[发明专利]基于自适应动态正交微分方程声场不确定性快速估计方法

说明书

本发明涉及一种基于自适应动态正交微分方程声场不确定性快速估计方法，利用奇异值分解和降维以及有限差分的方法实现随机射线的跟踪，从而在保证高精度的情况下对动态海洋环境的声场不确定性的快速估计，降低声场不确定性估计的运算量，特别适用于模拟深海200Hz以上中高频声源的射线动态变化轨迹。在计算多个环境参数对声场估计影响时，相比传统的多项式展开方法效率更高。相比传统的蒙特卡罗算法复杂度大程度减少，同时很大程度上节约了运算成本，具有更高的实现价值。只需要通过声速公式计算得到某个海域内的声速剖面样本，便可以实现声场射线轨迹和传播损失特性不确定性快速估计，操作简单。

技术领域

本发明属于海洋物理，海洋工程及水声工程等领域，涉及一种基于自适应动态正交微分方程声场不确定性快速估计方法。本发明提出了一种基于奇异值分解和降维的方法处理海洋环境-声场不确定性传递过程，通过演化随机射线模型来求解动态海洋场环境下的声场射线轨迹动态变化范围，进而实现对声场不确定性的快速估计。

背景技术

声波是观察海洋特征、识别外来物体和海底通信的主要手段，但一个显著的特点是水声传播在很大程度上依赖于环境或介质，因此对水声传播的有效预测并非易事。锋面、涡流和内波等复杂的物理过程引起了深海声速剖面变化，从而导致了在海洋环境观测和预报方面存在不确定性，该不确定性通过声场模型传递给预报声场，产生非线性的交互作用和模型的复杂演变，导致声场估计的不确定性。该不确定性在一定程度上具有高自由度特征，经过波动方程数值方法求解，导致声场不确定性的高自由度变化，致使声场不确定性估计对运算量需求非常大。

国内外目前针对动态海洋环境的声场不确定性的观测和预报研究十分积极，如传统的蒙特卡洛方法，多项式混沌展开的代理模型方法等，但这些方法存在一定的问题。

(1)传统的蒙特卡罗方法在存在多个不确定环境参数时所需计算量很大，且收敛较慢；

(2)多项式混沌展开方法是一种常用的处理多维和非线性问题的有效方法，近年来被广泛用于水声不确定传播问题的研究，目前已有的研究大多应用该方法来预测不确定环境下的声场分布，但是研究选取的不确定环境参数数量较少，随着环境参数数量的增加，需要更多的多项式展开项数和训练点数以保证计算结果收敛，这会导致计算效率大幅度降低。

声速剖面的高自由度扰动，会导致声场不确定性估计维度极高，目前开展的相关研究很少，对海洋环境的声场不确定性快速估计的研究仍面临非常大的挑战，必须寻求新的原理和技术途径。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于自适应动态正交微分方程声场不确定性快速估计方法，解决目前技术上所遇到的瓶颈。利用奇异值分解和降维以及有限差分的方法实现随机射线的跟踪，从而在保证高精度的情况下对动态海洋环境的声场不确定性的快速估计，降低声场不确定性估计的运算量，特别适用于模拟深海200Hz以上中高频声源的射线动态变化轨迹。

技术方案

一种基于自适应动态正交微分方程声场不确定性快速估计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：引入初始条件：设定模型选取的声速剖面样本个数为H，选取的射线个数为R，给定声源的初始条件：

其中：x_d0为声源的初始深度，Ψ₀为初始的辅助变量，cosθ₀和sinθ₀是声场射线初始的角度，c(x₀)表示在初始位置x₀时的声速；

对每个声速剖面样本执行射线模型的仿真运算，得到距声源特定步长“s”处声场射线的相关参数，即初始位置的射线参数，并将其用矩阵的形式表示：