随机动态声速重构方法研究

笪良龙，李韦华，韩 梅，程艳合

(海军潜艇学院，山东 青岛 266071)

随机动态声速重构方法研究

笪良龙，李韦华，韩 梅，程艳合

(海军潜艇学院，山东 青岛 266071)

海洋环境对声传播具有重要的影响，海洋温度、盐度、压力决定声速的大小，研究随机动态声速剖面的最优重构可以为声场模型的计算提供良好的基础，为舰艇行动提供最优的辅助决策。然而声速剖面的重构却是一个复杂的过程，涉及到大量的时空分布不规则的数据的计算和处理，提取出合理的时空间系数能够提高声速重构的精度。实验证明，利用合理的时空分辨率，从海洋环境数据库中选取数据可以提高海洋声速剖面重构的精度。

声速；重构；海洋环境；精度

我国周边海域受到风浪、季节变化等的影响，海水的温度变化较快，而温度是影响海水声速的重要因素，海水声速的细微变化对声纳作用距离、汇聚区的大小影响重大，因此，对海水声速的快速重构直接影响着海军作战的决策效率。事实上，人们也在对海水声速(或水温、盐度、密度等)进行大量的测试和分析，并试图寻求对海水声速的变化规律进行数学描述，建立足够完备的海洋水文数据库系统。现实的海洋声速场是时间和空间的函数，即使是间距很近的两个海区或同一海区的不同时间内，其声速场(尤其是海面下的温跃层)也可能存在较大的差异。因此，要建立这样的数据库，其容量会是十分可观的，也是很难做到的，而有效地对声速场变化特征进行数学描述，并减少数据库的数据量，是十分必要的。根据我国现有的水声数据库，需要建立一个适合于我国周边海域使用的声速剖面重构系统，通过对这些海域的水声数据进行试验，找出重构不同位置点的最优的时空分布是十分重要的。但以往海军作战使用的声速数据都是基于月平均或季节平均的资料，掩盖了某些实时的海洋环境信息，对指挥官的决策起到了误导作用，随着海军信息化作战的精确打击的要求，建立以实测资料为基础的海洋声速重构系统迫在眉睫。D.N.Fox[1]等将改进后的经验正交函数的方法融入到美国海军MODAS数据同化系统中，实现剖面延拓、预报，具有良好的效果。彭临慧[2]等也将该方法应用于深海，进行深海声速剖面的预报。魏亮[3]等则采用该方法成功地对中国近海某点实现了预报，预报结果非常理想。在利用改进型经验正交函数算法的基础上，结合1911—2008年存有的数据库，实现了随机动态的声速剖面的预报，并对中国近海的两个ARGO数据点进行了预报，与ARGO实测数据和月平均资料进行了对比，有效地提高了声速剖面的预报精度。

1 随机动态声速重构的基本原理

1.1 改进型经验正交函数算法

若研究的海洋环境因子为声速，假设在某个海域有N个已知的声速剖面样本，每个剖面有k+1层，则这些对应的声速剖面可表示成矩阵形式为：

改进型经验正交函数则是指原始声速矩阵C在深度m与深度n上的协方差矩阵，其组成元素ri,m,n：

式中：σTi,mσTi,n由（3）式确定：

式中：bi,j（m,n）是位置点 i和 j之间的相关性系数。依据特征值绝对值大小由大到小选出较大绝对值所对应的特征向量，用绝对值最大的三个特征值对应特征向量ek作为EOF分解的空间函数，得到合成剖面如式（5）：

式中：αj为特征向量ek的权值，即EOF分解的时间函数，采用最简单的使用与预报点相关系数最大的完整声速剖面拟合出时间函数作为αj的值。

1.2 数据选取的原则

海洋环境数据库中的温度、盐度、密度、深度、声速这些量的分布都是由各个剖面的测点编号唯一决定的，每个剖面的测点编号中包含了所给剖面的经纬度、时间的信息，对数据进行选取时可以按照测点编号进行选取，对经纬度和时间的范围进行规定，采用该区域的时空分辨率对数据进行筛选，有效地提高声速剖面重构的精度。对于数据时空的自相关函数可以用式（6）表示：

式中：Δxij，Δyij，Δtij分别表示不同位置点间的东西方向、南北方向和时间的分离值。而Ak，Bk，Ck表示在不同位置层的东西方向、南北方向和时间的去相关尺度，这三个参数因海域不同而不同，它反映出海洋现象的变化范围，相关尺度计算的越好，数据选取的范围就会近似，计算结果就越精确[4]。根据我国近海各个海底地形地貌选取合适的时空间尺度，有效提高声速精度。

2 重构使用的数据资料

声速重构系统使用的资料来源于1911—2008年的包括CTD资料、南森数据、ARGO数据构成的实测海洋环境数据库，用于对比的数据来自于2009年的ARGO数据，以及30'×30'的月平均资料。

3 重构系统模块设计与实现

3.1 重构系统的流程与结构

系统的控制模块主要分为参数的设定、数据库的检索、声速剖面的筛选、算法的运行、结果可视化实现。

整个系统软件的实现的流程图可如图所示，系统软件是采用C++Builder设计的，并连接到存有海洋环境信息的数据库中，主要包括温度、盐度、声速、深度。在编程实现从数据库中查询的合适的数据时，对以下几个条件进行了设定：

⑴时间、空间的范围和向外搜索的时空分辨率由各个海区决定。

⑵对各个剖面的深度进行筛选，由于中国近海是大陆坡地形，水深的变化明显，根据要求选取合适的深度的数据进行重构非常必要。

⑶已选取各个剖面的最大测量深度不一致，必须对各个剖面的最小深度进行计算，便于数据的网格化。

软件设计的具体流程和基本结构可见图1、图2。

图1 重构系统的流程图

图2 重构系统操作过程图

3.2 系统仿真的结果

为检验系统计算结果的效能，选取中国台湾以东海域具有ARGO实测数据点的位置进行了声速剖面的重构。选取的位置点共2个，第一个剖面的位置点为 φ121.626°，λ21.863°，第二个位置点为 φ125.65°，λ24.578°，该位置点的ARGO数据的时间分别是2009年10月16日和2009年10月28日，具体位置见图3。

图3 选取位置点的地图

采用声速重构方法构造的两个位置点的声速剖面及与AGRO实测数据的比较如图4～图7所示。从图4、图5中可以看到，使用该重构系统构造的声速剖面对ARGO实测数据的拟合比月平均资料要好，但在跃层位置处对声速的重构不够好，这可能主要是由于黑潮的影响，使得重构出的剖面最大误差约为6 m/s。

图4 第一个位置点声速剖面图

图5 第一个位置点两种声速与ARGO的差值

从图6、图7中可以看到，第二个位置点用重构系统对声速剖面的重构比月平均资料的拟合好很多，在此位置处各种海洋现象影响较小，对剖面的重构起到了较好的作用，最大误差不超过4 m/s。

图6 第二个位置点声速剖面图

图7 第二个位置点两种声速与ARGO的差值

4 结论

通过对随机动态声速重构系统的研究，可以得到以下两点结论：

⑴使用该系统可以随机地对中国近海任意一点的声速进行重构，得到的结果比较好；

⑵通过对时空范围最优的选取，可以较好地选取数据，提高声速重构的精度。

[1]Fox D N,Teague W J,Barron C N,et al.The Modular Ocean Data Assimilation System(MODAS)[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2002,19（2）:240-252.

[2]Peng L,Wang L,Qiu X F.Modal wave number tomography for South China Sea front[J].China Ocean Engineering，2003,17(2):289-294.

[3]韩梅，魏亮，周艳霞.改进型经验正交函数海洋声速剖面预报方法[J].海洋科学，2009（1）:235-239.

[4]Chu P C,Gui W,Chen Y C.Japan Sea thermohaline structure and circulation[J].American Meteorological Society,2002,32:3596-3615.

Research on Stochastic and Dynamic Sound Speed Reconstruction System

DA Liang-long,LI Wei-hua,HAN Mei,CHENG Yan-He
(Navy Submarine Academy,Qingdao Shandong 266071,China)

Ocean environment has an important effect on the sound propagation.Temperature,salinity,pressure determine the sound profile.The research of stochastic and dynamic sound speed reconstruction can offer foundation for the computation of sound field and an optimize decision for the action of warship.But the reconstruction of sound profile is a complex process,including substantial data computing and processing that distributes in time and space anomalistically.Getting logical coefficient of time and space,the precision of sound profile will increase.Experiment proves that logical resolving power of time and space will increase the precision of sound profile.

sound speed;reconstruction;ocean environment;precision

P733

A

1003-2029（2011）03-0056-04

2011-04-11

总装预研基金资助项目（9140A22050810JB1502）

笪良龙(1967-)，男，安徽桐城人，教授，主要研究领域为水声环境效应技术。