小内存系统下声纳作用距离快速预报软件设计与实现
摘要
声纳作为海洋环境中一种重要的监测设备，在各个领域都发挥着重要作用，在对水
下目标进行探测、识别过程中，声纳作用距离预报的速度是评价性能的一项重要参考指
标。以往很多研究人员已经通过并行手段来提高预报速度，利用OpenMP，但该方法在
集群情况下应用优势不明显，利用MPI进行并行算法编程，它适用于集群，但是模型的
编程结构复杂，程序不稳定。传统的声学模型Bellhop的功能模块已打包完成，不利于
实际工作时进行参数调整，且大部分声纳探测设备或上位机不支持Matlab等软件运行，
而C++更方便开发者修改其内部算法，且操作简单，兼容性高，能在更简单的硬件设备
上实现更好的功能，因此本文基于射线模型和简正波模型，利用C++，设计了一款在稳
定且内存较小的硬件平台上，能够快速预报声纳作用距离和声场信号分析的声纳作用距
离快速预报模软件。
射线声学理论具有计算速度快，适用范围广的优点，考虑到实际应用范围，本文选
择射线声学理论作为模型的主要应用方法，首先利用高斯射线追踪方法追踪一定开角下
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声线的传播轨迹，将给定的海深和最远距离划分成深度距离网格，利用高斯波束法求
解步进点对网格点声压值和传播损失值的影响。在散射模型中利用小斜率近似理论，将
海底参数和界面粗起伏包含在内，计算收发合置单基地混响和收发分置双基地混响。为
实现同一参数条件下的实时对比，同时利用简正波理论计算传播损失。利用声线到达结
构，将频域的传播损失和时域的混响统一起来，计算得到声纳作用距离。
本文对各模块的运行时间进行统计对比，因射线追踪模块耗时最多，所以对声线追
踪条数进行优化，通过适当减少声线条数来降低运行时间。在减少声线条数过程中必然
会导致预报结果准确率的降低，通过对比追踪不同声线条数的预报结果，保证在合适的
误差范围的同时减少声线条数，最终选择360条声线进行轨迹追踪。为了尽可能地提高
运算速度，本文还对程序结构做出优化。
最终，本文设计的基于C++语言的声纳作用距离快速预报模型能够在Window系统
VxWorks501
和系统上稳定运行，个声源深度下预报时间在分钟以内，运行内存在
100MB以内。
关键词：高斯射线追踪；简正波；传播损失；声纳作用距离快速预报
小内存系统下声纳作用距离快速预报软件设计与实现
ABSTRACT
AsanimportantmonitoringequipmentinMarineenvironment,sonarplaysanimportant
roleinvariousfields.Intheprocessofdetectingandidentifyingunderwatertargets,thespeed
ofsonaractionrangepredictionisanimportantreferenceindextoevaluatetheperformance.
Inthepast,manyresearchershaveusedparallelmeanstoimprovethepredictionspeed,using
OpenMP,butthismethodhasnoobviousadvantagesinthecaseofclusters.MPIisusedfor
parallelalgorithmprogramming,whichissuitableforclusters,buttheprogrammingstructure
ofthemodeliscomplexandtheprogramisunstable.Thefunctionmodulesofthetraditional
acousticmodelBellhophavebeenpackaged,whichisnotconduci