浅海目标大规模宽频散射声场计算的快速边界元法研究

Fast and accurate prediction of the large-scale acoustic scattering fields of crucial targets,such as large underwater vehicles in the shallow water has important strategic significance and scientific value for recognizing underwater targets,anti-stealth.However conventional computational acoustic method about shallow water is prohibitively expensive for the large-scale problems of complex targets.In order to improve the computational effeciency of prediction method,this project plans to use the lagre complex targets in the shallow water as research object,and develop a fast prediction model for the acoustic scattering fields of targets considered the seabed impedance condition of shallow water.By introducing the fast multipole method into the conventional boundary element method, this project presents a new fast multipole boundary element method for predicting large-scale wideband scattering fields of complex targets in the shallow water.Then the benchmark numerical examples with analytic solutions are used to validate the accuracy of the new algorithm.The project further investigates the relationships between the computational accuracy, effeciency and some important algorithm parameters,such as the degreed of freedoms,frequency, and overall optimizes the performances of the algorithm. Furthermore through testing the different parameters of shallow water, such as waveguide thickness, wedge angle,seabed impetance, the project overall demonstrates the efficiency of the algorithm for predicting the large-scale scattering fields of complex targets,and accurately explores the mechanism of acoustic scattering characteristics distribution of the complex targets in the shallow water. The study of this project will provide the fundamental theory and technical support to recognize the large crucial targets in the shallow water, and obtain important research achievements which reach international leading level.

在浅海中对大型水下航行器等关键目标的大规模散射声场进行快速、准确预报，对于水下目标识别、反隐身等领域具有十分重要的战略意义和科学价值。但传统的浅海声学预报方法无法满足这类目标的大规模声学计算要求。本课题拟以浅海域大型复杂目标为研究对象，以提高预报方法的计算效率为目的，建立综合考虑浅海阻抗边界特征的目标散射声场快速预报模型。通过在传统边界元法中引入快速多极方法，建立一种适合预报浅海目标大规模宽频散射声场的新型快速多极边界元算法模型。利用具有理论解析解的标准算例验证算法的准确性，分析自由度数、频率等主要参数与计算精度和效率的关系，全面优化算法的性能；通过分析不同的浅海环境参数，如波导厚度、楔形坡度、海底阻抗等，全面验证算法预报复杂目标大规模散射声场的有效性，确定目标在浅海中的声散射特性分布规律。本项目的研究将为浅海域大型关键目标识别提供理论和技术支撑，取得具有国际领先水平的研究成果。

海域目标的声学特性研究是水声工程的基础性课题，它对于水中目标识别、精确声制导、反隐身及海洋开发等领域具有十分重要的战略意义和科学价值。边界元法广泛用于水下目标的声学计算。如今海域目标声学仿真向着高精度、宽频带、大尺度、结构复杂的趋势发展，如潜艇散射声场预报，需要快速对这类模型进行大规模声学计算，传统的边界元法面临严峻挑战，计算能力成为制约边界元法在海域大规模声学的应用技术瓶颈。因此，本项目针对现有边界元计算方法存在的技术瓶颈，研究新型的快速多极边界元计算方法准确预报海域目标的大规模声学问题，具有重要的军事应用价值。. 基于边Burton-Miller公式，将快速多极边界元计算方法引入到深海域的边界元模型。新算法不仅有效克服了传统边界元法求解外部声时遭遇的非唯一解问题，而且还避免了计算超奇异及强奇异积分的困难。由于在快速多极边界元法中引入基本解的对角形式多极及局部扩展，全面加速了矩阵与向量的乘积过程。此外，快速多极边界元法采用GMRES求解器和稀疏近似求逆预处理技术迭代求解线性方程系统，进一步加快了算法的求解效率。数值算例验证了快速多极边界元法的准确性和高效性，证明了本项目发展的算法具有O(N)量级的计算效率，比传统边界元法的计算效率有数量级的提高。水下大型潜艇的辐射噪声预测算例进一步表明快速多极边界元法的优越性，可以有效处理深海域或深水中全空间复杂目标的大规模声学计算问题,为浅海域、半空间海域的快速计算方法研究提供基础。. 基于深海域全空间快速多极边界元算法，提出一种半空间及浅海域快速多极边界元方法计算大规模声学问题。详细推导了快速多极边界元方法的计算公式及计算程序，以及多极、局部扩展系数的处理方法。通过标准数值算例验证了算法的计算准确性及计算效率；水下航行器噪声辐射算例表明了发展的算法非常适合处理大规模半空间及浅海域声学仿真问题。 . 本项目对海域声学快速多极边界元方法的基础理论及应用进行了深入的研究，结果表明发展的方法能够有效求解海域大规模声学问题，具有重要的学术研究价值及广阔的工程应用前景。