孫玉臣，陳維義，王平波，姜 斌，王世哲

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院，湖北武漢 430033；2.中國(guó)人民解放軍92767部隊(duì)，山東青島 266102；3.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033；4.海軍潛艇學(xué)院航海觀通系，山東青島 266100)

0 引言

隨著海上特種作戰(zhàn)模式的發(fā)展，無(wú)人水下航行器、武裝蛙人等水下小目標(biāo)，被越來(lái)越多地用于秘密潛入敵方港口、基地等重要水域，執(zhí)行偵查、破壞等一系列軍事任務(wù)。為了保證對(duì)己方重要水域的警戒能力，各國(guó)多采取雷達(dá)、可見(jiàn)光及熱成像探測(cè)等成熟的方式對(duì)水面以上進(jìn)行預(yù)警，而水面以下的探測(cè)預(yù)警手段卻比較薄弱。

為保證行動(dòng)的隱蔽性，蛙人大多采取潛入水下的方式秘密接近敵方水域。在雷達(dá)、可見(jiàn)光、熱成像及聲吶等多種常用的物理探測(cè)方式中，雷達(dá)、可見(jiàn)光等方式一般采用電磁波作為探測(cè)媒介，因其信號(hào)在水下衰減極為嚴(yán)重，難以對(duì)蛙人等水下目標(biāo)實(shí)施有效探測(cè)。信號(hào)頻率同為30 kHz時(shí)，電磁波在水下的輻射損失可達(dá)7 500 dB·km-1，聲波僅為5 dB·km-1[1]，而電磁波實(shí)際的頻率遠(yuǎn)高于30 kHz，因此在水下的衰減更為嚴(yán)重。所以與水下雷達(dá)和視頻監(jiān)視等方式相比，探測(cè)水下的蛙人等目標(biāo)，主要依靠的是聲吶設(shè)備。

1 反蛙人聲吶研究現(xiàn)狀

蛙人與潛艇等水下目標(biāo)相比體積較小，在潛入任務(wù)目標(biāo)的過(guò)程中一般采取水下慢速游泳的方式，目標(biāo)噪聲強(qiáng)度低，而其經(jīng)?；顒?dòng)的港口、基地等淺海水域，因存在壩體、沉船、礁石等諸多后向散射體，混響噪聲十分嚴(yán)重[2-3]，因此探測(cè)水下蛙人具有一定的難度。為了發(fā)現(xiàn)水下小型體積的目標(biāo)并辨別其種類，需要使用高分辨率的高頻聲波；為了增加對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離，需要目標(biāo)具有較高的回波強(qiáng)度，因此各國(guó)普遍使用高頻主動(dòng)聲吶探測(cè)蛙人，其工作頻率范圍主要為60～100 kHz，帶寬為3～20 kHz不等，發(fā)射聲強(qiáng)級(jí)范圍為180～210 dB，最遠(yuǎn)探測(cè)距離一般為400～2 000 m[4-6]，主要采用吊放或固定的方式部署于大型艦船、港口、基地的船側(cè)、海底或墻體等位置[7]。被動(dòng)聲吶主要依據(jù)蛙人自身輻射的噪聲信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，蛙人潛泳裝具的呼吸器減壓閥振動(dòng)、水下呼吸產(chǎn)生的氣泡在水中的破裂及游泳時(shí)的劃水動(dòng)作，均是蛙人產(chǎn)生輻射噪聲的主要原因。由于港口等淺海環(huán)境噪聲成分復(fù)雜，且蛙人這一小目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度低，被動(dòng)聲吶對(duì)蛙人目標(biāo)的探測(cè)難度較大。但與主動(dòng)探測(cè)方式相比，聲吶選用被動(dòng)方式具有諸多優(yōu)勢(shì)，如：對(duì)生態(tài)環(huán)境友好，工作方式隱蔽，能耗低，魯棒性強(qiáng)，尤其是配置于重要艦艇平臺(tái)周圍時(shí)，不易暴露自身，且更易分辨各種目標(biāo)的不同聲學(xué)特性，識(shí)別能力較好[8-9]。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)外自2004年開(kāi)始列裝各類蛙人探測(cè)聲吶裝備，其中主動(dòng)聲吶型號(hào)較多，被動(dòng)聲吶相對(duì)較少，另外還有水下成像等各種蛙人探測(cè)聲吶面世[4,10-14]。國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但自2008年開(kāi)始，多型國(guó)產(chǎn)蛙人探測(cè)聲吶也開(kāi)始投入實(shí)際應(yīng)用，技術(shù)上也逐步縮小與國(guó)外的差距[3-4,15-16]。

2 蛙人目標(biāo)聲信號(hào)特征研究進(jìn)展

聲吶對(duì)蛙人的探測(cè)方式主要分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類。主動(dòng)方式主要依靠蛙人的反射回波進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn)，被動(dòng)方式則主要依靠蛙人的水下聲輻射信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。

2.1 國(guó)外對(duì)蛙人目標(biāo)回波的研究

1976年，美國(guó)海軍水下中心的Fish等借鑒探測(cè)海豚的方法，利用主動(dòng)聲吶對(duì)蛙人進(jìn)行了水池探測(cè)，發(fā)射器工作頻率采用60 kHz，試驗(yàn)表明主動(dòng)聲吶對(duì)蛙人的探測(cè)效果優(yōu)于海豚[17]。

2005年，美國(guó)海軍研究生院的Sarangapani等借鑒圓柱模型建立了蛙人目標(biāo)強(qiáng)度的復(fù)雜函數(shù)模型，使用60 kHz工作頻率的FS-3相控陣主動(dòng)聲吶，對(duì)不同方向、不同深度的蛙人進(jìn)行了淺水試驗(yàn)，利用三維映射的方法，驗(yàn)證了蛙人目標(biāo)強(qiáng)度與入射波方向及頻率有關(guān)[18]。

2006年，意大利的Hollett等分別計(jì)算了開(kāi)式和閉式呼吸器在特定頻率的目標(biāo)強(qiáng)度，利用海上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在100 kHz頻率聲吶信號(hào)的照射下，蛙人攜帶閉式呼吸器時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度范圍為-20～-25 dB；攜帶開(kāi)式呼吸器時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度約為-15 dB，主要源于蛙人呼出氣泡的反射[19]。

波蘭格但斯克技術(shù)大學(xué)和波蘭海軍學(xué)院的Kozaczka等分別使用側(cè)掃聲吶對(duì)閉式呼吸蛙人、使用被動(dòng)式線列陣對(duì)開(kāi)式呼吸蛙人進(jìn)行了探測(cè)，通過(guò)建立氣瓶目標(biāo)強(qiáng)度模型，計(jì)算出在15、60、450 kHz三種工作頻率中，15 kHz時(shí)氣瓶的目標(biāo)強(qiáng)度最大；使用450 kHz側(cè)掃聲吶可以通過(guò)聲吶成像分辨出蛙人呼出的氣泡群、氣瓶及腿部；使用被動(dòng)方式可以明顯分辨開(kāi)式呼吸蛙人的周期性水下呼吸，開(kāi)式呼吸蛙人的目標(biāo)聲信號(hào)的頻率主要集中于10 kHz以內(nèi)，其中2 kHz附近能量最為集中，水下噪聲能量級(jí)的分布范圍為10～15 dB[20]。

2013年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Demarco等使用經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的隱馬爾可夫(Hidden Markov Models，HMM)模型對(duì)蛙人聲吶圖像進(jìn)行識(shí)別，并運(yùn)用于水下無(wú)人航行平臺(tái)中。實(shí)際效果顯示，此方法對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的蛙人識(shí)別效果比較顯著[21]。

2019年，克羅地亞薩格勒布大學(xué)的Kvasi?等將圖像識(shí)別中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法引入對(duì)蛙人的水下聲吶圖像識(shí)別，研究了一種魯棒可靠的聲吶圖像處理方法，通過(guò)對(duì)多種相關(guān)模型的研究，驗(yàn)證了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在聲吶圖像識(shí)別中用于蛙人檢測(cè)和跟蹤的可行性[22]。

2019年，Islam等借助于簡(jiǎn)單卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network，CNN)算法的水下圖像識(shí)別模型，對(duì)泳池及海洋中的蛙人目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，利用人體姿態(tài)檢測(cè)模型來(lái)識(shí)別運(yùn)動(dòng)的蛙人，識(shí)別模型能夠兼顧準(zhǔn)確率和機(jī)器計(jì)算時(shí)間，具有較好的魯棒性。在圖像清晰的前提下，模型對(duì)蛙人的識(shí)別率可達(dá)96%以上，并能準(zhǔn)確識(shí)別水下無(wú)人航行器[23]。

2.2 國(guó)內(nèi)對(duì)蛙人目標(biāo)回波的研究

國(guó)內(nèi)對(duì)蛙人水下聲學(xué)信號(hào)特征的研究雖然起步較晚，但進(jìn)展較快，并取得了一系列成果。

2009年9月，聶東虎等在松花湖通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了蛙人的目標(biāo)信號(hào)，在理論建模、仿真、水池試驗(yàn)和湖試的基礎(chǔ)上，分析出蛙人的主要信號(hào)源為潛水裝具和呼出的氣泡，肺部是次要信號(hào)源。在20～70 kHz頻率范圍內(nèi)，攜帶呼吸氣瓶的潛水蛙人目標(biāo)強(qiáng)度范圍為-25.3～-15.1 dB；蛙人呼吸聲的能量主要集中于30～300 Hz范圍內(nèi)，蛙人吸氣引起的氣瓶振動(dòng)噪聲主要集中于3～20 kHz頻段，在11.03 kHz頻率附近譜峰明顯，蛙人呼氣導(dǎo)致的氣泡破裂聲主要集中于10 Hz～2 kHz頻段，水下衰減小且包絡(luò)比吸氣明顯[9]。

姜衛(wèi)等用動(dòng)物的肺部組織來(lái)模擬蛙人的肺部，使用比較測(cè)量法發(fā)現(xiàn)，在20～40 kHz頻段主動(dòng)聲吶作用下，動(dòng)物肺部的目標(biāo)回波強(qiáng)度約-25.3 dB[24]。

張波等通過(guò)仿真和試驗(yàn)，對(duì)開(kāi)式和閉式呼吸的蛙人目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，試驗(yàn)采用了頻率為75 kHz的主動(dòng)聲吶進(jìn)行聲波照射。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果中蛙人目標(biāo)回波強(qiáng)度的高低，蛙人的回波信號(hào)依次來(lái)源于：開(kāi)式呼吸呼出的氣泡(不小于-16.9 dB)、干式潛水服(約-17 dB)、開(kāi)式呼吸氣瓶(約-24 dB)、蛙人的身體(約-27.2 dB)。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，身穿濕式潛水服并采取閉式呼吸的蛙人目標(biāo)回波強(qiáng)度僅不到-25 dB。另外，試驗(yàn)中動(dòng)物充氣肺部組織的目標(biāo)強(qiáng)度在125 kHz頻率聲波照射時(shí)約為-25.9 dB，且肺部組織的聲速隨頻率變化明顯[2,25-27]。

穆志海通過(guò)湖試，對(duì)開(kāi)式呼吸蛙人分別在主被動(dòng)探測(cè)方式下的信號(hào)特征進(jìn)行了研究。在主動(dòng)探測(cè)方式下，使用20～60 kHz頻段的連續(xù)波(Continuous Wave，CW)照射，測(cè)量了蛙人正面、側(cè)面和平躺方向的目標(biāo)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)正面目標(biāo)強(qiáng)度平均值為-8.9 dB，側(cè)面目標(biāo)強(qiáng)度平均值為-9.2 dB，平躺時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度平均值為-19.8 dB，說(shuō)明蛙人的目標(biāo)反射主要來(lái)源于胸腔、呼吸器和呼出的氣泡，平躺方向的目標(biāo)反射面積相對(duì)正面和側(cè)面要小得多；在被動(dòng)探測(cè)方式下，發(fā)現(xiàn)蛙人的呼吸聲頻率為0.3～0.4 Hz，呼氣時(shí)主要產(chǎn)生低頻分量(2 kHz以下)，吸氣時(shí)主要產(chǎn)生高頻分量(2～20 kHz)，且吸氣時(shí)的高頻成分比較規(guī)則，可用于蛙人探測(cè)。蛙人呼吸聲信號(hào)的輻射聲源級(jí)為116 dB，利用矢量水聽(tīng)器可在70 m處有效探測(cè)到蛙人吸氣過(guò)程產(chǎn)生的高頻段成分[28]。2 kHz以下蛙人呼吸聲功率譜如圖1所示。

圖1 2 kHz以下蛙人呼吸聲功率譜[28]Fig.1 Power spectrum of frogman breathing sound below 2 kHz[28]

2014年，Yang等針對(duì)中心頻率為70 kHz、帶寬為10 kHz的蛙人探測(cè)聲吶，對(duì)抑制寬帶聲吶系統(tǒng)混響的算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于小波交叉譜的寬帶分束形成后的時(shí)空穩(wěn)定性估計(jì)，討論了小波域中的估計(jì)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其所提出的相差幅值和時(shí)空方差的融合處理方法能夠有效抑制混響[29]。

文獻(xiàn)[30-33]利用圖像聲吶，提出了基于蛙人形態(tài)特征的水下小目標(biāo)識(shí)別算法，并進(jìn)行了聲吶圖像處理，其中濾波去噪、背景相減、偽彩色圖變灰度圖等算法被應(yīng)用于圖像的預(yù)處理，骨架提取和閉合運(yùn)算的算法則被應(yīng)用于形態(tài)學(xué)處理；另外針對(duì)青島某港口的多波束聲吶探測(cè)數(shù)據(jù)，使用了基于區(qū)域生長(zhǎng)和圖像二值化的自適應(yīng)雙幀差法。之后他們又使用支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)的方法，根據(jù)蛙人平均尺寸、游速、形狀、游動(dòng)方向和角度等五個(gè)特征因素，通過(guò)200張圖像的訓(xùn)練，使蛙人目標(biāo)的識(shí)別準(zhǔn)確度達(dá)到了94.5%。

Zhu等提出了一種基于顯著性聲吶圖像的蛙人探測(cè)方法，該方法通過(guò)對(duì)原始聲吶圖像進(jìn)行分解和中值濾波，基于頻率分析的顯著性探測(cè)技術(shù)，對(duì)圖像中的亮區(qū)進(jìn)行分割，從而提高對(duì)水下不同姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向的蛙人目標(biāo)的定位精度[34]。

2012年，Liu等基于蛙人等水下小目標(biāo)的聲吶成像，提出了一種基于目標(biāo)局部圖像的全局近似數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法，可以根據(jù)目標(biāo)的形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡提高檢測(cè)效率，以解決混響區(qū)域中的虛警問(wèn)題。試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法具有魯棒性高、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)[35]。

2.3 國(guó)外對(duì)蛙人聲輻射信號(hào)的研究

英國(guó)伯明翰大學(xué)的Chapman是最早研究水下蛙人聲輻射信號(hào)的學(xué)者之一。1974年，他們發(fā)現(xiàn)蛙人呼吸產(chǎn)生的呼吸閥噪聲具有周期性，其呼氣產(chǎn)生的噪聲主要集中于30 Hz～110 Hz頻段，此頻段的蛙人輻射噪聲對(duì)水下魚(yú)類的活動(dòng)能夠產(chǎn)生一定影響[36-37]。

2002年秋季，美國(guó)海軍在圣地亞哥灣使用被動(dòng)方式探測(cè)開(kāi)式呼吸蛙人，驗(yàn)證了被動(dòng)方式探測(cè)蛙人的可行性，并對(duì)蛙人的輻射噪聲信號(hào)特征進(jìn)行了分析，但結(jié)果未予公布[38]。

2005年，新西蘭沃克沃斯奧克蘭大學(xué)的Radford等在標(biāo)準(zhǔn)聲壓和參考距離條件下，對(duì)水下不同裝具類型的蛙人聲輻射信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)蛙人的輻射噪聲能量主要集中于低頻(頻率＜200 Hz)，且全閉式呼吸蛙人、半閉式呼吸蛙人和開(kāi)式呼吸蛙人的聲源級(jí)依次為(108±1)、(131±2)和(161±1)dB，攜帶呼吸器的蛙人能夠被探測(cè)的距離因環(huán)境噪聲級(jí)的不同而有所差異[39]。

自2000年以來(lái)，美國(guó)史蒂文斯理工學(xué)院(Stevens Institute of Technology)在使用被動(dòng)聲吶探測(cè)水下開(kāi)式呼吸蛙人方面，做了許多工作，在領(lǐng)域內(nèi)得到了高度認(rèn)可。文獻(xiàn)[40-43]使用多頻帶匹配濾波(Multiband Matched Filter,MMF)算法，運(yùn)用參考信號(hào)對(duì)蛙人輻射聲進(jìn)行了子帶能量匹配運(yùn)算，通過(guò)估算主頻的方式對(duì)蛙人進(jìn)行了是否存在的有效檢測(cè)，該方案可提供固定檢測(cè)閾值，并在哈德遜河進(jìn)行了多次蛙人試驗(yàn)；2006年，該學(xué)院海事系統(tǒng)中心的Chen等研究了強(qiáng)噪聲干擾下的蛙人被動(dòng)聲探測(cè)技術(shù)，用單個(gè)水聽(tīng)器測(cè)量出蛙人基礎(chǔ)呼吸聲頻率為0.2 Hz～0.4 Hz，提出了干擾抵消的多頻帶匹配濾波算法并進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理[40-41]，史蒂文斯理工學(xué)院采集的蛙人信號(hào)頻譜圖如圖2所示[42]。2006年，Stolkin為檢測(cè)水下不同呼吸頻率的多個(gè)蛙人目標(biāo)，提出了基于Swimmer number的已知參考頻譜向量算法，并在哈德遜河進(jìn)行了湖試，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著檢測(cè)距離的增大，Swimmer number近似線性減小，且不同的探測(cè)距離需要調(diào)整不同的檢測(cè)閾值，另外該算法對(duì)特殊呼吸頻率的蛙人檢測(cè)效果并不理想[43-45]；2007年之后，該學(xué)院的海上安全實(shí)驗(yàn)室(Marine Security Laboratory)提出了基于蛙人呼吸特征信號(hào)的多頻帶匹配濾波等優(yōu)化的被動(dòng)探測(cè)方法，通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了蛙人水下聲輻射信號(hào)的影響因素包括聲源帶寬級(jí)、頻譜功率密度、呼吸周期和調(diào)制頻率，其中聲源主要來(lái)源于第一級(jí)(高壓)呼吸閥及其使用壽命，其次是潛水員的訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，最后是攜帶的氣瓶?jī)?nèi)空氣壓力和周圍環(huán)境，這些都可以作為探測(cè)、定位水下蛙人的關(guān)鍵點(diǎn)[11,38,42,44,46-50]。史蒂文斯理工學(xué)院提取的蛙人聲輻射信號(hào)周期圖如圖3所示[44]。荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究所(Netherlands Organisation for Applied Scientific Research,TNO)的Fillinger等于2010年與史蒂文斯理工學(xué)院在荷蘭港合作開(kāi)展了被動(dòng)蛙人探測(cè)的海試，驗(yàn)證了兩種不同的非專用水聽(tīng)器也可實(shí)現(xiàn)蛙人目標(biāo)的二維定位，水聽(tīng)器的探測(cè)范圍受環(huán)境因素影響很大[51]；該學(xué)院數(shù)學(xué)科學(xué)系的Molyboha等則于2012年提出了一種對(duì)蛙人水聽(tīng)器布放位置的隨機(jī)優(yōu)化算法[52]。

圖2 史蒂文斯理工學(xué)院采集的蛙人信號(hào)頻譜圖[42]Fig.2 Spectrum diagram of diver signal collected by Stevens Institute of Technology[42]

圖3 史蒂文斯理工學(xué)院提取的蛙人聲輻射信號(hào)周期圖[44]Fig.3 Periodogram of a diver radiated acoustic signal extracted by Stevens Institute of Technology[44]

瑞典國(guó)防研究所(Swedish Defence Research Agency)對(duì)蛙人的水下被動(dòng)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了多年研究。2008年，Lennartsson等[8]采用被動(dòng)方式對(duì)開(kāi)式呼吸蛙人進(jìn)行了水下聲信號(hào)采集試驗(yàn)，試驗(yàn)的地點(diǎn)分別位于背景噪聲較少的斯德哥爾摩群島海域和人類干擾較多的哥德堡港口進(jìn)行，在干擾較少的港口對(duì)蛙人進(jìn)行了水聽(tīng)器性能測(cè)試和算法調(diào)教，在干擾較多的港口進(jìn)行了雙蛙人水下信號(hào)測(cè)試，驗(yàn)證了蛙人的水下呼吸頻率為0.3～0.7 Hz，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在30～35 kHz頻段，環(huán)境噪聲對(duì)蛙人信號(hào)的影響最小，信噪比較高，信號(hào)采集的窗口時(shí)間取10 s時(shí)最佳，在噪聲背景嘈雜的港口中，水聽(tīng)器對(duì)蛙人的最遠(yuǎn)探測(cè)距離可達(dá)25 m。2009年，Lennartsson等[53]在哥德堡港利用被動(dòng)水聲(虛警率1%時(shí)的有效探測(cè)距離為30 m)和電(虛警率1%時(shí)的有效探測(cè)距離為10 m)融合的方式對(duì)蛙人進(jìn)行水下探測(cè)，提高了對(duì)蛙人探測(cè)的可靠性。2010年Johansson等[54]針對(duì)蛙人的被動(dòng)探測(cè)提出了基于預(yù)白化的檢測(cè)算法，該算法使用參考頻譜向量算法，并提前對(duì)背景噪聲進(jìn)行白化處理，可以在拓寬檢測(cè)范圍的基礎(chǔ)上降低虛警率，并減小瞬態(tài)信號(hào)對(duì)檢測(cè)帶來(lái)的影響。

2012年，荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究所在接近運(yùn)輸航道的港口中，使用被動(dòng)式10元隨機(jī)線列陣，并利用波束形成的方法，在距離120 m處成功探測(cè)到穿著閉式呼吸裝具的蛙人，且同時(shí)檢測(cè)到的目標(biāo)個(gè)數(shù)超過(guò)5個(gè)。這也首次驗(yàn)證了使用被動(dòng)方式探測(cè)閉式呼吸蛙人的巨大潛力[55]。

2012年，澳大利亞國(guó)防科技研究所海洋作戰(zhàn)部的Lo等[56]，將8元被動(dòng)式蛙人探測(cè)聲吶間隔14 m布置于距海底1 m處，開(kāi)式呼吸蛙人沿陣列軸線從上方以恒定游速和深度游過(guò)，所提出的算法可以有效提取目標(biāo)的多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并可廣泛運(yùn)用于港口等嘈雜環(huán)境。

2012年，葡萄牙機(jī)器人與系統(tǒng)科學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室(Laboratory of Robotics and Systems in Engineering and Science，LARSyS)將水下蛙人探測(cè)聲吶安裝于水面自主航行器對(duì)水下開(kāi)式呼吸蛙人進(jìn)行探測(cè)和追蹤，采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的方法，顯著提高了對(duì)目標(biāo)位置的估計(jì)[57]。

2013年美國(guó)夏威夷馬諾大學(xué)的Gemba對(duì)蛙人的聲輻射信號(hào)時(shí)頻特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中蛙人使用Scuba Pro MK 25開(kāi)式呼吸氣瓶潛入水下，該團(tuán)隊(duì)對(duì)采集到的18組試驗(yàn)數(shù)據(jù)首先使用11～15 kHz的Kaiser帶通濾波器進(jìn)行濾波，之后進(jìn)行了包絡(luò)譜檢波處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在白噪聲背景下，當(dāng)信噪比為-11 dB時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蛙人的100%檢測(cè)[58]。

2013年7月，加拿大維多利亞大學(xué)的Lohrasbipeydeh等[59]，在桑尼奇港口附近的開(kāi)放海洋環(huán)境中，使用水聽(tīng)器對(duì)攜帶BLIZZARD和APEKS兩類呼吸裝具的開(kāi)式呼吸蛙人進(jìn)行了不同距離(1、2、5、10 m)和不同深度(5、10、15、20、25 m)的聲輻射信號(hào)采集試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明蛙人的水下聲輻射信號(hào)主要分布于100 Hz～10 kHz頻率范圍，信號(hào)周期與生理性呼吸大致同步(3～5 s)，吸氣能量主要分布于2～12 kHz頻率范圍(0.8～19 MPa，主要由減壓閥振動(dòng)產(chǎn)生)，呼氣能量主要集中于200 Hz～1 kHz頻率范圍(低于0.04 MPa，主要由呼出的氣泡在水中爆裂產(chǎn)生，受排氣口幾何形狀影響較大)，呼氣造成的低頻信號(hào)能量高于吸氣造成的高頻信號(hào)，預(yù)告能量算子比平方能量算子更適合蛙人被動(dòng)探測(cè)。Lohrasbipeydeh等采集到的蛙人聲輻射信號(hào)的高頻部分及低頻部分分別如圖4、5所示。

圖4 Lohrasbipeydeh等采集到的蛙人聲輻射信號(hào)的高頻部分[59]Fig.4 Spectrogram of the high frequency components of a diver inhaling and exhaling signal in the ocean[59]

圖5 Lohrasbipeydeh等采集到的蛙人聲輻射信號(hào)的低頻部分[59]Fig.5 Spectrogram of the low frequency components of a diver inhaling and exhaling signal in the ocean[59]

2016年，羅馬尼亞海軍研究中心的Slamnoiu等[60]在消聲水池中采用被動(dòng)方式對(duì)開(kāi)式呼吸蛙人進(jìn)行了探測(cè)，并使用多種DEMON優(yōu)化算法對(duì)蛙人信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果表明所提出的DEMON優(yōu)化算法可以更少占用計(jì)算資源。

2016年，俄羅斯的Gorovoy等在淺水灣中使用全向水聽(tīng)器對(duì)閉式呼吸的蛙人水下聲信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，蛙人目標(biāo)靜止于距水聽(tīng)器3 m處，目標(biāo)信號(hào)包含明顯的準(zhǔn)周期分量，通過(guò)包絡(luò)譜估計(jì)，吸氣頻率約為0.3 Hz，整個(gè)呼吸周期的頻率約為0.6 Hz；當(dāng)使用腳蹼游動(dòng)時(shí)，蛙人運(yùn)動(dòng)信號(hào)也呈現(xiàn)頻率接近的準(zhǔn)周期分量[61]。

2016年，澳大利亞科廷大學(xué)的Erbe等，利用水聽(tīng)器分別對(duì)開(kāi)式呼吸蛙人、水面沖浪、皮劃艇、自由泳、蛙泳、潛泳等人類水中活動(dòng)的聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，分析了蛙人吸氣和呼氣的聲信號(hào)特征，為不同人類目標(biāo)活動(dòng)的水下識(shí)別提供了依據(jù)[62]。Erbe測(cè)量的開(kāi)式呼吸蛙人呼吸信號(hào)頻譜圖如圖6所示。

圖6 Erbe測(cè)量的開(kāi)式呼吸蛙人呼吸信號(hào)頻譜圖[62]Fig.6 Spectrum diagram of open frogman breathing signal measured by Erbe[62]

2.4 國(guó)內(nèi)對(duì)蛙人聲輻射信號(hào)的研究

2010年，張偉豪等采用被動(dòng)探測(cè)技術(shù)，通過(guò)水池試驗(yàn)和在三亞的湖試，分析出了開(kāi)式呼吸蛙人的水下聲信號(hào)主要來(lái)源于呼吸的聲輻射信號(hào)，蛙人水下呼吸頻率約0.3 Hz，每個(gè)呼吸周期內(nèi)包含高頻信號(hào)成分，吸氣比呼氣的信號(hào)頻率更高，能量也更大，試驗(yàn)結(jié)果表明匹配濾波法的檢測(cè)性能優(yōu)于帶通濾波法，匹配濾波法可使蛙人在40 m有效探測(cè)距離的檢測(cè)概率達(dá)到90%，而帶通濾波法能檢測(cè)到蛙人的最遠(yuǎn)距離為20 m[36]。

鄭航等在2012年秋季的水池試驗(yàn)中，使用多種方法對(duì)開(kāi)式呼吸蛙人的聲輻射信號(hào)進(jìn)行了處理，檢驗(yàn)了無(wú)參考頻譜向量檢測(cè)和有參考頻譜向量的匹配檢測(cè)等多種算法用于蛙人被動(dòng)探測(cè)的可行性，并指出蛙人呼氣聲信號(hào)頻譜能量主要集中于0～2.5 kHz頻段，吸氣聲信號(hào)頻譜能量主要集中于2.5 kHz～12 kHz頻段，蛙人的水下聲輻射信號(hào)與生理呼吸過(guò)程的周期基本一致，頻率約為0.3 Hz[63]。

章佳榮等以開(kāi)式呼吸蛙人為研究對(duì)象，在湖試中采用被動(dòng)方式采集了蛙人的呼吸聲信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)蛙人呼氣聲信號(hào)能量主要集中于2 kHz頻率以下，來(lái)源于水中破裂的氣泡；吸氣聲信號(hào)能量主要集中于頻率2 kHz以上，來(lái)源于減壓閥的振動(dòng)，且吸氣信號(hào)包絡(luò)周期性明顯，約為3 s，是進(jìn)行蛙人識(shí)別的重要依據(jù)，使用包絡(luò)譜法提取信號(hào)特征時(shí)，為達(dá)到較好效果，需連續(xù)采集10個(gè)周期以上的信號(hào)[64]。

2012年，周威存利用矢量水聽(tīng)器，采用被動(dòng)方式，在泳池試驗(yàn)中對(duì)水下開(kāi)式呼吸和半閉式呼吸蛙人的水下聲輻射信號(hào)進(jìn)行了采集，提取了輕潛蛙人的呼吸頻率與重潛蛙人的排氣頻率作為蛙人聲信號(hào)的特征，并對(duì)開(kāi)式呼吸蛙人和半閉式呼吸蛙人的聲輻射噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了基于多子帶匹配濾波(Multiband Matched Filter,MF)算法輸出包絡(luò)譜計(jì)算的Gamma作為蛙人檢測(cè)的參考依據(jù)，仿真驗(yàn)證了矢量信號(hào)下的多子帶匹配濾波算法在低信噪比下獲取穩(wěn)定有效的蛙人聲能量包絡(luò)的可行性[65]。

朱知萌等在2014年9月進(jìn)行的湖試中，使用水聽(tīng)器對(duì)開(kāi)式呼吸蛙人的呼吸聲信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，試驗(yàn)中蛙人懸浮于水下3 m，使用基于美爾頻率倒譜系數(shù)(Mel Frequency Cepstrum Coefficient,MFCC)提取了蛙人呼吸聲信號(hào)的特征，通過(guò)研究蛙人相鄰周期、相隔周期呼吸的聲信號(hào)，并與艦船噪聲和環(huán)境噪聲進(jìn)行比對(duì)，表明了從參數(shù)分布線性擬合的MFCC輻射角和MFCC距離中得到的MFCC參量匹配結(jié)果可以作為辨別蛙人呼吸聲與噪聲的依據(jù)[66-67]。

王萍等在2016年通過(guò)光纖線列陣和壓電換能器的湖試試驗(yàn)，對(duì)開(kāi)式呼吸和閉式呼吸蛙人分別進(jìn)行呼吸聲信號(hào)采集，發(fā)現(xiàn)開(kāi)式呼吸蛙人的包絡(luò)聲信號(hào)周期性明顯，約為3 s，聲信號(hào)包絡(luò)譜在0.3～0.4 Hz頻段之間十分突出，而閉式呼吸蛙人的信號(hào)包絡(luò)不具備明顯的包絡(luò)特征；蛙人呼出的氣泡聲信號(hào)能量集中于頻率2 kHz以下且信號(hào)比較突出，蛙人吸氣造成的減壓閥振動(dòng)能量主要集中于2 kHz以上且蛙人識(shí)別信號(hào)比較突出，試驗(yàn)驗(yàn)證了被動(dòng)聲吶可靠探測(cè)蛙人呼吸聲信號(hào)的可行性[67-69]。

2015年，Zhang等在吉林松花湖采用被動(dòng)方式，對(duì)濕式潛水衣、開(kāi)式呼吸蛙人進(jìn)行了湖試，發(fā)現(xiàn)蛙人信號(hào)主要分為高頻(2 kHz以上，主要來(lái)源于減壓閥振動(dòng))和低頻(2 kHz以下，主要來(lái)源于排出的氣泡)，低頻段信號(hào)(呼氣氣泡)隨距離衰減劇烈，而高頻段信號(hào)(呼吸器減壓閥振動(dòng))隨距離衰減緩慢，且特征顯著，是較為理想的被動(dòng)探測(cè)頻段。信號(hào)采集過(guò)程至少需要10個(gè)呼吸周期，且周期越多，信號(hào)特征越明顯[70]。

2016年，宋宏健等在淺海水域?qū)λ麻_(kāi)式呼吸的蛙人進(jìn)行了被動(dòng)探測(cè)試驗(yàn)，其設(shè)計(jì)的信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛙人的被動(dòng)探測(cè)，有效探測(cè)距離為60 m，利用4個(gè)水聽(tīng)器組成十字陣可在二維平面內(nèi)確定蛙人的準(zhǔn)確方位[71]。

2017年，涂強(qiáng)等根據(jù)Stolkin的蛙人被動(dòng)探測(cè)試驗(yàn)，建立了蛙人的水下聲信道模型，并進(jìn)行了被動(dòng)方式采集開(kāi)式呼吸蛙人水下聲信號(hào)的水池試驗(yàn)。通過(guò)基于塊的閾值算法(Block-based Threshold Algorithm,BTA)和改進(jìn)的最小值控制遞歸平均算法(Improved Minima-controlled Recursive Averaging Algorithm,IMCRA)進(jìn)行噪聲抑制和濾波，提取去噪后的蛙人信號(hào)包絡(luò)譜特征，發(fā)現(xiàn)蛙人吸氣頻率集中于2～25 kHz頻段，呼氣頻率低于2 kHz，且13～18 kHz頻段的吸氣聲信號(hào)特征可作為蛙人目標(biāo)探測(cè)的依據(jù)，被動(dòng)探測(cè)距離接近40 m[43,72-73]。

趙武等在標(biāo)準(zhǔn)游泳池中，使用標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器水平直線陣對(duì)穿戴開(kāi)式呼吸器的蛙人進(jìn)行了呼吸信號(hào)的采集和處理，蛙人在試驗(yàn)中基本懸停于水下1 m處。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)懸停的開(kāi)式呼吸蛙人輻射噪聲包含高頻與低頻成分，但高頻成分(49～51 kHz)能量比較顯著，其主要來(lái)源于蛙人吸氣時(shí)呼吸器減壓閥的振動(dòng)，蛙人的呼吸聲信號(hào)具有明顯的周期性，頻率大約為0.3 Hz，與噪聲及其他目標(biāo)信號(hào)區(qū)別較大，可作為水下識(shí)別蛙人的依據(jù)；同時(shí)提出了一種基于向量機(jī)的信號(hào)識(shí)別方法，通過(guò)與歸一化多頻帶濾波方法的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于向量機(jī)的方法精度更高[11,74]。

3 反蛙人聲吶系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

在技術(shù)方面，為使蛙人探測(cè)聲吶的工作性能得到增強(qiáng)，一般需要在提高主被動(dòng)聲吶的目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別能力、優(yōu)化信號(hào)處理技術(shù)和探索新的組陣形式等方向開(kāi)展進(jìn)一步研究。

3.1 選擇適合目標(biāo)識(shí)別的頻帶

由本文可知，蛙人目標(biāo)聲輻射信號(hào)的頻帶范圍為200 Hz～35 kHz從低頻覆蓋到高頻，現(xiàn)有被動(dòng)聲吶主要采用窄帶與寬帶譜特征、倒譜特征等方法對(duì)水下蛙人目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。這些識(shí)別方法的前提是被動(dòng)聲吶能夠獲取足夠帶寬的目標(biāo)信號(hào)。但一般現(xiàn)代被動(dòng)聲吶的頻率越低，其帶寬越窄，導(dǎo)致譜形、譜中心與帶寬譜等特征幾乎失去意義，傳統(tǒng)的識(shí)別方法性能會(huì)有所降低。這對(duì)蛙人被動(dòng)探測(cè)聲吶的識(shí)別技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。所以在選擇合適的水下蛙人探測(cè)方法的同時(shí)，要選擇適當(dāng)?shù)穆晠阮l帶及帶寬等特性[75-77]。

3.2 提高主動(dòng)聲吶的有效檢測(cè)概率

目前，主動(dòng)聲吶探測(cè)蛙人主要依靠蛙人肺部空腔、氣瓶以及呼出的氣泡，蛙人作為小目標(biāo)，其輻射噪聲功率低，有效目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)度弱，且反蛙人聲吶通常布置于淺海近岸，實(shí)際水下混響等干擾多，導(dǎo)致聲吶系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的難度較大。要改善對(duì)蛙人等小目標(biāo)的檢測(cè)能力，降低虛警，增加聲吶的有效作用距離，就需要提高其信噪比。為此，可以從兩個(gè)方面降低混響的干擾：一是改變信號(hào)的發(fā)射形式，使用寬帶信道替代傳統(tǒng)常用的連續(xù)波(Continous Wave,CW)信道，通過(guò)發(fā)射寬帶、長(zhǎng)脈沖來(lái)消除CW長(zhǎng)脈沖與分辨率的矛盾，提高信噪比。二是抑制混響，降低背景噪聲干擾，寬帶信號(hào)本身有利于抑制體混響等隨機(jī)干擾，并可使信號(hào)更加穩(wěn)定，從而拓展聲吶的有效探測(cè)距離。

在主動(dòng)聲吶探測(cè)目標(biāo)的過(guò)程中，除了發(fā)射傳統(tǒng)的水平波束，還可以發(fā)射可調(diào)節(jié)角度的垂直窄波束，依靠垂直窄波束的垂直指向性，可以降低來(lái)自海面、海床等混響的干擾，增強(qiáng)聲吶對(duì)蛙人的三維探測(cè)定位能力。另外，依靠相關(guān)算法及聲吶性能仿真建模、降低垂直波束的旁瓣級(jí)，也是一種聲吶系統(tǒng)減小淺?；祉懹绊懙挠行侄蝃68]。

3.3 自動(dòng)跟蹤和識(shí)別目標(biāo)

目前，一般通過(guò)分離目標(biāo)動(dòng)靜算法，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜噪聲環(huán)境下自動(dòng)跟蹤蛙人等小目標(biāo)。該算法首先分離靜止和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并使多波束信號(hào)始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，以提高信噪比。然后使用交互式濾波方法，將目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡以聲圖的形式顯示于屏幕等設(shè)備；對(duì)于多目標(biāo)的情況，則采用極大似然濾波算法或多信息聯(lián)合貝葉斯濾波算法，能夠?qū)Χ鄠€(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)同時(shí)跟蹤，這兩種算法已成熟應(yīng)用在雷達(dá)探測(cè)中[7]。大數(shù)據(jù)和人工智能處理方法也逐步引入蛙人的識(shí)別分類中，基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以構(gòu)造目標(biāo)水下運(yùn)動(dòng)特征大數(shù)據(jù)庫(kù)，基于人工智能可以構(gòu)建算法規(guī)則庫(kù)，采用極大似然的原理可以提取和檢測(cè)目標(biāo)的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和估計(jì)，實(shí)現(xiàn)蛙人自動(dòng)識(shí)別[78]。

3.4 垂直相控發(fā)射匹配技術(shù)

反蛙人聲吶布置的淺海環(huán)境一般都不是簡(jiǎn)單的平坦開(kāi)闊地，要在各類復(fù)雜的水底仍能發(fā)揮正常的探測(cè)性能，避免混響的過(guò)多影響，聲吶就需要對(duì)環(huán)境具備一定的自適應(yīng)能力。垂直相控發(fā)射技術(shù)在國(guó)內(nèi)的使用，使聲吶可以更好地適應(yīng)崎嶇復(fù)雜的水下地形，該技術(shù)使用寬波束拓展聲吶在水底的探測(cè)范圍，并通過(guò)算法降低混響干擾，可以解決大束寬引起的能量發(fā)散問(wèn)題，能夠同步實(shí)現(xiàn)聲吶盲區(qū)和混響的雙重抑制，使地形環(huán)境問(wèn)題不會(huì)過(guò)多影響蛙人探測(cè)聲吶的性能[1]。

3.5 新形式組陣技術(shù)

由于相控和束控處理技術(shù)的進(jìn)步，聲吶陣列正逐步向更復(fù)雜的組陣形式發(fā)展：組成上由相同陣元發(fā)展為多種不同性能陣元，陣元間距由等間隔發(fā)展為變化間隔，布陣形式由平面布陣發(fā)展為立體布陣，激勵(lì)方式由同等施加發(fā)展為非同等施加。這些技術(shù)上的進(jìn)步能夠顯著拓寬基陣的頻帶等工作性能，有利于擴(kuò)大基陣的應(yīng)用范圍。同時(shí)，在常用的波束形成等陣列信號(hào)處理過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)伴隨出現(xiàn)陣元位置誤差、時(shí)延估計(jì)精度限制等，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確分類目標(biāo)，在技術(shù)處理過(guò)程中需要引起注意[79-80]。

4 結(jié)論

本文在介紹反蛙人聲吶裝備技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，考察了國(guó)內(nèi)外對(duì)蛙人水下主被動(dòng)聲信號(hào)特征的研究進(jìn)展，提出了反蛙人聲吶裝備系統(tǒng)發(fā)展的主要技術(shù)問(wèn)題，綜合分析表明，反蛙人聲吶裝備系統(tǒng)技術(shù)難度較大，涉及的學(xué)科門(mén)類和技術(shù)問(wèn)題較多，發(fā)展途徑也具有多樣性。綜合國(guó)內(nèi)外研究成果，本文總結(jié)出蛙人的水聲探測(cè)的發(fā)展情況主要有：

(1)主動(dòng)聲吶主要以水中氣泡等水下空腔的回波作為探測(cè)的依據(jù)。在75 kHz主動(dòng)聲吶作用下，蛙人目標(biāo)的回波信號(hào)強(qiáng)度介于-16.9～-27.2 dB，且由強(qiáng)到弱依次來(lái)源于：開(kāi)式呼吸的氣泡排出、干式潛水服、開(kāi)式呼吸氣瓶、蛙人的身體，其中蛙人身體的目標(biāo)回波由強(qiáng)到弱依次來(lái)源于肺部、骨骼和其他軟體組織，身穿濕式潛水服并采取閉式呼吸的蛙人目標(biāo)回波強(qiáng)度也十分微弱，約-25 dB。

(2)被動(dòng)聲吶主要以開(kāi)式蛙人的水下呼吸作為探測(cè)和識(shí)別的依據(jù)。開(kāi)式蛙人水下呼吸的聲輻射信號(hào)覆蓋了200 Hz～13 kHz頻段，其中吸氣信號(hào)的頻率(2～13 kHz)比呼氣信號(hào)(200 Hz～2 kHz)高。吸氣信號(hào)主要來(lái)源于呼吸器減壓閥的振動(dòng)發(fā)聲，呼氣信號(hào)主要來(lái)源于排入水中的氣泡破裂。吸氣信號(hào)的能量比呼吸信號(hào)更不容易衰減，成分也更加規(guī)則，且信號(hào)特征明顯，是蛙人被動(dòng)探測(cè)的理想信號(hào)；蛙人水下聲輻射信號(hào)的包絡(luò)周期(約3～5 s)與其生理性呼吸基本一致，其中吸氣持續(xù)0.7～0.8 s，呼氣持續(xù)1.2～1.5 s。在標(biāo)準(zhǔn)的聲壓和參考距離條件下，全閉式呼吸蛙人、半閉式呼吸蛙人、開(kāi)式呼吸蛙人的聲源級(jí)依次為(108±1)、(131±2)、(161±1)dB。

(3)圖像聲吶主要以蛙人的水下聲學(xué)圖像作為探測(cè)和識(shí)別的依據(jù)。許多研究機(jī)構(gòu)將大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)引入蛙人等水下目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別，為蛙人等水下探測(cè)領(lǐng)域開(kāi)辟了新的途徑。

國(guó)外同行較早研究了聲吶對(duì)水下蛙人的探測(cè)，他們?cè)谕苋怂曅盘?hào)特性分析、蛙人探測(cè)聲吶裝備研制和蛙人反制武器方面取得了較多成果。我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，在蛙人探測(cè)領(lǐng)域，正逐步縮小與國(guó)際領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)之間的差距，對(duì)蛙人水下聲信號(hào)特征的研究日趨完善，所列裝的主動(dòng)聲吶性能已接近國(guó)際先進(jìn)水平，反蛙人武器系統(tǒng)也比較完備。但對(duì)復(fù)雜條件下的蛙人被動(dòng)探測(cè)以及基陣部署等方面還需要投入更多的技術(shù)和精力，這也是守護(hù)我國(guó)“水下國(guó)門(mén)”的重要方向之一。