CN113190984B - 水下声场模型bellhop并行实现方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水下声场模型BELLHOP并行实现方法。所述水下声场模型BELLHOP并行实现方法包括：获取耦合预报区域信息；根据工作主核数量，拆分所述耦合预报区域信息，从而为每一个主核分配一个待耦合预报区域；每个主核获取分配的待耦合预报区域的预报信息；每个主核根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息；每个从核获取分配的待计算预报信息并根据待计算预报信息计算声场参数并将各个声场参数传递给与其连接的主核；每个从核根据获取的声场参数计算声线与传播损失并传递给与其连接的所述主核。本申请提高了声场传播计算结果的准确性。

Description

水下声场模型BELLHOP并行实现方法

技术领域

本发明涉及雷达性能评估技术领域，具体涉及一种水下声场模型BELLHOP并行实现方法以及水下声场模型BELLHOP并行实现系统。

背景技术

水声传播规律是海洋声学研究的基本课题，水声传播的数值计算和预报是海洋混响和环境噪声、参数反演、匹配场处理、水下作战环境等研究的基础。为了反映海洋环境因素对声传播的制约关系，目前已经产生了多种传播模型。其中BELLHOP模型是通过高斯波束跟踪方法(Porter和Bueker，1987年)，计算水平非均匀环境中的声场，该方法对于高频水平变化问题特别有吸引力，这是简正波、波数积分和抛物线模型不可替代的。

随着宽带水声传播、匹配场反演与定位、水下作战环境仿真等问题的深入研究，在计算精度与速度方面对水声传播建模提出了更严格的要求。为满足水下作战环境仿真等大规模声场计算的需要，研究模型的并行算法并在高性能平台上进行并行计算具有重要的现实意义。美国自上世纪80年代中期开始将高性能计算机应用于计算海洋声学领域，主要集中在三维抛物方程模型的并行算法研究方面。近年来，相继提出了基于MPI的射线理论并行模型EigenRay、抛物方程并行模型MPIRAM。在国内，海军潜艇学院将超算引入水下声场领域，率先开展了基于HPC、GPU的水下声场并行计算与可视化技术研究，2004年建立了基于PC机群的并行实验环境，提出了WKBZ简正波模型的并行算法。目前绝大部分声场传播并行实现基于商用机器,开发环境也基于国外软件，不能自主可控，给信息安全带来了隐患。此外计算水声传播所需要的环境数据不足，通常利用某区域的有限的环境观测数据进行插值处理进行等效，声场反演的准确度难以满足实际应用需求。

海水的温度、盐度及深度等自然因素直接影响声速剖面、海水吸收系数及海底海面反射系数的计算，从而影响声场传播计算的准确性。仅用某区域的有限的点的环境数据不能准确反演出声场传播所需要的参数。同时，三维水声传播运算量大、计算耗时，难以提供快速的声场数据支持。

现有声场传播模型计算存在如下问题：

a)环境数据匮乏，通常通过对某区域的有限的观测数据进行简单插值等效，精度不能满足声场传播要求。

b)目前声场传播并行实现的平台大多基于商用机群，开发环境也大多基于国外软件，不能满足自主可控的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下声场模型BELLHOP并行实现方法，来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

本发明的一个方面，提供一种水下声场模型BELLHOP并行实现方法，基于国产众核及区域耦合预报系统，水下声场模型BELLHOP并行实现方法包括：

获取耦合预报区域信息；

根据工作主核数量，拆分所述耦合预报区域信息，从而为每一个主核分配一个待耦合预报区域；

每个主核获取分配的待耦合预报区域的预报信息；

每个主核根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息；

每个从核获取分配的待计算预报信息并根据待计算预报信息计算声场参数并将各个声场参数传递给与其连接的主核；

每个从核根据获取的声场参数计算声线与传播损失并传递给与其连接的所述主核；

主核根据获取的声场参数计算声线与传播损失以及标识输出结果。

可选地，所述耦合预报区域信息经度维信息、纬度维信息以及深度维信息。

可选地，所述根据工作主核数量，拆分所述耦合预报区域信息，从而为每一个主核分配一个待耦合预报区域包括：

按经度维网格进行拆分，从而拆分成与主核数量相同的待耦合预报区域；

为每一个主核分配一个待耦合预报区域。

可选地，所述预报信息包括：海水的温度信息、盐度信息、深度信息以及地形地貌信息。

可选地，所述每个主核根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息包括：

按纬度维进行拆分，从而将每个主核的预报信息拆分成与从核数量相同的待计算预报信息；

为每一个从核分配一个待计算预报信息。

可选地，所述声场参数包括：

声速剖面、顶部反射系数、底部反射系数、海底形状、海面形状。

可选地，所述声线与传播损失包括：

声线和本征声线、声场的传播损失及声线到达的时间-幅度序列。

本申请还提供了一种水下声场模型BELLHOP并行实现系统，所述水下声场模型BELLHOP并行实现系统包括多个主核以及每个主核连接有多个从核，其中，

每个主核用于根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息、用于获取与其连接的主核所传递的声场参数、声线与传播损失以及用于根据获取的声场参数计算声线与传播损失以及标识输出结果；

每个从核用于获取分配的待计算预报信息并根据待计算预报信息计算声场参数并将各个声场参数传递给与其连接的主核、用于根据获取的声场参数计算声线与传播损失并传递给与其连接的所述主核。

有益效果

本发明提出的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，具有以下优点：

a)提高了声场传播计算结果的准确性，“两洋一海”区域耦合预报的环境数据精度高，分辨率高，能准确计算出声场传播计算所需的参数，从而能提升了声场计算准确性。

b)提高声场计算实时性和并行规模，通过并行方案设计可以同时对多部声呐进行声场传播计算，通过主核+从核两级并行加速，大大缩短了评估时间，提高了实时性。

c)提升了安全性，硬件基于国产众核处理器架构，开发环境基于国产编译器，数据来源于自主的区域耦合预报系统，软件、硬件及数据皆自主可控。

附图说明

图1为本发明第一实施例的水下声场模型BELLHOP并行实现方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

图1为本发明第一实施例的水下声场模型BELLHOP并行实现方法的流程示意图。

如图1所示的水下声场模型BELLHOP并行实现方法包括：

步骤1：获取耦合预报区域信息；

步骤2：根据工作主核数量，拆分耦合预报区域信息，从而为每一个主核分配一个待耦合预报区域；

步骤3：每个主核获取分配的待耦合预报区域的预报信息；

步骤4：每个主核根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息；

步骤5：每个从核获取分配的待计算预报信息并根据待计算预报信息计算声场参数并将各个声场参数传递给与其连接的主核；

步骤6：每个从核根据获取的声场参数计算声线与传播损失并传递给与其连接的所述主核。

在一个实施例中，本申请还进一步包括步骤7：主核根据获取的声场参数计算声线与传播损失以及标识输出结果。

在本实施例中，标识是指主核处理的声源序号，方位序号。例如：主核1计算第1个声源的1到N个方位；主核2计算第1个声源的N+1到2*N个方位；依次类推，最后根据上述标识号将计算结果存成数据文件。

本发明提出的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，具有以下优点：

a)提高了声场传播计算结果的准确性，“两洋一海”区域耦合预报的环境数据精度高，分辨率高，能准确计算出声场传播计算所需的参数，从而能提升了声场计算准确性。

b)提高声场计算实时性和并行规模，通过并行方案设计可以同时对多部声呐进行声场传播计算，通过主核+从核两级并行加速，大大缩短了评估时间，提高了实时性。

c)提升了安全性，硬件基于国产众核处理器架构，开发环境基于国产编译器，数据来源于自主的区域耦合预报系统，软件、硬件及数据皆自主可控。

在本实施例中，所述耦合预报区域信息经度维信息、纬度维信息以及深度维信息。

在本实施例中，所述根据工作主核数量，拆分所述耦合预报区域信息，从而为每一个主核分配一个待耦合预报区域包括：

按经度维网格进行拆分，从而拆分成与主核数量相同的待耦合预报区域；

为每一个主核分配一个待耦合预报区域。

在本实施例中，所述预报信息包括：海水的温度信息、盐度信息、深度信息以及地形地貌信息。

在本实施例中，所述每个主核根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息包括：

按纬度维进行拆分，从而将每个主核的预报信息拆分成与从核数量相同的待计算预报信息；

为每一个从核分配一个待计算预报信息。

在本实施例中，所述声场参数包括：海水的温度信息、盐度信息、深度信息以及地形地貌信息。

声速剖面、顶部反射系数、底部反射系数、海底形状、海面形状。

在本实施例中，所述声线与传播损失包括：

声线和本征声线、声场的传播损失及声线到达的时间-幅度序列。

本发明的技术方案利用国产众核处理器，通过MPI+Athread混合编程实现主核+从核两级并行加速。主核负责“两洋一海”区域预报环境数据、声呐参数的读取，拆分、传输与管理，从核负责声场环境参数的计算，声线和本征声线、声场的传播损失及声线到达的时间-幅度序列的计算。

BELLHOP声场模型

BELLHOP模型是通过高斯波束跟踪方法(Porter和Bueker，1987年)，计算水平非均匀环境中的声场。BELLHOP模型是于几何和物理的传播规律，可以实现包括高斯波束和帽形波束等多种类型的射线。BELLHOP能产生各种有用的输出信息，包括传输损耗，本征声线，到达和接收的时间序列等。二维柱坐标系下声场的Helmholtz方程：

式中，ω为声源处的角频率，c为声速。级数解形式：

忽略高阶项，可得程函方程和强度方程：

引入射线坐标和射线束概念，可分别获得描述射线束中心声线的控制方程和射线束强度的表达式：

式中，s为射线坐标中的声线弧长量，θ₀为声线的初射掠射角，|r(s),z(s)|描述声线轨迹，|J(s)|为表征柱对称情况下引入的几何扩展量和s处相邻声线间的弧长变化。

a)并行计算

神威·太湖之光,由40960个异构众核处理器SW26010构成，单个处理器架构如图1所示，单处理器上集成四个运算核组共计260个计算核心，每个核组由1个主核(控制核心)与从核阵列组成，从核阵列搭载64(8×8)个从核(计算核心)。从核阵列共享16kb的二级指令cache，每个从核独自占有64kb的LDM。从核阵列可通过片传输网络直接访问处理器上的所有主存空间，从核之间可通过阵列之间行通信总线与列通信总线进行LDM数据传输。

基于区域耦合预报的声场传播BELLHOP模型计算主要由两部分构成，声场参数计算部分和声场传播计算部分。声场参数计算部分主要根据区域耦合预报环境数据反演声场计算所需要的各种参数，主要包括声速剖面、顶部反射系数、底部反射系数、海底形状、海面形状。声场传播计算部分主要负责计算声线和本征声线、声场的传播损失及声线到达的时间-幅度序列。

声场参数计算基于区域耦合预报环境数据，其网格大小：经度维1498、纬度维1048、深度维33。参数计算时水平面网格之间数据相互独立，深度维数据之间有依赖关系。

根据上述数据依赖关系，通过MPI+Athread混合编程设计了主从加速两级并行方案，一级并行按经度维网格进行划分，一个主核负责一个经度维的数据的拆分、传输与管理，二级并行按纬度维进行划分，利用64个从核计算纬度维1048个网格数据。声场传播计算主要包括声线与传播损失计算，本发明采用N*2D弱三维方式近似三维声场，因此方向维计算相互独立，同时仰角方向每条声线的计算是相互独立。

在本实施例中，每个从核根据获取的声场参数计算声线与传播损失过程中，针对计算过程中数据依赖关系、计算过程复杂等问题，也设计了主从加速两级并行方案。一级并行按声呐数量和方位角个数进行划分，总的并行规模为所有声呐方位角的数量。一级并行通按方位进行划分，一个主核负责一个方位维数据的拆分、传输与管理，二级并行按仰角维声线条数进行任务划分，通过64个从核对仰角上的声线进行计算。

从核计算核心虽然可以直接从主存中读取数据，但由于神威系统带宽的限制，且在多个计算核心同时读取主存数据时带宽利用率不高，合理地利用DMA通信将从核所需要的数据传输到LDM空间是提升二级并行性能的关键。

本发明提出的基于国产众核及区域耦合预报系统的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，具有以下优势：

a)提高了声场传播计算结果的准确性，“两洋一海”区域耦合预报的环境数据精度高，分辨率高，能准确计算出声场传播计算所需的参数，从而能提升了声场计算准确性。

b)提高声场计算实时性和并行规模，通过并行方案设计可以同时对多部声呐进行声场传播计算，通过主核+从核两级并行加速，大大缩短了评估时间，提高了实时性。

c)提升了安全性，硬件基于国产众核处理器架构，开发环境基于国产编译器，数据来源于自主的区域耦合预报系统，软件、硬件及数据皆自主可控。

本申请还提供了一种水下声场模型BELLHOP并行实现系统，所述水下声场模型BELLHOP并行实现系统包括多个主核以及每个主核连接有多个从核，其中，

每个主核用于根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息、用于获取与其连接的主核所传递的声场参数、声线与传播损失以及用于根据获取的声场参数计算声线与传播损失以及标识输出结果；

每个从核用于获取分配的待计算预报信息并根据待计算预报信息计算声场参数并将各个声场参数传递给与其连接的主核、用于根据获取的声场参数计算声线与传播损失并传递给与其连接的所述主核。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种水下声场模型BELLHOP并行实现方法，基于国产众核及区域耦合预报系统，其特征在于，所述水下声场模型BELLHOP并行实现方法包括：

获取耦合预报区域信息；

根据工作主核数量，拆分所述耦合预报区域信息，从而为每一个主核分配一个待耦合预报区域；

每个主核获取分配的待耦合预报区域的预报信息；

每个主核根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息；

每个从核获取分配的待计算预报信息并根据待计算预报信息计算声场参数并将各个声场参数传递给与其连接的主核；

每个从核根据获取的声场参数计算声线与传播损失并传递给与其连接的所述主核；其中，

声场参数计算基于区域耦合预报环境数据，其网格大小：经度维1498 、纬度维1048、深度维33；参数计算时水平面网格之间数据相互独立，深度维数据之间有依赖关系；

根据数据依赖关系，通过MPI+Athread混合编程设计了主从加速两级并行方案，一级并行按经度维网格进行划分，一个主核负责一个经度维的数据的拆分、传输与管理，二级并行按纬度维进行划分，利用64个从核计算纬度维1048个网格数据。

2.如权利要求1所述的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，其特征在于，所述耦合预报区域信息经度维信息、纬度维信息以及深度维信息。

3.如权利要求2所述的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，其特征在于，所述根据工作主核数量，拆分所述耦合预报区域信息，从而为每一个主核分配一个待耦合预报区域包括：

按经度维网格进行拆分，从而拆分成与主核数量相同的待耦合预报区域；

为每一个主核分配一个待耦合预报区域。

4.如权利要求3所述的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，其特征在于，所述预报信息包括：海水的温度信息、盐度信息、深度信息以及地形地貌信息。

5.如权利要求4所述的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，其特征在于，所述每个主核根据与其连接的从核的数量将所述预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息包括：

按纬度维进行拆分，从而将每个主核的预报信息拆分成与从核数量相同的待计算预报信息；

为每一个从核分配一个待计算预报信息。

6.如权利要求5所述的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，其特征在于，所述声场参数包括：

声速剖面、顶部反射系数、底部反射系数、海底形状、海面形状。

7.如权利要求6所述的水下声场模型BELLHOP并行实现方法，其特征在于，所述声线与传播损失包括：

声线和本征声线、声场的传播损失及声线到达的时间-幅度序列。

8.一种水下声场模型BELLHOP并行实现系统，其特征在于，所述水下声场模型BELLHOP并行实现系统包括多个主核以及每个主核连接有多个从核，其中，

每个主核用于根据与其连接的从核的数量将预报信息进行拆分，从而为每一个从核分配一个待计算预报信息、用于获取与其连接的主核所传递的声场参数、声线与传播损失以及用于根据获取的声场参数计算声线与传播损失以及标识输出结果；

每个从核用于获取分配的待计算预报信息并根据待计算预报信息计算声场参数并将各个声场参数传递给与其连接的主核、用于根据获取的声场参数计算声线与传播损失并传递给与其连接的所述主核；其中，

声场参数计算基于区域耦合预报环境数据，其网格大小：经度维1498 、纬度维1048、深度维33；参数计算时水平面网格之间数据相互独立，深度维数据之间有依赖关系；

根据数据依赖关系，通过MPI+Athread混合编程设计了主从加速两级并行方案，一级并行按经度维网格进行划分，一个主核负责一个经度维的数据的拆分、传输与管理，二级并行按纬度维进行划分，利用64个从核计算纬度维1048个网格数据。

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