(jié)合起來(lái)，分別提出了絕熱簡(jiǎn)正波—拋物方程（AMPE）[33]方法和耦合簡(jiǎn)正波—拋物方程（CMPE）[34]方法。簡(jiǎn)正波—拋物方程方法在垂直方向采用本地簡(jiǎn)正波分析，這就克服了拋物方程方法只能計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)，且在頻率較高時(shí)垂直網(wǎng)格的劃分必須加密，使得計(jì)算時(shí)間成幾何級(jí)倍數(shù)增加，因而很難用于高頻的問(wèn)題。簡(jiǎn)正波—拋物方程方法在水平方向采用拋物方程方法求解簡(jiǎn)正波幅值方程，可以克服由于耦合簡(jiǎn)正波理論的分段水平均勻近似帶來(lái)的缺陷，耦合系數(shù)中考慮了海底傾斜的影響，可以加大水平步長(zhǎng)，同時(shí)可以很方便地推廣至三維聲傳播問(wèn)題。

在用CMPE方法計(jì)算聲傳播問(wèn)題時(shí)，本地簡(jiǎn)正波和耦合系數(shù)的計(jì)算占用了大部分的時(shí)間，因此，快速而精確的計(jì)算本地簡(jiǎn)正波本征值和本征函數(shù)成為提高計(jì)算效率的關(guān)鍵。此外，在水平變化聲場(chǎng)的分析中，尤其在近場(chǎng)的分析中，需要計(jì)算高號(hào)簡(jiǎn)正波本征值。針對(duì)此問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者[35]在WKBZ理論的基礎(chǔ)上，提出一種可以快速而精確的求解本地高號(hào)簡(jiǎn)正波本征值的算法，并將改進(jìn)后的WKBZ理論應(yīng)用于CMPE方法，充分利用WKBZ理論分析本地簡(jiǎn)正波的優(yōu)勢(shì)和CMPE方法求解水平變化問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到快速、精確的目的。文獻(xiàn)[36]將Galerkin方法的簡(jiǎn)正波解應(yīng)用于CMPE方法，可同時(shí)考慮海水和海底中聲場(chǎng)的計(jì)算。

2 并行計(jì)算在水聲傳播建模中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著寬帶聲傳播、淺海地聲反演、匹配場(chǎng)定位、水下作戰(zhàn)環(huán)境仿真等問(wèn)題的深入研究，在計(jì)算速度與精度方面對(duì)聲場(chǎng)理論提出了越來(lái)越多的要求。從理論上講，單純依靠修改模型本身來(lái)減少計(jì)算時(shí)間的空間已經(jīng)很小，這就要求在開(kāi)發(fā)新模型算法的同時(shí)，必須尋找解決這個(gè)問(wèn)題的新途徑，在這種情況下，人們開(kāi)始將研究的著眼點(diǎn)轉(zhuǎn)向基于硬件平臺(tái)的并行計(jì)算。多年來(lái)隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，以多CPU為基礎(chǔ)的高性能計(jì)算機(jī)得到迅猛發(fā)展，其高端系統(tǒng)正向著百萬(wàn)億、千萬(wàn)億次的計(jì)算速度邁進(jìn)；同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，各大DSP廠商相繼推出了一系列更高性能的DSP芯片；另外，可編程圖像處理器單元（GPU）已經(jīng)發(fā)展成為絕對(duì)的計(jì)算主力，特別是統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)（Compute Unified Device Architecture，簡(jiǎn)稱CUDA）的出現(xiàn)，作為一種新穎的硬件和編程模型，將GPU暴露為一種真正通用的數(shù)據(jù)并行計(jì)算設(shè)備。這些硬件設(shè)備的發(fā)展為聲傳播的并行算法提供了強(qiáng)大的物質(zhì)保證。

美國(guó)自20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始將高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用于計(jì)算海洋聲學(xué)領(lǐng)域[37-39]，主要集中在三維拋物方程模型的并行算法研究[40-41]和聲納波束形成并行算法方面[42-44]。1989年美國(guó)水下系統(tǒng)中心（NUSC）、耶魯大學(xué)[45]利用由哈佛大學(xué)海洋學(xué)部提供的數(shù)據(jù)，分別在美國(guó)水下系統(tǒng)中心的巨型機(jī)CRAY X-MP 28和耶魯大學(xué)的64節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算機(jī)Intel iPSC/2上研究了三維拋物方程模型FOR3D解決海洋聲傳播問(wèn)題的能力，研究結(jié)果指出，雖然當(dāng)時(shí)的高性能計(jì)算機(jī)不能完全解決實(shí)際的大規(guī)模三維問(wèn)題，但是高性能計(jì)算機(jī)將是未來(lái)解決大規(guī)模海洋聲學(xué)問(wèn)題必不可少的組成部分，在改進(jìn)模型及其數(shù)值方法的同時(shí)，期待著更高計(jì)算效率和更大內(nèi)存并行計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。1994年Ding Lee等人[46]對(duì)FOR3D模型的并行算法進(jìn)行了改進(jìn)，并在IBM RS6000/560工作站機(jī)群上采用Linda并行編程語(yǔ)言進(jìn)行了測(cè)試，取得了較高的加速比和效率。2008年法國(guó)學(xué)者K.CASYOR和F.STURM[47]在三維海洋波導(dǎo)寬帶脈沖傳播基礎(chǔ)上[48]對(duì)三維拋物方程模型3DWAPE[49]并行算法進(jìn)行了研究，并采用頻域和空域分解兩級(jí)并行策略在64節(jié)點(diǎn)大規(guī)模并行機(jī)上嘗試了實(shí)際海洋中的聲傳播，取得了良好的加速比和效率。

我國(guó)近幾十年來(lái)，對(duì)高性能并行計(jì)算的研發(fā)也給予了很大的重視，特別是近幾年來(lái)，我國(guó)在對(duì)計(jì)算需求較大的應(yīng)用部門、研究所和大學(xué)以及許多大城市中，相繼成立了高性能并行計(jì)算中心。國(guó)家863計(jì)劃也啟動(dòng)了國(guó)家高性能計(jì)算網(wǎng)格環(huán)境，希望共享各個(gè)高性能計(jì)算中心的資源，加速提高我國(guó)的數(shù)值模擬水平。由國(guó)防科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的銀河系列高性能并行計(jì)算機(jī)，其產(chǎn)品和技術(shù)很多已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并已成功應(yīng)用于天氣、地震預(yù)報(bào)、軍事水文保障、作戰(zhàn)模擬仿真、情報(bào)分析處理、遙感探測(cè)和網(wǎng)絡(luò)管理等軍事應(yīng)用領(lǐng)域。其他并行計(jì)算機(jī)還有聯(lián)想公司生產(chǎn)的深騰系列、曙光公司生產(chǎn)的曙光系列。

國(guó)內(nèi)關(guān)于聲場(chǎng)并行計(jì)算的研究也已起步。文獻(xiàn)[50]將高檔PC機(jī)用高速互聯(lián)網(wǎng)線連接起來(lái)組成機(jī)群系統(tǒng)，并運(yùn)用試驗(yàn)環(huán)境下的機(jī)群系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水平不變聲道中WKBZ簡(jiǎn)正波模型的并行算法。中科院聲學(xué)所[51]采用PC機(jī)、PC104總線和以TMS320C31專用DSP芯片為核心的加速板構(gòu)成異步并行處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了寬帶垂直短陣匹配場(chǎng)定位算法，為解決大計(jì)算量的實(shí)時(shí)定位問(wèn)題作了有益的嘗試。

3 結(jié)論

在海洋中，聲傳播是隨距離、深度以及水平方位角三維變化的，因此建立快速準(zhǔn)確并與實(shí)際海洋環(huán)境條件相吻合的三維聲場(chǎng)模型成為發(fā)展方向，目前三維傳播模型主要有三維射線模型（HARPO）、三維耦合簡(jiǎn)正波模型（CMM3D）、三維拋物方程模型（FOR3D）等。其中HARPO模型基于射線理論，主要適用于分析高頻聲傳播問(wèn)題，而且對(duì)低頻以及一些焦散問(wèn)題處理困難。CMM3D模型基于耦合簡(jiǎn)正波理論，不存在頻率范圍限制的問(wèn)題，其物理圖像清晰、精度高，然而由于各號(hào)簡(jiǎn)正波之間存在著相互耦合，計(jì)算簡(jiǎn)正波本征值、本征函數(shù)及耦合系數(shù)的計(jì)算量很大，使得耦合簡(jiǎn)正波計(jì)算速度很慢。FOR3D模型是采用三維拋物方程（PE）近似，采用有限差分求解，方程無(wú)條件穩(wěn)定，是解算復(fù)雜水聲環(huán)境下遠(yuǎn)程低頻聲場(chǎng)的理想工具，其主要缺點(diǎn)是當(dāng)頻率升高、海深增加時(shí)，計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存需要成幾何級(jí)倍數(shù)地增加，因而無(wú)法處理深海高頻問(wèn)題。

每個(gè)模型都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，海洋作為一個(gè)隨時(shí)間和空間復(fù)雜變化的傳輸信道，使聲波在海洋中傳播規(guī)律的研究變得十分困難。目前，為了解決實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，水聲傳播理論研究者一方面在提高現(xiàn)有算法的速度和精度、擴(kuò)展現(xiàn)有算法的計(jì)算能力，另一方面，在尋求快速高精度的新算法，并借助高性能計(jì)算機(jī)、多DSP并行處理系統(tǒng)、CUDA可編程GPU并行計(jì)算架構(gòu)等硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)的并行計(jì)算。

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Review of Sound Propagation Modeling in Underwater Warfare Environment

LU Xiao-ting1，2,ZHANG Lin1
（1.Navy Submarine Academy,Qingdao Shandong 266071,China;2.Hydrometeorolgical Center of Headquarters of the General Staff,PLA,Beijing 100081,China）

Underwater sound propagation modeling is always one of the most important and popular problems in underwater warfare environment because sound is now the only medium which can propagate long range in the ocean.It is of important significance to the design and application of sonar and the surface or underwater deployment.The underwater sound propagation modeling theory is reviewed from seven main aspects and the application review of parallel algorithm in the underwater sound propagation modeling in the past decades is given.The developing trend of underwater sound propagation modeling has been put forward,which is 3D underwater sound propagation modeling and its parallel algorithm based on hardware equipment.

underwater sound propagation;modeling;parallel algorithm;research status

P733.21

A

1003-2029（2010）04-0048-06

2010-03-11

國(guó)防預(yù)研基金（9140A03050206JB1501）;教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET）

盧曉亭(1972-),男,安徽廬州人,博士,副教授,研究方向?yàn)樗晳?zhàn)和水下定位。