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BELLHOP使用指南v2.2.pdf
第一章 BELLHOP模型理论原理
第二章 BELLHOP结构
一、输入文件
二、输出文件
第三章BELLHOP环境文件
一、TITLE
二、OPTION1
OPTIONS1(1)
OPTIONS1(2)
OPTIONS1(3)
OPTIONS1(4)
OPTIONS1(5)
三、OPTIONS2
OPTIONS2(1)
OPTIONS2(2)
四、OPTIONS3
OPTIONS3(1)
OPTIONS3(2)
OPTIONS3(3)
OPTIONS3(4)
OPTIONS3(5)
五、OPTIONS4
OPTIONS4(1)
OPTIONS4(2)
六、其他参数
第四章 BELLHOP（Matlab_GUI）实例一
一、准备工作
二、运行BELLHOP
三、配置水体环境参数
四、配置与代码不相关的传播参数
五、配置与代码相关的传播参数
六、运行计算模型
七、数据的处理及分析
八．BELLHOP画图工具选项
第五章 BELLHOP（Command版）实例二
一、设置运行环境
二、编辑环境文件
三、仿真和画图
声线图
传播损失
冲激响应
第六章 BELLHOP模型应用
输入波形验证
波形文件
声音文件
结论
二、BELLHOP模型与射线模型对比
传统射线理论模型
基于传统射线理论的N径确定性模型
三、仿真对比
声线图
冲激响应图
输入信号
卷积后波形
四、BELLHOP的特色
第七章 信道模型时变特性的改进
一、浅海水声信道时变多径模型的仿真与分析
1.广义平稳非相关散射信道（WSSUS信道）
2.射线模型的时变特性
3.BELLHOP的时变特性
二、小结
参考文献
2011-12-21
贾方坤
BELLHOP
使用指南
qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty
uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd
fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx
cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq
wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui
opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg
hjklzxcvbnmqwerpasdfghjklzxcvbnm
qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty
uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd
fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx
cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq
wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui
opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg
hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc
vbnmrtyuiopasdfghjklzxcvbnmqwert
yuiopasdfddghjklzxcvbnmqwertyuio
pasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfgh
V2.2
BELLHOP 使用指南 V2.2
修改记录
1. 修改 V2.1 版本中第六章波形文件的波形文件的验证图。
2. 修改 V2.1 版本中第三章的“其他参数”。
3. 增加第六章中 BELLHOP 与射线模型的对比。
4. 增加第七章中 BELLHOP 的时变特性的改进。
- 1 -
BELLHOP 使用指南 V2.2
注意事项
【1】本指南中所涉及相关参数的设置仅为仿真实例，不具有一般性。
【2】本指南仅使用 AcTUP（Acoustic Toolbox User-interface & Post-processor）
V2.2L 中的一个水声信道计算模型 BELLHOP，其他信道模型 Kraken，
KrakenC&Field 还在后续的学习和实验中继续深入了解。
【3】由于本人时间和水平有限，本文档仅供参考，如有错误请老师和同学们批评指正！
- 2 -
目 录
第一章 BELLHOP 模型理论原理 ......................................................................................... - 3 -
第二章 BELLHOP 结构 ......................................................................................................... - 5 -
一、输入文件 ................................................................................................................... - 5 -
二、输出文件 ................................................................................................................... - 6 -
第三章 BELLHOP 环境文件 .................................................................................................. - 8 -
一、TITLE .......................................................................................................................... - 8 -
二、OPTION1 .................................................................................................................... - 8 -
1. OPTIONS1(1) ........................................................................................................... - 8 -
2. OPTIONS1(2) ........................................................................................................... - 9 -
3. OPTIONS1(3) ........................................................................................................... - 9 -
4. OPTIONS1(4) ........................................................................................................... - 9 -
5. OPTIONS1(5) ........................................................................................................... - 9 -
三、OPTIONS2 ................................................................................................................ - 10 -
1. OPTIONS2(1) ......................................................................................................... - 10 -
2. OPTIONS2(2) ......................................................................................................... - 10 -
四、OPTIONS3 ................................................................................................................ - 11 -
1. OPTIONS3(1) ......................................................................................................... - 11 -
2. OPTIONS3(2) ......................................................................................................... - 11 -
3. OPTIONS3(3) ......................................................................................................... - 11 -
4. OPTIONS3(4) ......................................................................................................... - 12 -
5. OPTIONS3(5) ......................................................................................................... - 12 -
五、OPTIONS4 ................................................................................................................ - 12 -
1. OPTIONS4(1) ......................................................................................................... - 12 -
2. OPTIONS4(2) ......................................................................................................... - 12 -
六、其他参数 ................................................................................................................. - 13 -
第四章 BELLHOP（Matlab_GUI）实例一 ......................................................................... - 15 -
一、准备工作 ................................................................................................................. - 15 -
BELLHOP 使用指南 V2.2
二、运行 BELLHOP ......................................................................................................... - 15 -
三、配置水体环境参数 ................................................................................................. - 16 -
四、配置与代码不相关的传播参数 ............................................................................. - 24 -
五、配置与代码相关的传播参数 ................................................................................. - 25 -
六、运行计算模型 ......................................................................................................... - 28 -
七、数据的处理及分析 ................................................................................................. - 28 -
八．BELLHOP 画图工具选项 ......................................................................................... - 31 -
第五章 BELLHOP（Command 版）实例二 ....................................................................... - 33 -
一、设置运行环境 ......................................................................................................... - 33 -
二、编辑环境文件 ......................................................................................................... - 33 -
三、仿真和画图 ............................................................................................................. - 33 -
1. 声线图 .................................................................................................................. - 33 -
2. 传播损失 .............................................................................................................. - 35 -
3. 冲激响应 .............................................................................................................. - 35 -
第六章 BELLHOP 模型应用 ............................................................................................... - 37 -
一、 输入波形验证 .................................................................................................. - 37 -
1. 波形文件 .............................................................................................................. - 37 -
2. 声音文件 .............................................................................................................. - 41 -
3. 结论 ...................................................................................................................... - 42 -
二、BELLHOP 模型与射线模型对比 ............................................................................. - 42 -
1. 传统射线理论模型 .............................................................................................. - 42 -
2. 基于传统射线理论的 N 径确定性模型 ............................................................. - 43 -
三、仿真对比 ................................................................................................................. - 46 -
1. 声线图 .................................................................................................................. - 46 -
2. 冲激响应图 .......................................................................................................... - 47 -
3. 输入信号 .............................................................................................................. - 48 -
4. 卷积后波形 .......................................................................................................... - 48 -
四、BELLHOP 的特色 ..................................................................................................... - 49 -
第七章 BELLHOP 的改进 ................................................................................................... - 50 -
- 1 -
BELLHOP 使用指南 V2.2
参考文献 ............................................................................................................................. - 56 -
- 2 -
BELLHOP 使用指南 V2.2
第一章 BELLHOP 模型理论原理
BELLHOP 模型是通过高斯波束跟踪方法(Porter 和 Bueker，1987 年)，计算水平非均匀环
境中的声场。BELLHOP 模型是通过高斯波束跟踪方法，计算水平非均匀环境中的声场。高斯波
束跟踪方法对于高频水平变化问题特别有吸引力，这是简正波、波数积分和抛物线模型不可替
代的。高斯束射线跟踪法的基本思想是将高斯强度分布与每条声线联系起来，该声线为高斯声
束的中心声线,这些声线能较平滑的过渡到声影区，也能较平滑的穿过焦散线，所提供的结果
与全波动模型的结果更为一致。在频率范围为 600Hz-30kHz 时与实验数据及理论模型符合得
很好，被指定为美国海军预报海洋 10-100kHz 频带声传播的标准模型，而且它已获批准可用
于频率低至 600Hz 的军舰中。
BELLHOP 对决定声束宽度和曲率的两个微分方程与标准射线方程一起进行积分，就可计算
出声束内中心声线附近的声束场。高斯束射线跟踪给定源点的初始束宽和曲率，允许在离开声
源向外传播时增大和减小曲率，声束的演变过程由参数 p 和决定，波束宽度 P(s)和波束曲率
q(s)由下面的一对微分方程控制。
dq =
ds
spsc
)(
)(
(1-1)
dq
ds
−=
c
m
)(2
sc
sq
)(
(1-2)
其中 mc 是声速
src
),(
在声线路径法线方向上的二阶导数，可写为
c
m
=
c
rr
(
=
Nc
rr
(
r
)(
dr
dn
2
)
2
)
+
c
2
(
rz
+
Nc
2
rz
(
)(
dr
dn
)(
r
)(
dz
dn
N
z
)(
zz
(
dz
dn
Nc
(
zz
)
+
c
)
+
2
)
(1-3)
2
)
z
)(
其中
(
N
r N
)(
)(
z
)(
)
是单位法线，可写为
(
N
r
)(
)(
N
z
)(
)
=
(
)
=
sc
(
dz
ds
,
−
dr
ds
(
)[
ρζ −
),
s
(
s
)]
(1-4)
因此波束可以定义为
nsu
),(
=
scA
)(
rq
s
)(
exp(
iw
−
[5.0)({
τ
+
s
2nsqsp
/)(
)]
(
})
(1-5)
其中 A 是任意常数， n 是垂直与主声线的距离，ω是声源的角频率。
- 3 -
BELLHOP 使用指南 V2.2
为使上述方程具有能量以中心声线为中心的声束形式，选择 p 和 q 为复数。这样， qp / 的
实部和虚部就可通过下式与束宽 )(sL 和曲率 )(sK 联系起来：
sL
)(
ω−=
/{2
Im[
sp
)(
sq
)(
]}
(1-6)
sK
)(
−=
sc
)(
Re[
sp
)(
sq
)(
]
(1-7)
其中，波束半径 )(sL 是离开主声线的波束幅度是其最大值的 e/1 时的法向距离。于是，(1-5)
和(1-6)就可以简单地用代表初始波束半径和曲率的复数初始条件求解。
最后，把所有声束加起来，求得复合声压。各个声束的加权按照均匀介质中的标准点源问
题确定。对于点源，声束的相应加权为：
sA
)(
=
式中δα是声束之间的夹角。
δα
)1(
c
0
sq
)(
cos
αω
2
π
exp(
i
π
)
4
(8)
BELLHOP程序采用四阶龙格-库塔法求解这类初值问题,用这种方法求解射线方程存在两个
主要问题。首先，声速剖面的简单解析形式不容易得到，一般只能得到采样数据，对数据的内
插会导致计算误差，这种误差比数值积分方法本身带来的误差更严重。其次，当海底边界不规
则时，射线到达并从边界反射，对射线进行积分的过程中段再开始的这一处理过程会变得十分
复杂。
BELLHOP 利用高斯波束跟踪方法代替几何波束跟踪方法是该模型与传统射线模型的主要
区别。它克服传统射线模型中声影区强度为 0 和焦散线截面为 0 处声强度为无穷大的缺陷。缺
点：确定性模型，不能反映系统的时变特性，不能处理水平变化的声速问题。
目前 BELLHOP 可以用 Fortran、MATLAB 和 Python 实现，并可以用于（MAC，Windows 和
Linux）的多种平台。我们在 BELLHOP（MATLAB GUI）中输入海洋环境参数：信道几何结构、
声速剖面、海底地形、界面反射损失等得出多径的数目 N，入射角、幅度和延时，进而可以给
出系统的冲激响应，从而可以在后续的信道建模的修正及信道估计领域应用提供有效的参照。
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