基于集群的水声宽带波形预报系统设计与实现

　　引言

　　海洋环境是极其复杂的时变、空变的随机信道。若观察或处理时间不是过分长，则介质和边界都是时不变的，声源和接收器位置也是确定的，在这种情况下，水声信道可被看成相干多途信道[1]。由于信号在信道中传输产生多途效应，致使信号的相位和能量会发生变化，从而传统的从能量角度简单加减的方法已经无法满足复杂水声环境对水声装备探测效能影响仿真研究的需要。因此，建立水声环境效应信号级仿真系统是当前水声信息战研究的重要突破口。

　　信号级仿真模型的核心技术是水声宽带信号波形仿真，即通过结合环境模型和基础声学模型仿真出特定环境、特定态势下宽带接收信号波形，与后端传感器实际装备或其工程级仿真产品结合，在信号级的基础上，实现目标特性、水声传播信道和传感器装备的耦合，本文在水声宽带信号波形预报系统设计时，参照水下声信息传输过程，构建了系统的设计路线。

　　目前，制约水声宽带波形仿真应用的主要问题是宽带传播预报计算量较大，无法满足实时性要求，针对类似大规模科学工程计算问题，基于集群的并行计算技术是主要解决途径之一。水声宽带波形预报系统是基于曙光高性能并行计算平台进行开发研究的。

　　本文首先介绍基于波束位移射线简正波(BDRM)理论建立的频域宽带模型，在宽带模型计算过程中，引入宽带模型频域近似展开技术，提高模型计算速度;然后基于集群的高性能并行计算技术，对模型实现并行化，进一步实现快速准确的宽带信号波形预报;最后，以曙光高性能并行平台为开发平台，构建了基于集群的水声宽带波形预报系统，并对系统组成、体系结构和并行算法框架进行了分析和设计。

　　1 基于BDRM的频域宽带波形预报

　　1.1 基于BDRM的频域宽带模型

　　水声传播通常是从频域波动方程(赫姆霍兹方程)出发，求解的是某一频率的声压场。研究海洋波导中宽带信号的传播波形仿真问题，首先需要进行宽带传播模型的研究。宽带传播模型主要分为频域方法和时域方法两大类方法[2]，本文选用频域方法实现宽带传播建模。宽带信号的传播波形仿真可根据下式得到：

　　p(r , z , t)是接收点(r , z)t时刻接收到的信号波形，P(r,z,ω)是其频谱。S(ω)是信号源的频谱，其时域波形为s(t)， H(r,z,ω)是频域海洋信道传输函数，可采用任何一种频域传播模型得到。波束位移射线简正波(BDRM)理论[3,4]是一种十分有效的声场计算方法，对浅海和深海环境都具有较高的精度，较快的计算速度，所以本文基于 BDRM实现频域宽带建模。