聶東虎，喬鋼，朱知萌，張 鍇

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水下蛙人主被動探測實驗研究

聶東虎1,2，喬鋼1,2，朱知萌1,2，張 鍇3

(1. 哈爾濱工程大學水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001；2. 哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱150001； 3. 中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安 710068)

為了對抗來自水下的“非對稱”威脅小目標，以攜帶開放式呼吸器的蛙人作為研究對象，對蛙人的肺部組織、氧氣瓶和呼吸產(chǎn)生的氣泡的目標強度進行了仿真和實驗研究，并測量了不同姿態(tài)蛙人的目標強度，分別給出了水池和湖中的測量結(jié)果；根據(jù)水池和松花湖測量數(shù)據(jù)，對呼吸聲和呼吸器減壓閥等輻射源噪聲的時頻特性進行了分析，并給出了蛙人呼吸聲聲源級估計的結(jié)果。

蛙人探測；聲輻射特性；目標強度；聲源級；呼吸特征

0 引言

水下蛙人探測是非傳統(tǒng)安全保障領(lǐng)域重要的新的研究方向，是當前國內(nèi)外小目標探測聲吶發(fā)展的重點和難點，對港口、大型艦船、濱海娛樂場所和海上石油鉆井平臺等重點水域安保和防御具有重要意義。在港口等重要水域布放聲學傳感器，將水聲作為信息的載體，對入侵目標進行探測、定位和識別是目前對抗來自水下蛙人的“非對稱”威脅的最主要手段，可用被動和主動兩種方式進行探測。

主動探測方面，國外已經(jīng)有多家公司研制并投入使用了部分先進的專用蛙人探測聲吶系統(tǒng)對重點水域進行防護和監(jiān)控。國內(nèi)近年來也加大了這方面的研究力度，并取得了一定的進展。但由于技術(shù)敏感等因素，公開的有價值數(shù)據(jù)很少。其中有代表性的有：國外，Sarangapani[1]使用傅里葉映射方法，建立了蛙人目標強度的模型，即目標強度是入射波方向和頻率的復(fù)雜函數(shù)；Hollet[2]給出了發(fā)射信號為100 kHz時，攜帶閉式呼吸器的蛙人目標強度為-20~-25 dB，攜帶開放式呼吸器的蛙人目標強度約-15 dB。Zampolli[3]用軟殼柱狀空氣腔及硬殼柱狀空氣腔來模擬蛙人肺、內(nèi)臟組織和鋼質(zhì)的呼吸器殼，并給出了隨頻率變化的向前和向后散射的目標強度。國內(nèi)，姜衛(wèi)[4]等人利用比較法測量了動物肺部組織的目標強度，在2040 kHz頻段內(nèi)平均為-25.3 dB；張波[5,6]等人研究了影響蛙人目標強度的主要因素，通過理論建模和實驗測量研究了蛙人身體和各種潛水裝備的回波機理，其中蛙人呼吸產(chǎn)生的氣泡群對回波的貢獻最大，另外相對潛水裝備，蛙人身體對回波的貢獻很小。

被動探測主要利用蛙人的輻射噪聲(呼吸聲、呼吸器減壓閥和呼出氣泡破裂聲等)進行探測。具有隱蔽性好的優(yōu)點，且輻射噪聲攜帶目標的特征信息，可用于目標識別。但由于目標輻射噪聲功率很低，可探測距離有限，當工作在港口等噪聲環(huán)境時的探測性能下降。盡管如此，它仍然是主動探測受限情況下的替代，例如強混響環(huán)境或避免發(fā)射信號的場所等。美國斯蒂文森理工學院和荷蘭的防御應(yīng)用科學研究院是最主要的研究力量，通過實驗研究了蛙人輻射噪聲特征[7-13]，并分別研制了水下被動監(jiān)測系統(tǒng)SPADES和Delphinus system，后者最遠探測距離可達350 m。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，以攜帶開放式呼吸器的蛙人作為研究對象，對蛙人的目標輻射噪聲特性和聲散射特性進行研究，給出了仿真和湖試的結(jié)果。

1 蛙人目標強度仿真與測量

1.1 肺部組織建模與仿真

肺是蛙人散射的重要來源，用一個聲學軟球體來模擬人的肺部組織，目標強度計算公式為[1-4]

式中，表示軟球體的半徑。一個人的肺部組織體積大約為3~4 L，取3.5 L計算得到的目標強度為-26.5 dB。

1.2 氧氣瓶建模與仿真

除肺部組織以外，蛙人的潛水服、氧氣瓶也是重要的散射源。用剛性圓柱來模擬氧氣瓶，目標強度計算公式如下[1]：

其中：是圓柱體長度；是圓柱體的半徑，單位為m；是波數(shù)，聲波入射方向與法線成角，且滿足遠場>2/和>>1的條件。

在固定頻率、不同入射角的情況下對剛性圓柱的目標強度進行了仿真，目標強度隨入射角變化的坐標圖如圖1所示。其中入射頻率=40 kHz，聲速=1500 m/s，長=0.4 m，半徑=0.06 m。從圖中可以看出，在入射角較小時(相當圓柱法線方向)目標強度值在-10 dB附近。

固定入射角、不同頻率的情況下對剛性圓柱的目標強度進行了仿真，其中，入射頻率=20~60 kHz，聲速=1500 m/s，長=0.4 m，半徑=0.06 m，入射角分別為1°、5°、10°。仿真結(jié)果如圖2所示，入射角為1°時，目標強度隨頻率提高而緩慢增大，入射角為5°和10°時，目標強度隨頻率變化具有較大的起伏。造成這種現(xiàn)象的原因為：在目標尺寸固定條件下，入射聲波在圓柱法線附近時，目標強度與入射波的波長的對數(shù)成反比關(guān)系，因此隨聲波頻率提高而增大；當入射角變大時，目標強度不僅與入射波波長有關(guān)，還和入射角有關(guān)，由式(2)可知，目標對入射波的調(diào)制作用引起目標強度的起伏振蕩。

1.3 目標強度測量

目標強度的測量一般采用兩種方法：直接法和比較法。直接法是用標準水聽器接收直達聲信號和目標回波信號的電壓值，根據(jù)球面波的傳播理論進行計算：

采用比較法測量目標的目標強度公式為

式中：U為目標回波的電壓有效值；U為標準球回波的電壓有效值；TS為標準球的目標強度，可根據(jù)式(1)計算。

1.4 目標強度的水池和湖試結(jié)果

1.4.1豬肺目標強度測量

用充氣的豬肺模擬人體肺部，在水池中用比較法測量其目標強度，標準目標球半徑分別為1= 5.65 cm，2=7.95 cm(見圖3)，用式(4)可計算得到它們的目標強度分別為-30.98 dB和-28.01 dB。發(fā)射換能器有較窄的指向性，接收水聽器為標準水聽器B&K8104，靈敏度為-207 dB。

以信號頻率為中心頻點，前后5 kHz帶寬進行帶通濾波，濾波器采用7階巴特沃斯帶通濾波器。用比較法測得豬肺的目標強度隨頻率變化的曲線如圖4所示。在整個的頻段范圍內(nèi)豬肺的目標強度平均值為-30.3 dB，與仿真值-26.5 dB較接近。

1.4.2 模擬氧氣瓶的目標強度測量

用一個型號為MFX/ABC4、直徑和高度分別為14 cm和47 cm的干粉滅火器模擬氧氣瓶，進行水池實驗。測得滅火器目標強度隨頻率變化曲線如圖5所示，在整個頻段范圍內(nèi)平均值為-16.6 dB，圖中紅色曲線表示入射角為1°時剛性圓柱目標強度隨頻率變化的仿真值。由于實驗時入射聲波不是嚴格在法線附近，因此回波強度的測量值產(chǎn)生了起伏。

1.4.3 蛙人目標強度的湖試結(jié)果

2009年9月在松花湖進行了蛙人目標探測的湖上實驗，其中目標強度采用直接法進行測量。

蛙人身高約為175 cm，體重約80 kg。發(fā)射換能器、標準水聽器、蛙人同位于水下6 m處，并保持在一條直線上，標準水聽器位于發(fā)射換能器和蛙人之間，發(fā)射換能器距標準水聽器1 m，標準水聽器距蛙人3.5 m。在蛙人下潛的位置前后用鉛魚墜兩根繩，繩子每隔1 m打一個結(jié)，作為距離標記，如圖6所示。

本文給出了2070 kHz頻段內(nèi)，正面、側(cè)面、平躺三種姿態(tài)下的目標強度測量結(jié)果，如圖7所示。正面時目標強度平均值為-15.1 dB，側(cè)面時目標強度平均值為-15.9 dB，平躺時目標強度平均值為-25.3 dB。造成目標強度差別的主要原因是散射截面不同，正面和側(cè)面姿態(tài)時，散射截面比較大，而平躺的時候散射截面比較小。其中目標強度相對較高的測量值，是來自呼吸氣泡的散射貢獻。

從圖7中走勢來看，隨著頻率的上升蛙人目標強度先降后升，這種起伏變化情況與1.2節(jié)的柱體的仿真結(jié)果大致吻合。正面時的主要散射目標是肺部和氧氣瓶，氧氣瓶被蛙人部分遮擋，因此目標強度起伏相對平緩；側(cè)面時肺部和氧氣瓶都參與散射，但入射波很難控制在目標法線方向，因此相對起伏稍大；平躺時入射波與目標法線方向偏離較大，因此起伏最大。但由于蛙人目標更復(fù)雜，一方面反射波是由肺部、氧氣瓶和氣泡等多個子目標共同散射疊加的結(jié)果，另一方面湖試的蛙人姿態(tài)和距離等很難嚴格控制，因此與仿真和模擬目標的實驗結(jié)果也產(chǎn)生了較大差別。

2 蛙人輻射噪聲測量與分析

2.1 蛙人輻射噪聲的水池仿真和湖試測量

在水池試驗中，分別用吹氣法產(chǎn)生與人呼吸節(jié)奏一致的氣泡和用氣泵產(chǎn)生連續(xù)的氣泡來模擬蛙人的呼氣氣泡。實驗時標準水聽器放置于水下1 m深，距離呼出氣泡的管子2 m，產(chǎn)生氣泡的管口端口位于水下1 m。圖8為它們的功率譜密度曲線。

由圖8可知，吹氣法產(chǎn)生的有節(jié)奏氣泡功率譜密度與氣泵產(chǎn)生的連續(xù)氣泡功率譜密度曲線的構(gòu)成大致相似，在功率譜密度上后者大于前者，尤其在0~30 Hz、60~130 Hz和160~1700 Hz之間，具有較明顯的差別，這與兩者產(chǎn)生的方式不同有關(guān)。

湖試實驗示意圖如圖9所示，蛙人在水下保持相對靜止，進行正常節(jié)奏呼吸，用信號繩與操作人員通信。

采用Welch譜估計方法，對湖試時的背景噪聲和蛙人呼吸聲的功率譜密度進行估計，結(jié)果如圖10所示，其中蛙人距離水聽器3 m。由圖10可知：當水中有蛙人呼吸聲時，信號的功率明顯上升，在30~300 Hz之間能量分布較大，并在64.6 Hz附近產(chǎn)生譜峰(圖10是對表1中3 m處的第3個樣本的處理結(jié)果)，這部分能量是由蛙人呼氣的氣泡破裂產(chǎn)生的，聽起來是連續(xù)的“咕嚕聲”，沒有明顯的節(jié)奏；氣泡在上升破裂過程中，能量不斷消耗，在300~1200 Hz的頻帶上有約20 dB的衰減，每倍頻程大致減小10 dB，1200~3000 Hz有約10 dB的衰減；在蛙人呼吸聲的時頻譜上，可以觀察到明顯的節(jié)奏變化，這是由周期的吸氣動作引起的，吸氣引起減壓閥振動產(chǎn)生聲波，聽起來是周期出現(xiàn)的“哧”聲，分布在3~20 kHz之間，并在11.03 kHz附近產(chǎn)生譜峰。從背景噪聲看，在1 kHz附近聲級約40 dB，大致與深海0級海況的噪聲譜級相當，1 kHz以下則大致對應(yīng)航運稀少情況下的噪聲譜級。

圖10 蛙人呼吸聲和背景噪聲的功率譜密度

2.2 蛙人呼吸信號特征

由2.1節(jié)的討論可知：吸氣和呼氣產(chǎn)生的輻射噪聲分布在不同的頻帶。吸氣引起的減壓閥振動聲頻率相對較高，具有較明顯的節(jié)奏。呼出氣泡噪聲頻率較低，在上升破裂過程中形成連續(xù)的輻射噪聲。

按照呼吸聲的頻率分布，對信號進行濾波，并采用周期圖法對濾波后信號包絡(luò)的功率譜密度進行估計，圖11給出了蛙人呼氣和吸氣噪聲、氣泵氣泡噪聲、吹氣法氣泡噪聲的包絡(luò)在0~1 Hz之間的功率譜密度曲線。由圖11可知，蛙人呼氣和吸氣以及吹氣法產(chǎn)生的噪聲信號包絡(luò)功率譜密度在0.2~0.4 Hz之間有一個明顯的峰值，約0.33 Hz，這和蛙人的呼吸頻率相一致。

上述三者的譜結(jié)構(gòu)和形成原因不同：水池吹氣法產(chǎn)生氣泡的管子放置比較淺，氣泡很快就上升到水面，與下一次的氣泡破裂聲有時間差，因而產(chǎn)生節(jié)奏。而湖試在水下3 m深，氣泡破裂形成連續(xù)的輻射噪聲，但吸氣部分被濾除后，留下的空白也會引起較明顯的節(jié)奏，這與吹氣法沒有吸氣過程類似。氣泡破裂的“咕嚕…咕?！甭曇舶岛芷谶^程，因此在功率譜密度曲線上產(chǎn)生了多個峰值，且幅值相對較大，但與吸氣的情況不同。氣泵產(chǎn)生的氣泡噪聲也有多個峰值，但是相對頻率稍高，且連續(xù)的氣泡破裂聲在更低的頻率上產(chǎn)生了較高的譜值，也與吸氣的情況不同。因此，吸氣的節(jié)奏特征可作為檢測和識別蛙人的一個重要依據(jù)。

2.3 蛙人呼吸聲輻射聲源級測量

根據(jù)目標輻射聲源級的定義和本試驗中采用的設(shè)備布放方式，聲源級的計算公式為：

其中，水聽器靈敏度為-207 dB，分別在3 m和10 m處測量，測量放大器的放大倍數(shù)為60 dB，式中的-3 dB表示折算到有效值。采用Welch譜估計方法，對多個周期的蛙人呼吸聲樣本的功率譜密度(Power Spectral Density, PSD)和均方譜(Mean Square Spectrum, MSS)進行估計，并通過對應(yīng)的最大譜峰峰值計算聲源級，計算結(jié)果如表1所示，表中結(jié)果是折算到距離目標1 m處的聲源級。聲源級的計算與譜估計的方法有關(guān)，兩種方法估計的聲源級相差約8.6 dB。

表1 蛙人呼吸聲的聲源級湖試測量結(jié)果

2.4 蛙人呼吸聲探測距離

實驗當天天氣晴朗、無風，水文條件良好，便攜式發(fā)電機通過橡膠墊和船體傳播的噪聲是最主要的干擾。蛙人由近向遠處游，最遠能監(jiān)聽70 m遠處蛙人的呼吸聲。蛙人由近及遠的運動過程中，呼出氣泡的破裂聲在傳播過程中衰減相對較小，吸氣引起的減壓閥振動聲的衰減相對較大，在70 m處時，只能聽到氣泡破裂產(chǎn)生的“咕嚕聲”，而減壓閥振動產(chǎn)生的有節(jié)律的“哧聲”已經(jīng)消失。圖12分別給出了70 m遠處10 Hz~2 kHz頻段內(nèi)呼氣和3~20 kHz的吸氣噪聲信號的包絡(luò)。吸氣聲信號包絡(luò)尚能看到“鼓包”，但相較呼氣聲信號包絡(luò)，已經(jīng)非常微弱。

3 結(jié)論

通過理論分析、仿真、水池試驗和湖上試驗驗證，得到以下結(jié)論：

(1) 蛙人的潛水裝備、呼吸氣泡是主要的散射源，肺部次之。另外，不同姿態(tài)、不同的入射波頻率對蛙人的目標強度也有影響，在2070 kHz頻率內(nèi)測得三種姿態(tài)下的目標強度平均值分別為-15.1 dB、-15.9 dB、-25.3 dB。

(2) 蛙人呼吸聲信號的能量主要分布在30~300 Hz之間，這部分能量是由呼氣時的氣泡破裂產(chǎn)生的，300~3000 Hz的頻帶上有約30 dB的衰減。吸氣引起的減壓閥振動聲信號主要集中在高頻段(2 kHz以上)，在11.03 kHz附近產(chǎn)生了較明顯的譜峰，但能量相對較低。高頻段信號包絡(luò)呈明顯的周期性，周期約為3 s，與蛙人的呼吸周期相同，可作為目標檢測和識別的依據(jù)。

(3) 分別采用PSD和MSS的最大譜峰值對蛙人呼吸聲的輻射聲源級進行計算，結(jié)果約為95~101 dB和104~110 dB。聲源級的測量結(jié)果受多方面的因素影響，比如蛙人在水中很難控制距離以及呼吸的時強時弱等，因此測量結(jié)果不可避免地存在誤差。另外，測量是在近場進行的，一定程度上影響了測量結(jié)果。在當時的噪聲環(huán)境下，蛙人呼吸聲最遠能探測到的距離為70 m左右。

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Experimental research of passive and active detection for underwater diver

NIE Dong-hu1,2, QIAO Gang1,2,ZHU Zhi-meng1,2,ZHANG Kai3

(1.Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang,China；2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China; 3. No 20th Institute, ChinaElectronics Technology Group Corporation, Xi’an 710068, Shaanxi, China)

To counter ‘a(chǎn)symmetric’ threats from underwater small target, the diver carrying with open-circuit SCUBA is conducted as research target.The simulation and experimental researches on the target strengths of lung tissue of diver, oxygen tanks and breathing bubbles have been carried out. The tank and lake experiments are conducted and the results of the testsare given. Target strengths of diver in different posesare measured in lake experiment.The time-frequency characteristics of the frogman breathing and the pressure reducing valve noise are analyzed, and the experimental results of diver radiated noise in different movement rhythms are obtained.

diver detection; acoustic radiation characteristics; target strength; acoustic source level; respiration feature

TB533

A

1000-3630(2015)-04-0300-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.002

2014-07-10;

2014-10-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(HEUCF140514)、國家自然科學基金(61401114; 61431004; 11304056)、水聲對抗重點實驗室支持項目資助(SSDKKFJJ-2014-02-01)、水聲技術(shù)重點實驗室基金項目資助(9140C200501150C20002)、上海交通大學海洋工程國家重點實驗室開放基金資助(1414)

聶東虎(1978－), 男, 遼寧義縣人, 博士, 講師, 研究方向為水下目標探測和聲信號處理。

聶東虎, E-mail: niedonghu@hrbeu.edu.cn