[发明专利]一种并行的耦合海洋声学预报系统及运行方法

权利要求书

1.一种并行的耦合海洋声学预报系统，其特征在于所述系统包括海洋环境预报模块、海洋-声学耦合模块以及海洋声学传播解决模块；海洋环境预报模块在整个系统中的作用是为系统提供初始化环境输入；海洋-声学耦合模块的功能包括为参数初始化、地形提取以及海洋环境参数剖面提取，通过将海洋模块的包括温度、盐度、海面粗糙度输出在内的参数转化为声学模型的输入，将海洋模型和声学模型结合在一起；海洋声学传播解决模块的作用为海洋声场的计算、海洋声场及声纳作用距离在内的结果的输出；

所述的声学模型使用全局矩阵耦合简正波模型，在耦合简正波理论中，对于一个水平变化波导，将水平变化波导分成若干段，在直角坐标系(x，y，z)下，第j段的声场可以表示为N个简正波的总和：

其中，和是归一化的距离解：

是第j段第n号简正波的本征值，x^j是第j段的水平距离，和是耦合系数，是第j段第n号简正波的本征函数。

结合各个段间边界处压力连续和水平方向质点振速连续的边界条件、声源处边界条件以及r→∞处的辐射条件，可以得到如下形式的线性系统方程：

Cx＝ν，

其中，x是列向量

x＝[a¹ b¹ a² b²…a^J-1 b^J-1a^J]^T，

ν是列向量

v＝[s 0 0 0…0 0 0]^T，

s为声源条件。

上面两式中上标T表示转置。式中的C是全局系数矩阵，形式如下：

其中，J为水平分段的总段数，I是单位矩阵，E₁和E₂是归一化的距离解，求解该方程可以得到各阶模态的耦合系数和最终得到各段的二维声场解；在二维声场解的基础上，通过波数积分变换技术实现三维声场解，在直角坐标系(x，y，z)下，波数积分逆变换公式如下：

其中，是通过二维全局矩阵耦合简正波模型求得的二维声场解，k_y值为水平波数在y方向上的分量；取不同的k_y值，通过逆变换公式得到三维声场解p(x，y，z)。

2.根据权利要求1所述的一种并行的耦合海洋声学预报系统，其特征在于所述的海洋模型使用海浪-潮流-环流耦合数值模型。

3.权利要求1-2任何一项所述系统运行方法，其特征在于所述方法具体包括如下步骤：

1)海洋环境预报模块提供初始化环境输入；

2)通过海洋-声学耦合模块，读取初始化信息，获取海洋环境预报模块给出的海洋水文环境预报结果；

根据初始化信息给出的计算类型参数决定各个进程读取地形及环境参数的区域范围，共有3种计算类型：第一种类型计算声源点和接收点之间垂直剖面内的声场，此类型仅需提取声源点和接收点之间垂直剖面的地形及海洋环境参数；第二种类型以声源为圆心，计算360°方位角内水平剖面内的声场，此时需要提取以声源为圆心，360°方位角范围内的地形及海洋环境参数；第三种类型在声场计算的基础上，根据规定的声纳优质因数，计算声纳最大作用距离，此时需要提取所需计算区域内的地形及海洋环境参数；

3)在海洋声学传播解决模块对系统实施并行化计算；三种声场计算类型都需要多进程的并行计算：第一、二种计算中不同频点、不同方位角的声场计算需将频点、方位角平均分配于各个进程，三维声场波数积分计算时需将波数平均分配于各个进程；第三种计算中针对地理空间划分时采用规则矩形网格划分方式，在经度和纬度两个维度对海洋区域进行划分；

主进程分配任务给各个子进程，各个子进程根据分配任务进行声场计算，获得各个声源各个频点的声场计算结果；之后，主进程按照计算类型要求对子进程的声场计算结果进行包括求和平均在内的进一步处理，输出包括声场及声纳作用距离在内的计算结果。