一种基于有穷状态自动机的二维浅海声线追踪方法

    0 引言

    浅海中的两点声线追踪应用在匹配场层析浅海海洋环境参数和对目标进行跟踪定位等领域中。如何快速地找出两点的多途声线路径和本征声线是声线追踪的关键,因此,研究浅海的多途声线传播路径方法具有重要的现实意义。

    对于声线追踪课题,国内外学者做了大量研究。Yamamoto和姜薇在研究声线追踪问题时,引入等腰三角形微元求得单步声线路径,通过多次追踪等腰三角形微元得出声线的路径[1-2],这种方法不能够处理复杂的浅海声线追踪问题。在地震勘探领域中,声线追踪方法主要有试射法[3]、弯曲法[4]、网格剖分法[5]等方法,这些方法都是对介质进行网格化,求取网格节点解或者求解网格内的声线路径。对于浅海两点的声线追踪课题,需要考虑海底和海面的存在而引起的声线的多次反射问题、声线的折射问题和全反射问题,上述的声线追踪方法不能很好地解决这一课题。浅海的声线跟踪内在的状态转移特性更适合于用有穷状态自动机(FA)来描述,生成的FA模型可以很好地解决浅海声线追踪课题。本文给出了浅海声线传播内在的状态及其转移的分析,并对基于FA建模的过程进行描述,给出了完整的模型及数值模拟实验。仿真实验结果表明这种方法对复杂的浅海具有很好的适应性,精度可以根据计算步长和计算机位数设定,能够满足课题的要求。

    1 问题的描述[6]

    已知浅海中的两点发射器A与水听器B,如图1所示。两点的深度为zA和zB,两点的水平距离为H,发射角为H.在已知声速剖面时,对于不同的发射角H,求出声线由A到B的多途路径、传播的总时间和本征声线。

    2 有穷状态自动机

    FA是一种用来进行对象行为建模的工具,其作用主要是描述对象在它的生命周期内所经历的状态序列,以及如何响应来自外界的各种事件。在面向对象的软件系统中,一个对象无论多么简单或者多么复杂,都必然会经历一个从开始创建到最终消亡的完整过程,这通常被称为对象的生命周期。一般说来,对象在其生命期内是不可能完全孤立的,它必须通过发送消息来影响其它对象,或者通过接受消息来改变自身。FA的几个概念如下。

    1)状态。指的是对象在其生命周期中的一种状况,处于某个特定状态中的对象必然会满足某些条件、执行某些动作或者是等待某些事件。

    2)事件。指的是在时间和空间上占有一定位置,并且对状态机来讲是有意义的那些事件。事件通常会引起状态的变迁,促使状态机从一种状态切换到另一种状态。

    3)转换。指的是两个状态之间的一种关系,表明对象将在第一个状态中执行一定的动作,并将在某个事件发生同时某个特定条件满足时进入第二个状态。