JP2023010540A

JP2023010540A - 並列結合海洋音響予測システム及び操作方法

Info

Publication number: JP2023010540A
Application number: JP2022013517A
Authority: JP
Inventors: 楊春梅; Chunmei Yang; 劉宗偉; Zongwei Liu; 姜瑩; Ying Jiang; 呂連港; Liangang Lyu; 郭景松; Jingsong Guo; 王関鎖; Guansuo Wang; 尹訓強; Xunqiang Yin
Original assignee: FIRST INSTITUTE OF OCEANOGRAPHY
Current assignee: FIRST INSTITUTE OF OCEANOGRAPHY
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2042-01-31
Also published as: CN113259034B; CN113259034A; JP7116852B1

Abstract

【解決手段】物理的な海洋と水中の音場モデリングの融合の分野に属し、並列結合海洋音響予測システムは、海洋環境予測モジュールと、海洋-音響結合モジュールと、海洋音響伝播ソリューションモジュールと、を含む。海洋環境予測モジュールの前記システム全体における役割は、システムへ初期環境の入力を提供することであり、海洋音響結合モジュールの機能には、パラメータの初期化、地形の抽出、及び海洋環境のパラメータ断面の抽出が含まれ、温度、塩分及び海面のラフネスの出力を含む海洋モジュールのパラメータを音響モデルの入力に変換することにより、海洋モデルと音響モデルが組み合わされ、海洋音響伝播ソリューションモジュールの役割は、海洋音場の計算、海洋音場及びソナーの作用範囲を含む結果の出力である。
【効果】水中音場のリアルタイム予測を実現し、三次元音場の正確な計算と世界の海域のソナー作用範囲の推定を迅速に実現できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、物理的な海洋と水中の音場モデリングの融合の分野に属し、並列結合海洋音響予測システム及び操作方法に関する。

現在、国内外でさまざまな音の伝播モデルが確立されており、波動方程式の解の方法の違いにより、ノーマルモードモデル、放射線モデル、放物型方程式モデル、いくつかの結合モデル。音場モデルは、独立して計算の面でより成熟してきた。しかしながら、音場の既存の計算のほとんどはシリアルであり、並列アルゴリズムに関する研究は少ないである。小規模な二次元音の伝播問題を扱う場合、既存の音場計算モデルは実際のニーズを満たすことができるものの、近年、三次元音の伝播問題、大時間、大面積の音場計算の必要性があり、既存の音場計算効率は実際の科学研究のニーズを満たすことが困難になっている。

海洋学では、天然資源省の第一海洋学研究所の研究者Qiao Fangli研究員が波動誘導混合理論を使用して、その研究チームは、世界的な高解像度の海波-潮流-還流の結合数値モデルFIO-COMを確立し、夏の海洋循環モデルによってシミュレートされたSSTが高くなる傾向、表面下層の温度が低くなる傾向、及び混合層が浅くなる傾向などの一般的な問題を克服し、表面下層の海洋の温度のシミュレーション偏差は約90％減少し、海洋数値モデルに通用する。海洋モデルは、温度、塩分、海面の粗さなどのより正確な水文環境パラメータを提供できる。

現在、海洋学と水中音響学の両方において、各研究分野は多くの理論と実践を蓄積してきた。しかしながら、海洋学と音響学に焦点を当てたクロススタディはまだ少ない。既存の音場モデルはシミュレーション計算機能のみであり、水中音場予測機能はない。また、既存の研究の結果は計算規模が小さく、国内外の全球海洋音場に適した大規模なタイムスパン予測システムはない。

本願発明で解決する技術的課題は、並列結合海洋音響予測システム及びその操作方法を提供することである。本発明のシステムは、動的海洋モデルと水中音響伝播モデルの協調の操作により、海洋モデルは、音響モデルの予測に必要な初期環境変数を生成し、さまざまな変化を伴うさまざまな海洋現象の周囲の音場、ソナー作用範囲などのタイムリーな予測を提供する。

本願発明は、以下の技術案により、実現される。
海洋環境予測モジュールと、海洋-音響結合モジュールと、海洋音響伝播ソリューションモジュールと、を含む並列結合海洋音響予測システムであって、海洋環境予測モジュールの前記システム全体における役割は、システムへ初期環境の入力を提供することであり、海洋音響結合モジュールの機能には、パラメータの初期化、地形の抽出、及び海洋環境のパラメータ断面の抽出が含まれ、温度、塩分及び海面のラフネス（roughness）の出力を含む海洋モジュールのパラメータを音響モデルの入力に変換することにより、海洋モデルと音響モデルが組み合わされ、前記海洋音響伝播ソリューションモジュールの役割は、海洋音場の計算、海洋音場及びソナーの作用範囲を含む結果の出力であり、

さらに、前記海洋モデルは、海波-潮流-還流の結合数値モデルを用いる。

また、本発明は、並列結合海洋音響予測システムの操作方法を提供する。前記操作方法は、具体的には、海洋環境予測モジュールは、初期環境の入力を提供するステップ１と、海洋音響結合モジュールを通じて、初期化情報を読み取り、海洋環境予測モジュールにより提供された海洋水文環境予測結果を取得するステップ２であって、初期化情報により提供された計算タイプパラメータは、地形及び環境のパラメータを読み取る各プロセスの領域範囲を決定し、下記3つの計算タイプがあり、第１のタイプは、音源点と受信点の間の垂直断面における音場を計算し、このタイプは、音源点と受信点の間の垂直断面の地形と海洋環境パラメータを抽出することのみが必要となり、第２のタイプは、音源を円の中心として、 360°方位角内の水平断面における音場を計算し、この場合、円の中心として音源を抽出し、360°方位角の範囲内の地形および海洋環境のパラメータを抽出することが必要となり、第３のタイプは、音場計算に基づいて、指定されたソナー品質係数に従って、ソナーの最大作用範囲を計算し、この場合、必要な計算領域の地形および海洋環境のパラメータを抽出する必要となる、ステップ２と、海洋音響伝播ソリューションモジュールでは、システムの並列計算を行い、上記３つのタイプの音場計算には、マルチプロセスの並列計算が必要となり、第１のタイプ及び第2のタイプの計算では、異なる周波数ポイントと異なる方位角の音場計算は、周波数ポイントと方位角を各プロセスに均等に分布する必要であり、三次元音場波数積分の計算では、波数を各プロセスに均等に分布する必要があり、第３のタイプの計算では、規則的な長方形グリッドを使用して地理的空間を分割し、海域を経度と緯度の2次元で分割し、メインプロセスは各サブプロセスにタスクを割り当て、各サブプロセスは割り当てられたタスクに従って音場計算を実行し、各周波数ポイントでの各音源の音場計算結果を取得し、その後、メインプロセスは計算タイプの要求に従って、サブプロセスの音場計算結果を、合計及び平均化を含む処理をさらに行い、音場とソナー作用範囲を含む計算結果を出力するステップ３と、を含む。

従来技術と比較して、本願発明は以下の有利な効果を有する。
本願発明のシステムは、物理的な海洋モデルと音場モデルを組み合わせて、水中音場のリアルタイム予測を実現する。このシステムは、大量の水中音場計算の問題を解決するために、任意の高性能コンピュータシステムにも適用できる。大量の水中音場計算と計算速度の遅さの問題を解決し、三次元音場の正確な計算を迅速に実現し、地球の海でのソナーの距離を推定する。

本願発明の音場モデルは、グローバル行列結合法線波モデルを使用し、グローバル行列（ＤＧＭ）法を使用して結合係数を解く。従来の方法と比較して、グローバルマトリックス結合のノーマルモードモデルは、行列変換や行列乗算などの多くの操作が回避され、モデルの安定性と計算効率が向上する。

本願発明のシステムで使用される音場モデルは、波数積分技術を使用して二次元モデルを三次元の音の伝播の課題に拡張し、各波数の音場計算の並列化を実現するため、このモデルは、三次元の音の伝播の課題にも迅速に対処できる。音場計算に基づいて、本願発明のシステムはソナー品質係数を設定し、音場結果をさらに処理するため、本願発明のシステムはソナーの距離を予測する機能を備えている。

結合海洋音響予測システムのモジュラーアーキテクチャ図である。地理空間における規則的な長方形グリッドの並列分割。海洋音響予測システムの音響計算のフローチャート。ソナー作用範囲の計算のフローチャート。予測エリアの地形図。予測エリアの海面高度の異常マップ。ポイントAとBの間の垂直断面の音場予測結果。ポイントAを中心とした360°の方位角内の水平断面の音場予測結果。全地球の海域におけるソナー作用範囲の予測結果である。aは、深さ50mにソナー検知装置を設けられ、bは海底にソナー検知装置が設けられる。

本願発明の技術案について、図面を参照しながら、下記実施例によりさらに説明するものの、本願発明の保護範囲は、実施例のいかなる形態に限定されない。

実施例１
並列結合海洋音響予測システムは、海洋環境予測モジュールと、海洋-音響結合モジュールと、海洋音響伝播ソリューションモジュールと、を含む。

海洋環境予測モジュールの前記システム全体における役割は、システムへ初期環境の入力を提供することである。

海洋音響結合モジュールの機能には、パラメータの初期化、地形の抽出、及び海洋環境のパラメータ断面の抽出が含まれ、温度、塩分及び海面のラフネス（roughness）の出力を含む海洋モジュールのパラメータを音響モデルの入力に変換することにより、海洋モデルと音響モデルが組み合わされる。

前記海洋音響伝播ソリューションモジュールの役割は、海洋音場の計算、海洋音場及びソナーの作用範囲を含む結果の出力である。

本発明の結合海洋音響予測システムは、ＦＯＲＴＲＡＮ－９０プログラミング言語のモジュール化を採用しており、全体的な設計フレームワークが図１に示されている。システム全体は並列化によって実現され、各音源、周波数点（ポイント）、地理空間の計算タスクは各プロセスに均等に分布される。地理空間は、図2に示すように、規則的な長方形グリッドの並列分割方式を採用している。本願発明のシステムは最終的に3つのタイプの計算結果を提供できる。1つのタイプは距離-深さ垂直断面の音場計算結果、もう1つのタイプは距離-方位角水平断面の音場計算結果、最後の1つのタイプは、世界または地域の任意の深度でのソナー作用範囲の推定結果である。

システム実行中具体的な計算プロセスを図3に示す。
まず、海洋音響結合モジュールを通じて、音源の位置、周波数、計算タイプなどを含む初期化情報を読み取り、海洋環境予測モジュールにより提供された、温度、塩分及び海面のラフネスなどの海洋水文環境予測結果を取得した。

次に、海洋音響結合モジュールは、初期化情報により提供された計算タイプパラメータは、地形及び環境のパラメータを読み取る各プロセスの領域範囲を決定し、下記3つの計算タイプがあり、第１のタイプは、音源点と受信点の間の垂直断面の地形と海洋環境パラメータを抽出する必要となり、第２のタイプは、音源を円の中心として、 360°方位角の範囲内の地形および海洋環境のパラメータを抽出する必要となり、第３のタイプは、必要な計算領域の地形および海洋環境のパラメータを抽出する必要となる。

次に、海洋音響伝播ソリューションモジュールでは、メインプロセスは各サブプロセスにタスクを割り当て、各サブプロセスは割り当てられたタスクに従って音場計算を実行し、各サブプロセスの計算プロセスは次のとおりである。１）音波伝播経路の周りの経度と緯度のグリッドポイントの水深、温度、塩分、およびその他のデータを読み取った。２）グリッドポイントのデータを補間して、水深、温度、および塩分を取得し、音波の伝播経路経験式を使用して音速断面を計算した。３）音源の位置、深さ、周波数、音速、海面のラフネス、海底の地形およびパラメータに応じて、単一の周波数ポイントで単一の音源の音場を計算した。

最後に、計算タイプのメインプロセスに従って、音場計算結果をさらに処理した。

単一グリッド点のソナー作用距離の計算フローチャートは、図4に示されるように、音源の進行距離での単一点音伝播損失を順次計算し、音場伝播損失をソナーの品質係数と比較し、ソナーの最大作用距離を得た。

本願発明について、下記具体的の実施形態と併せて詳細に説明する。
実施例2
2つのポイントA（124.1°E、26.38°N）とB（124.8°E、24.63°N）を選択し、地形図が図5に示されるように、AからBへの垂直断面音場伝播を計算する。図6に沖縄海溝域の海面の高さ異常を示す。ポイントAとポイントBの音の伝播も黒潮前線の渦の影響を受けていることがわかる。ポイントAは海面の低温域にあり、ポイントBは海の高温域にあり、音の速度断面は、水平方向に変化する。ポイントAとポイントBの垂直断面の音場予測を実行する。最初に、1km間隔でポイントAとポイントBの間の補間（Interpolation）を実行し、各補間ポイントの緯度と経度を取得した。次に、海洋モデルの水文予測結果から、AからBまでの線の近くの長方形の領域の温度と塩分値を読み取る。Global Land and Sea Database（GEBCO）から地形データを読み取り、各補間ポイント周辺の4つの緯度と経度のグリッドの水深、温度、塩分データに基づいて2次元線形補間を実行し、A、Bと補間ポイントの水深、温度、塩分などを取得した。実験式に従って音速を求め、1km間隔の各ポイントでのレベル変化の音速を求めた。最後に、音場モデルを音場伝播経路の水深、音速、音源位置、深さ、周波数、海面粗さ、海底パラメータなどの音場モデルに入力し、音場計算を実行した。単一の垂直断面の音場計算結果については、複数の周波数点の音場に対して並列計算を実行し、最終的にすべてのプロセスをまとめて、最終的に周波数ポイントの平均距離-深さ垂直断面の音場予測結果を取得した。たとえば、選択された2つのポイントAとBについて、この経路に沿った距離-深さ垂直断面の音場予測を提供した。音源はポイントAの水深50mのところにあった。音源の中心周波数は200Hzで、帯域幅は1/3オクターブである。図7は、結合海洋音響予測システムによる沖縄の溝を通る垂直断面音場予測の結果を示す。沖縄の溝の側面にある音源から放出される音波が伝播していることがわかる。溝を通って、音波は沈み、海底に沿って移動し、溝の反対側を通過する音響エネルギーはわずかであった。

実施例3
音源ポイントA（124.1°E、26.38°N）について、Aを中心とした1回転の距離-方位角の水平断面の音場を計算した。ポイントA周辺の水平断面の音場予測については、まず、海洋モデルの予測結果から、A周辺の円形領域の水深、温度、塩分、海面粗さなどの予測結果を読み取った。平均値は方位角360°間隔で取得され、各方位角伝播経路の水深、温度、塩分などは1km間隔で取得された。各補間点のデータは周囲の4つの緯度と経度のポイントの2次線形補間データによって取得された。

実験式によれば、音速は水深、温度、塩分などから計算された。水深や音速、音源情報、海面粗さ、海底パラメータなどのデータを音場モデルに入力し、音場計算を行った。各方位角と各周波数点の音場は、並列かつ同期して計算された。沖縄の溝の端にあるA点（東経124.1度、北緯26.38度）を選択し、地形図5を参照し、この点から200km以内の深さ50mの水平断面の音場予測を行った。音源はA点（東経124.1度、北緯26.38度）にあり、水深は50mである。音源の中心周波数は200Hzで、帯域幅は1/3オクターブである。図8は、結合海洋音響予測システムによる沖縄溝海域のA点を中心とした受信深度50mの水平断面の音場予測結果である。水深50mでは、溝の上の音響エネルギーが非常に弱く、溝が音響エネルギーを遮蔽する効果があり、溝を通過する音響エネルギーが非常に小さいことがわかる。

実施例4
世界の海域または特定の地域でのソナー作用範囲の予測は、垂直および水平断面での音場予測よりも計算量が多くなる。計算プロセスでは、図2に示すように、計算タスクを均等に分割する必要がある。本実施例では、世界の海域でのソナー作用範囲予測が実行された。全地球の海域で音源点が1°間隔で配置されていると仮定して、周辺域での音源の伝播損失を計算し、相反性の原理と所定のソナーに基づいてソナー作用範囲を求めることができ。海域の計算タスクは、プロセスの数に応じて規則的な長方形のグリッドに分割され、各プロセスは、地形、温度、塩分、海面の粗さ、およびその他のパラメータの独自の計算範囲を読み取った。計算では、まず、音源が海域にあるかどうかを判断し、音源が陸地にある場合、直接スキップする。単一のターゲット音源に対応するソナー作用範囲の計算プロセスは次のとおりである。１）360°の範囲でターゲット音源の周りに一定の角度間隔でn個の方位角を決定した。２）単一の方位角の水平距離伝播損失を計算した。３）計算結果をソナー品質係数と比較して、単一の方位角のソナー範囲を決定した。４）同じ方法を使用して残りの方位角の動作距離を計算し、すべての方位角の動作距離を合計して平均し、システムに対応するターゲット音源の動作距離を取得した。図9は、全球海洋におけるソナー作用範囲の予測図である。（a）ソナーは水深50mに設置され、（b）ソナーは海底に設置され、計算されたメッシュ間隔は1°×1°であり、各グリッドポイントには、周波数ポイントの数が7であり、方位角の数が16であり、ソナー品質係数が100dBであると想定されている。単一のネットワークポイント、単一の周波数ポイント、および単一の方位角により音の伝播計算を行い、必要なコアの最大数は180（緯度グリッドポイントの数）×360（経度グリッドポイントの数）× 7（周波数ポイントの数）×16（方位角の数）×70％（地球の海の比率）= 5080320（個）。計算タスクは、プロセスの数に応じて均等に分割されます。ソナーが水深50mにある場合、北極と南極はちょうど地表音響チャネルの深さにあることがわかる。この場合、ソナーの作用距離は長くなる。ソナーは海底に位置する場合、深海ソナーの作用距離は浅瀬海域のソナーの作用範囲よりも優れている。

Claims

海洋環境予測モジュールと、海洋-音響結合モジュールと、海洋音響伝播ソリューションモジュールと、を含む並列結合海洋音響予測システムであって、
海洋環境予測モジュールの前記システム全体における役割は、システムへ初期環境の入力を提供することであり、
海洋音響結合モジュールの機能には、パラメータの初期化、地形の抽出、及び海洋環境のパラメータ断面の抽出が含まれ、温度、塩分及び海面のラフネス（roughness）の出力を含む海洋モジュールのパラメータを音響モデルの入力に変換することにより、海洋モデルと音響モデルが組み合わされ、
前記海洋音響伝播ソリューションモジュールの役割は、海洋音場の計算、海洋音場及びソナーの作用範囲を含む結果の出力であり、
前記海洋モデルは、海波-潮流-還流の結合数値モデルを用いる、請求項１に記載の並列結合海洋音響予測システム。
前記並列結合海洋音響予測システムの操作方法であって、
前記操作方法は、具体的には、
海洋環境予測モジュールは、初期環境の入力を提供するステップ１と、
海洋音響結合モジュールを通じて、初期化情報を読み取り、海洋環境予測モジュールにより提供された海洋水文環境予測結果を取得するステップ２であって、
初期化情報により提供された計算タイプパラメータは、地形及び環境のパラメータを読み取る各プロセスの領域範囲を決定し、下記3つの計算タイプがあり、第１のタイプは、音源点と受信点の間の垂直断面における音場を計算し、このタイプは、音源点と受信点の間の垂直断面の地形と海洋環境パラメータを抽出することのみが必要となり、第２のタイプは、音源を円の中心として、 360°方位角内の水平断面における音場を計算し、この場合、円の中心として音源を抽出し、360°方位角の範囲内の地形および海洋環境のパラメータを抽出することが必要となり、第３のタイプは、音場計算に基づいて、指定されたソナー品質係数に従って、ソナーの最大作用範囲を計算し、この場合、必要な計算領域の地形および海洋環境のパラメータを抽出する必要となる、ステップ２と、
海洋音響伝播ソリューションモジュールでは、システムの並列計算を行い、上記３つのタイプの音場計算には、マルチプロセスの並列計算が必要となり、第１のタイプ及び第2のタイプの計算では、異なる周波数ポイントと異なる方位角の音場計算は、周波数ポイントと方位角を各プロセスに均等に分布する必要であり、三次元音場波数積分の計算では、波数を各プロセスに均等に分布する必要があり、第３のタイプの計算では、規則的な長方形グリッドを使用して地理的空間を分割し、海域を経度と緯度の2次元で分割し、
メインプロセスは各サブプロセスにタスクを割り当て、各サブプロセスは割り当てられたタスクに従って音場計算を実行し、各周波数ポイントでの各音源の音場計算結果を取得し、その後、メインプロセスは計算タイプの要求に従って、サブプロセスの音場計算結果を、合計及び平均化を含む処理をさらに行い、音場とソナー作用範囲を含む計算結果を出力するステップ３と、
を含む、請求項１または２に記載の並列結合海洋音響予測システムの操作方法。