成果速递
RESEARCH PROGRESS
高效率、高精度的水下声传播场预报对水下目标探测与航行器的航路规划等水下作战应用具有重要意义。传统的数值计算模型计算复杂度高，使其不适用于深海复杂环境条件下的快速预测。近日，海洋声学信息感知团队在美国声学学报The Journal of the Acoustical Society of America上发表的《Physics-based and data-driven joint approach for low-frequency underwater acoustic field prediction》一文（2026年159卷第4期：3217-3235，作者：冯肖、陈铖、杨坤德），论文提出了一种物理机理与数据联合驱动的水下低频声传播场预测方法，为低频声传播场预测提供了新的预测框架，将物理计算嵌入神经网络的前向传播过程，通过消融试验证明了该方法的先进性和可靠性。以耦合简正波作为标签解，在浅海和深海上坡的理想地形场景中，声传播场平均预测误差分别为0.96dB和1.34dB，在深海复杂的真实地形场景中，误差为3.97dB。相比纯数据驱动的神经网络框架预测结果，精度改善约1dB。
该项研究的突破性进展主要体现在三个层面：
1.基于自编码网络，建立了地形特征提取与降维方法，并评估了解码器重构地形数据的精度。相比传统的主成分分析(PCA)降维与地形重建方法，在特征维数收敛之前，本研究所提方法始终保持较高的重建精度。研究团队深入分析了每一维地形特征与地形物理参数（平均深度、均方根水深、最大水深差和平均坡度）之间的相关系数，证实了自编码器学习到了具有明确物理意义的、可分离的地形表征。
2.设计并搭建了融合物理机理的声传播场预测模型，以声源深度与编码器生成的地形特征作为输入数据，利用神经网络实现不同距离处模态系数的预测，进而结合预存的模态函数利用简正波求解理论实现声传播场的初步计算，最后通过残差网络实现声传播场的校正和预测。该方法将简正波累加求和的过程嵌入神经网络前向传播过程中，提高了声传播场的预测精度。
3.相比耦合简正波计算模态系数的效率，本研究所提神经网络方法在计算模态系数与声传播场方面均有显著优势。
该研究为基于深度学习的声传播场预测方面提供了新的思路，除了将物理约束作为损失函数融合到神经网络的方式，本研究通过消融试验证明了将物理计算嵌入神经网络前向传播过程可以有效的提高声传播场预测精度，同时证明了神经网络较高的计算效率。
图1 所提神经网络方法的具体框架
图2 深海复杂地形的特征提取结果(a)特征阶数收敛性分析；(b)地形数据重建误差统计结果；(c)和(d)为其中两个地形数据的重建结果。
图3 自编码所提地形特征与实际地形物理参数间的相关性
图4 深海上坡理想场景条件下所提模型的声传播场预测对比结果。从左到右依次是本研究方法、纯数据驱动方法与标签解。从上到下依次是其中两种地形对应的预测结果。
图5 接收深度300m位置处的声传播场预测对比结果。(a)与(b)分别为其中两种地形对应的预测结果；(c)在测试集样本上，随传播距离的平均预测误差变化。
图6 深海真实的复杂地形场景条件下所提模型的声传播场预测结果。从左到右依次是本研究方法、纯数据驱动方法与标签解。从上到下依次是三种代表地形(平坦、上坡和海底山)的预测结果。
图7 接收深度300m位置处的声传播场预测对比结果
团队介绍
TEAM INTRODUCTION
海洋声学信息感知团队长期从事水声物理、声场特性等方面的研究，致力于解决深海范围内声场建模、空间相干性与声场预报等科学问题。在声场特性研究方面，团队揭示了深海范围内声传播场、噪声场与混响场的时空演变规律，分析了多种复杂与极端条件下的声场特性，实现了基于物理模型与数据驱动的声场特性预报方法，为水下装备的航路规划、目标探测等实际应用提供了坚实的物理基础。
作者介绍
AUTHOR INTRODUCTION
冯肖（第一作者），西北工业大学航海学院博士生，师从杨坤德教授。主要从事深海声传播场不确定性与声源稳健定位方面的研究。具体包括深海环境场预测与不确定性建模、基于数据与物理机理联合驱动的声传播场预测方法以及深海不确定条件下声源稳健定位方法三个核心方向。目前以第一作者身份在JASA、Ocean Engineering等高水平期刊上发表SCI论文3篇，会议论文2篇，获授权专利3项，入选2025年中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划，作为骨干成员参与了多项国家级科研项目。
杨坤德（通讯作者），西北工业大学教授，海洋研究院院长，海洋声学信息感知首批工信部重点实验室主任，中国科学院院士。他长期从事水声物理、水声信号与信息处理、水声系统设计、海上超视距高速传输等方向的基础和应用研究。主持国家重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学重点基金、探索一代重大创新等课题50余项，担任国家重大专项海洋声学调查7个航次首席科学家。以排名第1获国家技术发明奖二等奖、第三届全国创新争先奖、教育部科学技术一等奖和二等奖、部级科学技术一等奖和二等奖、陕西省科学技术二等奖等共7项，发表SCI论文210余篇，授权发明专利110余项，出版专著教材8部。2025年当选中国科学院院士。
陈铖（第二作者），西北工业大学副教授，主持国家自然科学基金面上项目、重大/重点项目课题等国家级项目8项，获得全国船舶与海洋工程学科优秀博士论文，陕西省高校科学技术一等奖（排第3），以第一和通讯作者发表SCI论文10余篇，出版专著1部，授权国家发明专利10余项。
撰稿：冯 肖
责编：杨 帆
审核：史文涛
信息来源:西北工业大学海洋研究院。
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