JP7116852B1 - 並列結合海洋音響予測システム及び操作方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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、
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。
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。
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。
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。
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。
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 (3)
- 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、海洋音響結合モジュール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、海洋モデルと音響モデルの組み合わせに基づいて、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、海洋音響結合モジュールへ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し、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し、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、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、上記3つのタイプの音場計算でマルチプロセスの並列計算を行い、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させ、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させ、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。
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