本發明屬于水聲物理的一種海洋聲場預測方法，尤其涉及了一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法。

背景技術：

1、海水中的聲速、密度、海深、海面風浪、海底反射系數、沉積層吸收系數等因素都會影響水下聲場。受海洋環境和氣候條件在空間與時間上不確實分布的影響，海水介質及其邊界條件是不確定且不均勻的。信號通過海水傳播到接收器時，信號會出現延遲、損失、畸變和起伏，導致水聲信道是一種時域、頻域和空頻域不確定的變參信道。在探測、定位、通信等各類水聲科學與工程應用中，對存在起伏的海洋聲場進行預測具有重要的實際意義。

2、針對不確定海洋環境下的聲場起伏預測問題，現有方法大多基于概率框架發展而成，如蒙特卡洛仿真方法。此類概率方法通常建立了從不確定環境參數到起伏聲場的概率密度函數演化過程，因此對隨機水聲傳播描述較為直觀。但當不確定海洋環境參數數量增加、關注的聲傳播區域尺度增大等因素導致待求解問題規模增大，或實際環境呈現強切割快變地形等距離依賴特征時，蒙特卡洛方法在實際應用中將面臨計算效率問題，故而實際中此類方法常常僅用于簡單情形或作為其他方法的參考。除效率外，概率類方法同時存在一類固有問題：由于概率密度函數演化是此類方法的關鍵核心，為了建立不確定環境參數的統計分布，方法需要足夠的環境信息，但在實際測量中，往往難以獲取充足的數據以構建所需的概率密度函數。

3、綜上，在實際場景下開展海洋聲場起伏區間的預測仍需發展更為有效的方法。

技術實現思路

1、為了解決背景技術中存在的問題和需求，本發明提供了一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法。本發明基于拋物方程水聲傳播理論，應用區間分析方法對原水聲拋物方程進行改進，可有效分析非確定性環境參數下的海洋聲傳播問題，從而有效估計擾動海洋環境下的海洋聲場起伏區間。

2、本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

3、一、一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法

4、步驟一：獲取原始環境信息并確定海洋環境參數擾動區間；

5、步驟二：結合海洋環境參數擾動區間，對存在擾動的海洋環境區域柵格化處理后，獲得區域柵格集合；以及確定起始的區域柵格；

6、步驟三：根據當前區域柵格的環境信息計算當前區域柵格對應的區間擾動傳播矩陣；

7、步驟四：結合前一區域柵格處的聲壓起伏區間和當前區域柵格對應的區間擾動傳播矩陣，計算當前區域柵格對應的聲壓起伏區間并更新聲壓起伏區間；

8、步驟五：重復步驟三-步驟四，依次遍歷處理區域柵格集合中的各區域柵格，獲得各區域柵格對應的聲壓起伏區間，從而獲得海洋聲場起伏區間。

9、所述原始環境信息包括擾動區間形式的聲速場、地形和密度場。

10、所述區域柵格為二維柵格或者三維柵格。

11、所述步驟三具體為：

12、根據當前區域柵格的環境信息本身和其格式計算當前柵格區域對應聲傳播拋物方程中的區間擾動傳播矩陣。

13、若當前區域柵格的環境信息為解析格式，則采用解析方法進行計算；若當前區域柵格的環境信息為數值格式，采用數值微分方法進行計算。

14、所述步驟四中，按照以下公式計算獲得當前區域柵格對應的聲壓起伏區間：

15、ucn+1=exp(ik0△r)p0(bc)ac?ucn

16、△un+1,i=?exp(ik0△r)?(p1(bc)?△biac?ucn+?p0(bc)?△aiucn+?p0(bc)ac?△un,i)

17、其中，ucn+1為當前區域柵格處的聲壓中心值向量，△un+1,i為當前區域柵格處的聲壓起伏區間，ucn為前一區域柵格處的聲壓中心值向量，△un,i為前一區域柵格處的聲壓起伏區間；i為虛數單位；k0為參考波數；△r為距離步長；p0(bc)與p1(bc)分別為區間擾動分析中對逆矩陣做級數展開的零階與一階系數；△ai與△bi分別為原聲傳播拋物方程數值離散后的右端傳播矩陣ac與左端傳播矩陣bc對應的區間擾動傳播矩陣。

18、二、一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測裝置

19、海洋環境參數擾動區間生成單元，用于獲取原始環境信息并確定海洋環境參數擾動區間；

20、柵格化處理單元，用于對存在擾動的海洋環境區域柵格化處理后，獲得區域柵格集合；

21、區間擾動傳播矩陣生成單元，用于根據每個區域柵格的環境信息計算其對應的區間擾動傳播矩陣；

22、聲壓起伏區間生成單元，用于根據前一區域柵格的聲壓起伏區間以及當前區域柵格的區間擾動傳播矩陣，計算獲得當前區域柵格的聲壓起伏區間，從而獲得海洋聲場起伏區間。

23、三、一種計算機設備

24、所述設備包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執行所述計算機程序時實現所述一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法的步驟。

25、四、一種計算機可讀存儲介質

26、所述介質上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現任一項所述一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法的步驟。

27、五、一種計算機程序產品

28、所述產品包括計算機程序/指令，該計算機程序/指令被處理器執行時實現所述一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法的步驟。

29、本發明的有益效果是：

30、1）相比概率類方法，本發明借助區間分析方法，無需知悉環境參數的具體概率分布，而僅需確定環境信息的區間上下限（即海洋環境參數擾動區間)，能在不確定信息測量獲取不充分的實際應用場景下有效預測海洋起伏聲場；

31、2）本發明基于拋物方程水聲傳播理論，能高效地將擾動環境參數耦合在步進求解過程中，尤其適合預測距離依賴的實際海洋環境中的起伏聲場。

技術特征：

1.一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法，其特征在于，所述原始環境信息包括擾動區間形式的聲速場、地形和密度場。

3.根據權利要求1所述的一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法，其特征在于，所述區域柵格為二維柵格或者三維柵格。

4.根據權利要求1所述的一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法，其特征在于，所述步驟三具體為：

5.根據權利要求4所述的一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法，其特征在于，若當前區域柵格的環境信息為解析格式，則采用解析方法進行計算；若當前區域柵格的環境信息為數值格式，采用數值微分方法進行計算。

6.根據權利要求1所述的一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法，其特征在于，所述步驟四中，按照以下公式計算獲得當前區域柵格對應的聲壓起伏區間：

7.一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測裝置，其特征在于，包括：

8.一種計算機設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，其特征在于，所述處理器執行所述計算機程序時實現權利要求1至6中任一項所述一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法的步驟。

9.一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執行時實現權利要求1至6中任一項所述一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法的步驟。

10.一種計算機程序產品，包括計算機程序/指令，其特征在于，該計算機程序/指令被處理器執行時實現權利要求1至6中任一項所述一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法的步驟。

技術總結
本發明公開了一種基于拋物方程理論的海洋聲場起伏區間預測方法。本發明包括以下步驟：首先，獲取原始環境信息并確定海洋環境參數擾動區間；接著，結合海洋環境參數擾動區間，對存在擾動的海洋環境區域柵格化處理后，獲得區域柵格集合；以及確定起始的區域柵格；然后，根據當前區域柵格的環境信息計算當前區域柵格對應的區間擾動傳播矩陣；再結合前一區域柵格處的聲壓起伏區間和當前區域柵格對應的區間擾動傳播矩陣，計算當前區域柵格對應的聲壓起伏區間；依次遍歷處理區域柵格集合中的各區域柵格，獲得各區域柵格對應的聲壓起伏區間，從而獲得海洋聲場起伏區間。本發明基于拋物方程聲傳播及區間分析理論提出的方法可有效估計海洋聲場起伏區間。

技術研發人員：李建龍,方澤宇
受保護的技術使用者：浙江大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/10