一种更具普适性的浅海不确定声场快速算法

非嵌入式随机多项式展开法是目前性能最优的一种不确定声场快速算法,但配点的选择对算法计算精度影响较大,且当计算随不确定海洋环境参数变化剧烈的声场输出时,需采用分段概率配点法等特殊方法处理。基于Kriging模型提出了一种新的浅海不确定声场快速算法,首先给出了该算法的理论推导,然后通过数值计算验证了算法性能,并给出具体的物理解释,结果表明:在同等条件下,新算法的计算精度较非嵌入式随机多项式展开法更高;无需针对声场输出随不确定海洋环境参数的变化情况采取特殊处理过程;克服了非嵌入式随机多项式展开法为提高计算精度将随机多项式展开至非常高的阶数,从而增加计算量的不足;较非嵌入式随机多项式展开法,其样本点的选择简单易行,且可直接计算误差,因此,本文算法较非嵌入式随机多项式展开法普适性更强。     

浅海不确定声场的随机多项式展开法研究

为获得求解浅海不确定声场的普适模型,建立了随机多项式展开法与Helmholtz方程的非嵌入式耦合模型,其间运用概率配点法求解多项式系数。针对仅当海水深度不确定时的Pekeris波导、声速剖面和海深均不确定时的Pekeris波导以及下限深度不确定温跃层等几种情形,计算了传播损失概率密度分布。结果表明所建模型对声场计算模型普适性强,计算精度和计算效率高,可用于研究含多个不确定环境参数、声速剖面复杂的浅海环境中声传播的不确定性。      

嵌入随机多项式的抛物方程不确定声场快速算法

为了得到准确且高效计算起伏海洋介质中随机声场的算法,本文将随机多项式展开嵌入到宽角抛物方程声场计算模型(简称RAM模型)中,发展了一种不确定声场的快速算法.其计算结果比使用嵌入随机多项式的窄角抛物方程准确,计算时间小于作为参考的蒙特卡洛方法.在仿真算例中,随机多项式展开法对声强均值、方差、概率密度的计算准确;在一定的随...     

多项式混沌展开的浅海水声环境参数敏感度分析*

水下声场是海洋环境参数的非线性函数,因此环境参数的不确定性必然会引起水下声场预测的不确定性,从而导致与声场预测相关的声呐探测和水声通信等设备性能的下降。该文将Sobol敏感度指数的计算与多项式混沌展开方法相结合,将敏感度指数表达为环境条件的函数,利用Q范数约束的双曲截断方案来减少多项式项数,有效地分析了设定的"浅海负梯度温跃层"信道中8个环境参数及其交互效应对水下声传播的影响。结果表明,沉积层声速是低频远距离声场不确定性分布的最主要贡献参数,同时对于下发下收的情况,声源深度的影响程度随着声源频率增加而逐渐增大。最后应用射线理论从海底反射的角度解释了各个环境因素影响程度差异的具体原因。该文的研究对水声通信和探测系统在浅海不确定环境下的性能预报研究具有重要的参考意义。     

海洋-声学耦合模式捕捉水声环境不确定性

考虑到海洋环境的时空变化对水声环境不确定性的影响,建立了海洋-声学耦合数值模式,实现了并行计算。该模式将声学计算纳入到运动的海洋中,从而实现了对水声环境的动态预报和估计。同时,采用集合预报方法对典型断面的温度垂直结构、实验海区声速剖面和传播损失进行预报,并给出了声速剖面的预报误差、不同深度与频率下,传播损失90%的概率区间以及声速、传播损失、声呐作用距离的不确定性直方图。结果反映了海洋时空变化对水声环境不确定性的影响,量化了水声环境中不确定性的大小。实验结果表明该方法可以刻画海洋动态变化引起的水声环境不确定性,并对其进行了量化和描述。      

海洋-声学耦合模式捕捉水声环境不确定性

考虑到海洋环境的时空变化对水声环境不确定性的影响,建立了海洋-声学耦合数值模式,实现了并行计算。该模式将声学计算纳入到运动的海洋中,从而实现了对水声环境的动态预报和估计。同时,采用集合预报方法对典型断面的温度垂直结构、实验海区声速剖面和传播损失进行预报,并给出了声速剖面的预报误差、不同深度与频率下,传播损失90%的概率区间以及声速、传播损失、声呐作用距离的不确定性直方图。结果反映了海洋时空变化对水声环境不确定性的影响,量化了水声环境中不确定性的大小。实验结果表明该方法可以刻画海洋动态变化引起的水声环境不确定性,并对其进行了量化和描述。     

随机多项式展开多特征向量约束-匹配场 声源定位算法*

多特征向量约束的自适应环境宽容匹配场算法可用于随机和不确知海洋声传播介质中的声源位置定位。该方法需要对拷贝场复声压的互谱矩阵进行估计。为了克服蒙特卡洛统计方法计算互谱矩阵较为耗时的缺点,文章将起伏介质中的随机或不确知声压表示为以正交的随机多项式为基底的级数,随机多项式基底的输入变量为描述环境随机性或不确知性的随机变量。利用随机多项式展开基底的正交性可快速估计拷贝场复声压互谱矩阵。仿真结果表明：在声源频率较低、浅海海水声速存在随机起伏的条件下,在计算效率上使用随机多项式展开方法估计拷贝场复声压互谱矩阵较蒙特卡洛统计方法可提高一个数量级;在高信噪比下,多特征向量约束匹配场声源定位算法在定位准确率和输出峰均比上优于线性匹配场和对角加载的最小方差匹配场声源定位方法。     

动态水声环境不确定性的预报与估计

水声环境具有强烈的时空易变性,为了解其变化中的规律和产生的不确定性,将POM海洋数值模型和水声传播模型FOR3D进行耦合,建立海洋—声学耦合数值模式。对海区的温盐等环境参数和水下声场进行预报,给出了典型断面的温度垂直结构、实验海区声速剖面和传播损失。同时,采用集合卡尔曼滤波(EnKF)方法结合海洋—声学耦合数值模式分析了水声环境的不确定性,对不同深度与频率下,传播损失的均值与满足90%的可能区间进行了计算,同时给出了不同点声速、传播损失、声纳作用距离的不确定性直方图。和实验数据的对比结果表明该方法具有较高的有效性,能对水声环境的不确定性进行合理的预报与估计。     

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

水平不变浅海环境随机扰动对声传播的影响

本文主要讨论浅海水平不变波导中的低频声传播问题,为环境适配声纳设计奠定基础。通过仿真分析了海水及海底环境参数对传播损失的影响,根据仿真及实验结果,建立了声速剖面随机扰动及海面、海底起伏条件下的声强分布概率模型,并利用模型中的形状参数α和尺度参数β,提出了局部蒙特卡洛模拟加曲线拟合的声场敏感性分析方法。仿真及实验结果表明声场传播损失服从伽马分布,良好水文条件下10 km距离的声场能量起伏也达到10 d B,随着距离增加,声场敏感性增加。本文所提出方法通过对近场声场的测量和统计实现对远场声场敏感性的预报,与全声场蒙特卡洛模拟相比计算量减小一个数量级。     

The rapid uncertainty prediction of the ocean-acoustic coupled model

Focusing on the rapid prediction of acoustic field uncertainty in environment with temporal and spatial sound speed perturbation, evolvement of sound speed structure over time is predicted based on the ocean-acoustic coupled model to obtain the uncertainty distribution of the vertical structure of sound speed. Further, a method combining the arbitrary polynomial chaos expansion with the empirical orthogonal function is proposed to reduce the dimensionality of uncertain parameters and to obtain the uncertainty distribution of the acoustic field. Simulations have shown that the computational complexity can be reduced by 2 orders of magnitude compared to the conventional polynomial chaos expansion while ensures the same precision.Moreover, the computational complexity is not influenced by the complexity of the sound speed profile. The acoustic field and uncertainty predicted in uncertain environment by proposed method also have been tested with the experimental data.     

Pekeris waveguide comparisons of methods for predicting acoustic field amplitude uncertainty caused by a spatially uniform environmental uncertainty (L)

Acoustic field calculations in underwater environments are often uncertain because the environmental parameters required for such calculations are uncertain. This letter compares the accuracy of direct simulations, the field shifting approximation, and polynomial chaos expansions for predicting acoustic amplitude uncertainty in 100-m-deep Pekeris waveguides having spatially uniform uncertain water-column sound speed. When this sound speed is Gaussian-distributed with a standard deviation of 1 m/s, direct simulations and polynomial chaos expansions, based on 21 field calculations, are more accurate than the field shifting approximation, based on two field calculations. This ranking reverses as the sound-speed standard deviation increases to 20 m/s.     

Numerical analysis of the 2D acoustic field with epistemic uncertainty

Aiming at the problem that the epistemic uncertain parameters exist in an acoustic field,an evidence theory-based finite element method(ETFEM) is proposed by introducing the evidence theory,in which the focal element and basic probability assignment(BPA) are used to describe the epistemic uncertainty.In order to reduce the computational cost,the interval analysis technique based on perturbation method is adopted to acquire the approximate sound pressure response bounds for each focal element.The corresponding formulations of intervals of expectation and standard deviation of the sound pressure response with epistemic uncertainty are deduced.The sound pressure response of a 2D acoustic tube and a 2D car acoustic cavity with epistemic uncertain parameters are analyzed by the proposed method.The proposed method is verified through the comparison of the analysis results of random acoustic field with that of epistemic uncertain acoustic field.Numerical analysis results show that the proposed method can analyze the 2D acoustic field with epistemic uncertainty effectively,and has good prospect of engineering application.     

采用小生境遗传算法反演浅海声速剖面研究*

针对浅海声速剖面反演问题,采用小生境遗传算法,结合声线搜索的最快本征声线匹配反演,实现浅海负跃层条件下的声速剖面估计。利用经验正交函数对声速剖面的多参数不确定性降维,依据声场计算模型获取的最快特征声线传播时延与观测声传播时长进行匹配,采用小生境遗传优化算法,获取最优经验正交函数估计,实现声速剖面反演。按上述方法反演处理浅海声传播实验数据,结果表明,该方法针能够有效反演浅海声速剖面,并且显著优于传统遗传算法反演结果。     

认知不确定二维声场的响应特性数值分析

针对声学参数存在认知不确定性的问题,为实现认知不确定声场声压响应的预测。提出了解决二维认知不确定声场的有限元法(Evidence Theory-based Finite Element Method,ETFEM),引入证据理论,采用焦元和基本可信度的概念来描述认知不确定参数,基于摄动法的区间分析技术,推导了认知不确定声场声压响应的标准差、期望求解公式。为验证本文方法的可行性。以认知不确定参数下的二维管道声场模型和某轿车二维声腔模型为例进行了数值计算,对比离散随机变量得到认知不确定参数的声场分析结果和相应的随机声场所得分析结果,研究表明:该方法能够有效的处理认知不确定参数下的二维声场,为工程问题中噪声预测提供可靠的分析模型。      

Capturing uncertainties of the underwater acoustic environment based on an ocean-acoustic coupled model

Considering the uncertain effects of temporal and spatial changes in the marine environment on the underwater acoustic environment,we established an ocean-acoustic coupled numerical model and performed a parallel calculation.This model incorporated acoustic calculations into the dynamic ocean,thereby achieving a dynamic forecasting and assessment of the acoustic environment.Furthermore,we adopted the ensemble prediction method to predict the vertical structure of temperature in a classic cross-section,the sound speed of the cross-section of the investigated sea area,and transmission losses.We gave the prediction errors of the sound speed profile as well as the 90%probability interval of transmission losses and the uncertainty histograms of the sound speeds,transmission losses,and sonar ranges at different depths and frequencies.The results reflected the influence of marine temporal and spacial variations on the uncertainties of the underwater acoustic environment,and the results also quantified the uncertainties of the underwater acoustic environment parameters.The experimental results indicate that the method used in this study is able to delineate and quantify the uncertainties of the underwater acoustic environment caused by marine dynamic changes.     

基于多项式混沌方法的场线耦合响应不确定度量化

在传输线场线耦合的计算中,由于辐射场可能从不同方向入射,入射方位角和入射仰角会在一定范围内变化,可以将其看作不确定变量,因此传输线的响应也呈现出不确定性。针对输入参数服从非典型分布的情况,应用多项式混沌方法对传输线场线耦合频域响应进行不确定度量化。结合入射方位角和仰角的物理意义,给出其服从的分布类型并构建相应的正交多项式基底,并对该模型的传输线方程进行多项式混沌展开。最后结合含两个不确定参数的传输线场线耦合算例,给出远端电流响应的统计信息,对比蒙特卡罗方法,验证了该方法的正确性和高效性。