閉式蛙人目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)及試驗(yàn)

王 琦，范 軍，王 斌

（上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引 言

現(xiàn)代軍事迅速發(fā)展，擴(kuò)展了戰(zhàn)爭(zhēng)空間和戰(zhàn)爭(zhēng)形式，除了傳統(tǒng)的陸地戰(zhàn)爭(zhēng)以外，海上戰(zhàn)爭(zhēng)成為一種主要的戰(zhàn)爭(zhēng)形式。水下蛙人目標(biāo)小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，破壞性大，可擔(dān)負(fù)水下偵察、爆破等常規(guī)力量無法完成的任務(wù)。由于在水下光電等探測(cè)方式范圍有限，因而對(duì)蛙人采用聲學(xué)探測(cè)方式[1-5]，通過蛙人水下的時(shí)域回波特性或者目標(biāo)強(qiáng)度特性進(jìn)行識(shí)別。聶東虎等[6]對(duì)開式蛙人20～70 kHz頻段內(nèi)正面、側(cè)面、平躺時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，正面時(shí)的目標(biāo)強(qiáng)度平均值為-15.1 dB，側(cè)面時(shí)的目標(biāo)強(qiáng)度平均值為-15.9 dB，平躺時(shí)的目標(biāo)強(qiáng)度平均值為-25.3 dB。Sarangapani等[7]使用有限圓柱體模型模擬人類潛水員，計(jì)算頻率為60 kHz時(shí)人類潛水員不同方向、深度的目標(biāo)強(qiáng)度，結(jié)果顯示蛙人的目標(biāo)強(qiáng)度在-10～-3 dB之間，且蛙人目標(biāo)強(qiáng)度值的大小受入射聲波與蛙人的夾角影響，蛙人的側(cè)面目標(biāo)強(qiáng)度較大，頭部和腳部的目標(biāo)強(qiáng)度較小。Hollctt等[8]實(shí)驗(yàn)測(cè)量了頻率為 100 kHz 時(shí)閉式呼吸器蛙人目標(biāo)強(qiáng)度為-25～-20 dB。張波等[9]測(cè)量了各潛水裝備對(duì)蛙人目標(biāo)強(qiáng)度的奉獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)開式蛙人呼吸所產(chǎn)生的氣泡群對(duì)目標(biāo)回波奉獻(xiàn)最大，其目標(biāo)強(qiáng)度大于-16.9 dB，其次是干式潛水服，目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量值為-17 dB，再次是開式呼吸用呼吸氣瓶，其目標(biāo)強(qiáng)度為-24 dB。

蛙人的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其潛水裝備、氧氣瓶等利用不同的材料制作而成，這些子結(jié)構(gòu)具有不同的反射系數(shù)。同一個(gè)目標(biāo)子結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜時(shí)，子結(jié)構(gòu)相互之間存在遮擋效應(yīng)。據(jù)本文研究了不同屬性材料組合時(shí)目標(biāo)回聲特性的板塊元計(jì)算方法，建立了閉式蛙人三維模型，閉式蛙人潛水服和腳蹼的聲學(xué)反射系數(shù)模型，考慮不同屬性材料組合目標(biāo)的的遮擋，計(jì)算泳姿姿態(tài)下閉式蛙人在40～80 kHz頻段的目標(biāo)強(qiáng)度，并在相同頻率范圍內(nèi)進(jìn)行了回波測(cè)量。

1 閉式蛙人三維模型

閉式蛙人穿戴了潛水服和腳蹼，同時(shí)攜帶氧氣瓶、氧氣管、眼鏡、頭盔、呼吸器等設(shè)備。為完成數(shù)值計(jì)算，考慮了不同結(jié)構(gòu)的材料特性，建立了分解的精確三維模型。閉式蛙人的幾何尺度如表1所示。閉式蛙人的側(cè)面、正面、背面投影如圖1所示。

表1 蛙人身體尺寸數(shù)據(jù)Table 1 Body size data of closed diver model

圖1 閉式蛙人模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of closed frogman model

由于蛙人不同部分對(duì)應(yīng)材料屬性不同，因此傳統(tǒng)板塊元算法直接應(yīng)用于蛙人目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)計(jì)算需要做必要修正。計(jì)算方法的關(guān)鍵在于為材料屬性不同的子結(jié)構(gòu)賦予相應(yīng)的聲學(xué)屬性，即子結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)。本文將蛙人分為三部分，分別賦予其相應(yīng)反射系數(shù)，進(jìn)行回聲計(jì)算預(yù)報(bào)。

2 不同屬性材料組合目標(biāo)回聲特性計(jì)算的板塊元方法

根據(jù)文獻(xiàn)[10-15]，在收發(fā)合置的情況下，非剛硬表面高頻條件下的修正的Kirchhoff近似為

式中：α是面元s0法線方向與接收方向之間的夾角；r是接收位置與面元中心的距離。與剛性目標(biāo)散射聲場(chǎng)相比，積分中增加了局部平面波反射系數(shù)V（α）根據(jù)文獻(xiàn)[16，17]利用考慮遮擋板塊元算法加以理論計(jì)算。

3 潛水服和腳蹼反射系數(shù)模型

閉式蛙人佩戴的氧氣瓶、氧氣管、眼鏡、頭盔、呼吸器近似是剛性材料的，其反射系數(shù)為1。

閉式蛙人身穿干式潛水服，潛水服與人身存在一個(gè)隔離氣層，使身體保持干燥狀態(tài)，潛水服由聚氯乙烯（Polyvinyl Chloridc， PVC）制作而成，厚度在2～7 mm 之間。其聲反射模型為水-聚氯乙烯-空氣分層介質(zhì)模型。

腳蹼由聚丙烯（Polypropylcnc， PP）制作而成，從腳尖最薄處到腳跟最厚處的厚度范圍在 5 mm～3 cm之間，其聲反射模型為水-聚丙烯-水分層介質(zhì)模型。

據(jù)此建立潛水服和腳蹼的反射系數(shù)模型，如圖2所示。介質(zhì)1是水，密度、聲速分別為ρ1、c1，介質(zhì)2是潛水服材料/腳蹼材料；密度、泊松比、楊氏模量厚度分別為ρ2、σ、E2、h2；介質(zhì)3是空氣/水，密度、聲速分別為ρ3、c3。中間層厚度及材料參數(shù)如表2所示。

圖2 潛水服、腳蹼聲學(xué)反射系數(shù)模型Fig.2 Acoustic reflection coefficient model of diving suit and flippers

表2 潛水服、腳蹼聲學(xué)材料參數(shù)Table 2 Acoustic material parameters of divingsuits and flippers

圖3（a）、3（b）分別為潛水服反射系數(shù)R的絕對(duì)值隨入射角θI（f=70 kHz）和頻率的變化規(guī)律（θI=0）。

圖3 潛水服反射系數(shù)隨入射角度和頻率變化規(guī)律Fig.3 Variations of the reflection coefficient of diving suits with incident angle and frequency

在 0°～90°范圍內(nèi)，水中干式潛水服反射系數(shù)絕對(duì)值均在0.996以上。垂直入射時(shí)，聲波半波長(zhǎng)等于中間層厚度整數(shù)倍的頻點(diǎn)發(fā)生透射，除此之外，潛水服反射系數(shù)絕對(duì)值等于1。

圖4（a）、4（b）分別為給出腳蹼反射系數(shù)隨入射角θI（f=70 kHz）和隨頻率的變化規(guī)律（θI=0）。

圖4 腳蹼反射系數(shù)隨入射角度和頻率變化規(guī)律Fig.4 Variations of the reflection coefficient of diving flippers with incident angle and frequency

由圖4（a）可見，入射角為 45°時(shí)，聲波產(chǎn)生全透射，腳蹼反射系數(shù)絕對(duì)值等于0；入射角小于45°時(shí)，腳蹼的反射系數(shù)較小，絕對(duì)值在0.2以下；當(dāng)聲波入射角大于 45°斜入射時(shí)，隨著入射角增大反射系數(shù)絕對(duì)值急劇增大，直至為1。由圖4（b）可見，在40～80 kHz頻段，腳蹼垂直反射系數(shù)絕對(duì)值均小于0.16。

潛水服和腳蹼的反射系數(shù)隨角度、頻率的變化規(guī)律表明，垂直入射時(shí)，潛水服是閉式蛙人回波的主要貢獻(xiàn)者。

4 閉式蛙人回聲特性仿真計(jì)算

如圖5所示，建立閉式蛙人回波計(jì)算的坐標(biāo)系。在xoy平面，定義蛙人頭部方向方位角為0°，左側(cè)面的方位角為90°，腳部方位角為180°。

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圖5 閉式蛙人方位角示意圖Fig.5 Azimuth diagram of a closed frogman

4.1 閉式蛙人的亮點(diǎn)分布

計(jì)算閉式蛙人各個(gè)部位的反射聲壓分布，獲得各部位的回波貢獻(xiàn)，以亮度強(qiáng)弱的形式體現(xiàn)。聲波頻率為 70 kHz時(shí)，方位角 0°、45°、90°、135°、180°時(shí)閉式蛙人的亮點(diǎn)分布如圖6所示。

圖6 閉式蛙人亮點(diǎn)分布（70 kHz）Fig.6 Highlight distribution along a closed frogman (70 kHz)

由圖6可以看出，方位角為0°時(shí)，對(duì)回波起主要作用的強(qiáng)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)為蛙人的手部、頭部、肩部、氧氣管和氧氣瓶頂端；方位角為45°時(shí)，對(duì)回波有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)主要有小腿、側(cè)腰、頭部側(cè)面、手掌；方位角為 90°時(shí)，強(qiáng)反射亮點(diǎn)有潛水服、氧氣管和氧氣瓶的側(cè)面；方位角為135°時(shí)，強(qiáng)反射亮點(diǎn)有小腿、大腿、臀部、氧氣管以及腋下位置；方位角為180°時(shí)，呼吸器、氧氣瓶底部、臀部和膝蓋位置是強(qiáng)反射亮點(diǎn)。

4.2 閉式蛙人時(shí)域回波仿真

針對(duì)泳姿狀態(tài)下閉式蛙人進(jìn)行時(shí)域回波仿真，信號(hào)為頻段65～75 kHz、脈寬1 ms的線性調(diào)頻信號(hào)。以肺部作為幾何中心，方位角定同如圖5。圖7是方位角在0°～180°范圍時(shí)對(duì)應(yīng)的距離-角度時(shí)域回波強(qiáng)度，圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)方位角，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)蛙人身體與聲源的距離，在0°時(shí)，蛙人與聲源的距離是70 m，手在距離聲源約69 m處，腳在距離聲源約71 m處。

圖7 在0°～180°泳姿狀態(tài)下閉式蛙人回波強(qiáng)度的距離-角度分布圖Fig.7 Nephogram of the distance-angle distribution of echo strength of a closed frogman in 0°～180°swimming postures

圖7可明顯看出，隨方位角變化，蛙人手部、頭部、氧氣瓶和腳部的回波亮點(diǎn)一直持續(xù)。氧氣瓶、頭部回波較強(qiáng)，而腳蹼和手部回波相對(duì)較小。

4.3 閉式蛙人目標(biāo)強(qiáng)度指向分布及統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律

頻率為70 kHz時(shí)，對(duì)泳姿狀態(tài)蛙人的目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 閉式蛙人目標(biāo)強(qiáng)度仿真結(jié)果Fig.8 The predicted directional pattern of target strength of a closed frogman

由圖8閉式蛙人指向目標(biāo)強(qiáng)度可知，頭部和腳部對(duì)應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)寬度最大，頭部-3 dB，腳部1 dB；側(cè)面對(duì)應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度次之，為-6 dB；其他部位的目標(biāo)強(qiáng)度較小，為-20 dB；目標(biāo)強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)腳部方位，是因?yàn)檠鯕馄康锥藞A盤的鏡反射效應(yīng)。

5 試驗(yàn)測(cè)量

5.1 試驗(yàn)布放

圖9 身著潛水裝備的閉式蛙人Fig.9 Picture of the closed frogman with diving equipment

試驗(yàn)布放如圖10所示，發(fā)射陣、水聽器與探測(cè)目標(biāo)布放于同一直線，距離水面的深度h=8 m，發(fā)射陣與水聽器之間的距離為r1=5.88 m，水聽器與測(cè)量目標(biāo)之間的距離是r2=8.4m。測(cè)量過程中，閉式蛙人泳姿狀態(tài)下水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為360°。

圖10 閉式蛙人試驗(yàn)布放圖Fig.10 Layout for the closed frogman test

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

發(fā)射頻率為40～80 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬為2 ms，閉式蛙人泳姿狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)360°，回波強(qiáng)度的距離-角度分布如圖11所示。

圖11 各種泳姿狀態(tài)下一個(gè)真閉式蛙人回波強(qiáng)度的距離-角度分布Fig.11 Nephogram of the distance-angle distribution of echo strength of a true closed frogman in various swimming postures

與圖7的仿真結(jié)果有所不同，圖11的測(cè)量數(shù)據(jù)未能明顯呈現(xiàn)氧氣瓶等規(guī)則的回波亮線。這是由于在測(cè)量過程中，蛙人采用自由懸掛的方式，會(huì)存在姿態(tài)的隨機(jī)動(dòng)態(tài)變化。但從圖11中仍可觀察到腳蹼和頭部的回波。

頻率為70 kHz時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果如圖12所示。側(cè)面的目標(biāo)強(qiáng)度最高，為-6 dB，腳部方位次之，為-7 dB，頭部方位為-11 dB，其他方位數(shù)值在-20～-10 dB之間。與圖8對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。主要原因是理論計(jì)算取蛙人靜態(tài)姿態(tài)，而測(cè)量時(shí)真實(shí)蛙人的姿態(tài)有一定隨機(jī)性：（1） 在理論計(jì)算時(shí)，蛙人背負(fù)呼吸系統(tǒng)基本接近水平，0°（頭部方位）和180°（腳蹼方位）時(shí)，呼吸裝置頭部和瓶底是強(qiáng)反射亮點(diǎn)；而蛙人實(shí)際泳姿，呼吸裝置不一定水平，存在一定的隨機(jī)俯仰角，由于氣瓶端面圓盤散射的強(qiáng)指向性，使得 0°和 180°方位角試驗(yàn)數(shù)值偏低。（2） 是在理論計(jì)算時(shí)，蛙人旋轉(zhuǎn)身體各部位固定靜止，但試驗(yàn)中蛙人為保持平衡，軀體姿態(tài)一直處于動(dòng)態(tài)變化中。

圖12 實(shí)測(cè)的閉式蛙人目標(biāo)強(qiáng)度指向分布Fig.12 The measured directional pattern of target strength of the closed frogman

由于蛙人姿態(tài)的隨機(jī)性以及蛙人與聲吶相互位置的不確定性，統(tǒng)計(jì)其目標(biāo)強(qiáng)度隨方位角變化的分布規(guī)律，確定目標(biāo)強(qiáng)度分布范圍，對(duì)聲吶探測(cè)和隱身性能描述具有工程指導(dǎo)價(jià)值。對(duì)頻率為50、70、80 kHz時(shí)的蛙人全方位目標(biāo)強(qiáng)度的概率密度分布進(jìn)行分析[20]，比較理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)值分布情況，結(jié)果如圖13所示。

圖13 閉式蛙人目標(biāo)強(qiáng)度概率分布理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量對(duì)比Fig 13 Comparison of the theoretical and experimental target strength probability distributions of the closed frogman

頻率為50 kHz時(shí)，理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量最大概率對(duì)應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度分別為-14 dB和-15 dB，基本一致。頻率為70、80 kHz時(shí)，理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量最大概率對(duì)應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度相等，分別為-17 dB和-19 dB。上述頻率下，理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果最大概率下降 30%所包含的目標(biāo)強(qiáng)度范圍一致，分別為-20～-13 dB、-20～-14 dB、-23～-17 dB。

6 結(jié) 論

本文建立閉式蛙人回聲特性預(yù)報(bào)模型，采用真實(shí)蛙人進(jìn)行回聲特性試驗(yàn)研究，對(duì)計(jì)算和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1） 建立了適用于閉式蛙人潛水裝備的水-聚氯乙烯-空氣的反射系數(shù)聲學(xué)模型以及適用于閉式蛙人腳蹼的水-聚丙烯-水反射系數(shù)聲學(xué)模型。

（2） 將潛水服、腳蹼反射系數(shù)模型代入不同屬性材料組合目標(biāo)回聲特性計(jì)算的板塊元方法，計(jì)算閉式蛙人回聲特性。蛙人頭、肩、氣瓶等部位對(duì)其回波有顯著貢獻(xiàn)。

（3） 蛙人泳姿姿態(tài)目標(biāo)強(qiáng)度概率分布的理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)一致。頻率為50 kHz時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度主要分布于-20～-13 dB，頻率為70 kHz時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度主要分布于-20～-14 dB，頻率為80 kHz時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度主要分布于-23～-17 dB。