閉式蛙人目標強度預報及試驗

王 琦，范 軍，王 斌

（上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

0 引 言

現代軍事迅速發展，擴展了戰爭空間和戰爭形式，除了傳統的陸地戰爭以外，海上戰爭成為一種主要的戰爭形式。水下蛙人目標小，機動性強，破壞性大，可擔負水下偵察、爆破等常規力量無法完成的任務。由于在水下光電等探測方式范圍有限，因而對蛙人采用聲學探測方式[1-5]，通過蛙人水下的時域回波特性或者目標強度特性進行識別。聶東虎等[6]對開式蛙人20～70 kHz頻段內正面、側面、平躺時目標強度進行試驗測量，正面時的目標強度平均值為-15.1 dB，側面時的目標強度平均值為-15.9 dB，平躺時的目標強度平均值為-25.3 dB。Sarangapani等[7]使用有限圓柱體模型模擬人類潛水員，計算頻率為60 kHz時人類潛水員不同方向、深度的目標強度，結果顯示蛙人的目標強度在-10～-3 dB之間，且蛙人目標強度值的大小受入射聲波與蛙人的夾角影響，蛙人的側面目標強度較大，頭部和腳部的目標強度較小。Hollctt等[8]實驗測量了頻率為 100 kHz 時閉式呼吸器蛙人目標強度為-25～-20 dB。張波等[9]測量了各潛水裝備對蛙人目標強度的奉獻，發現開式蛙人呼吸所產生的氣泡群對目標回波奉獻最大，其目標強度大于-16.9 dB，其次是干式潛水服，目標強度測量值為-17 dB，再次是開式呼吸用呼吸氣瓶，其目標強度為-24 dB。

蛙人的結構較為復雜，其潛水裝備、氧氣瓶等利用不同的材料制作而成，這些子結構具有不同的反射系數。同一個目標子結構組成復雜時，子結構相互之間存在遮擋效應。據本文研究了不同屬性材料組合時目標回聲特性的板塊元計算方法，建立了閉式蛙人三維模型，閉式蛙人潛水服和腳蹼的聲學反射系數模型，考慮不同屬性材料組合目標的的遮擋，計算泳姿姿態下閉式蛙人在40～80 kHz頻段的目標強度，并在相同頻率范圍內進行了回波測量。

1 閉式蛙人三維模型

閉式蛙人穿戴了潛水服和腳蹼，同時攜帶氧氣瓶、氧氣管、眼鏡、頭盔、呼吸器等設備。為完成數值計算，考慮了不同結構的材料特性，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。閉式蛙人的側面、正面、背面投影如圖1所示。

表1 蛙人身體尺寸數據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應材料屬性不同，因此傳統板塊元算法直接應用于蛙人目標強度預報計算需要做必要修正。計算方法的關鍵在于為材料屬性不同的子結構賦予相應的聲學屬性，即子結構的反射系數。本文將蛙人分為三部分，分別賦予其相應反射系數，進行回聲計算預報。

2 不同屬性材料組合目標回聲特性計算的板塊元方法

根據文獻[10-15]，在收發合置的情況下，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。與剛性目標散射聲場相比，積分中增加了局部平面波反射系數V（α）根據文獻[16，17]利用考慮遮擋板塊元算法加以理論計算。

3 潛水服和腳蹼反射系數模型

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，其反射系數為1。

閉式蛙人身穿干式潛水服，潛水服與人身存在一個隔離氣層，使身體保持干燥狀態，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-水分層介質模型。

據此建立潛水服和腳蹼的反射系數模型，如圖2所示。介質1是水，密度、聲速分別為ρ1、c1，介質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3是空氣/水，密度、聲速分別為ρ3、c3。中間層厚度及材料參數如表2所示。

圖2 潛水服、腳蹼聲學反射系數模型Fig.2 Acoustic reflection coefficient model of diving suit and flippers

表2 潛水服、腳蹼聲學材料參數Table 2 Acoustic material parameters of divingsuits and flippers

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

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

在 0°～90°范圍內，水中干式潛水服反射系數絕對值均在0.996以上。垂直入射時，聲波半波長等于中間層厚度整數倍的頻點發生透射，除此之外，潛水服反射系數絕對值等于1。

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

圖4 腳蹼反射系數隨入射角度和頻率變化規律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，聲波產生全透射，腳蹼反射系數絕對值等于0；入射角小于45°時，腳蹼的反射系數較小，絕對值在0.2以下；當聲波入射角大于 45°斜入射時，隨著入射角增大反射系數絕對值急劇增大，直至為1。由圖4（b）可見，在40～80 kHz頻段，腳蹼垂直反射系數絕對值均小于0.16。

潛水服和腳蹼的反射系數隨角度、頻率的變化規律表明，垂直入射時，潛水服是閉式蛙人回波的主要貢獻者。

4 閉式蛙人回聲特性仿真計算

如圖5所示，建立閉式蛙人回波計算的坐標系。在xoy平面，定義蛙人頭部方向方位角為0°，左側面的方位角為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 閉式蛙人的亮點分布

計算閉式蛙人各個部位的反射聲壓分布，獲得各部位的回波貢獻，以亮度強弱的形式體現。聲波頻率為 70 kHz時，方位角 0°、45°、90°、135°、180°時閉式蛙人的亮點分布如圖6所示。

圖6 閉式蛙人亮點分布（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，對回波起主要作用的強亮點結構為蛙人的手部、頭部、肩部、氧氣管和氧氣瓶頂端；方位角為45°時，對回波有貢獻的結構主要有小腿、側腰、頭部側面、手掌；方位角為 90°時，強反射亮點有潛水服、氧氣管和氧氣瓶的側面；方位角為135°時，強反射亮點有小腿、大腿、臀部、氧氣管以及腋下位置；方位角為180°時，呼吸器、氧氣瓶底部、臀部和膝蓋位置是強反射亮點。

4.2 閉式蛙人時域回波仿真

針對泳姿狀態下閉式蛙人進行時域回波仿真，信號為頻段65～75 kHz、脈寬1 ms的線性調頻信號。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°范圍時對應的距離-角度時域回波強度，圖中橫坐標對應方位角，縱坐標對應蛙人身體與聲源的距離，在0°時，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°泳姿狀態下閉式蛙人回波強度的距離-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一直持續。氧氣瓶、頭部回波較強，而腳蹼和手部回波相對較小。

4.3 閉式蛙人目標強度指向分布及統計分布規律

頻率為70 kHz時，對泳姿狀態蛙人的目標強度進行計算，結果如圖8所示。

圖8 閉式蛙人目標強度仿真結果Fig.8 The predicted directional pattern of target strength of a closed frogman

由圖8閉式蛙人指向目標強度可知，頭部和腳部對應的目標強寬度最大，頭部-3 dB，腳部1 dB；側面對應的目標強度次之，為-6 dB；其他部位的目標強度較小，為-20 dB；目標強度最大值對應腳部方位，是因為氧氣瓶底端圓盤的鏡反射效應。

5 試驗測量

5.1 試驗布放

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

試驗布放如圖10所示，發射陣、水聽器與探測目標布放于同一直線，距離水面的深度h=8 m，發射陣與水聽器之間的距離為r1=5.88 m，水聽器與測量目標之間的距離是r2=8.4m。測量過程中，閉式蛙人泳姿狀態下水平旋轉，旋轉角度為360°。

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

5.2 試驗數據分析

發射頻率為40～80 kHz的線性調頻信號，脈寬為2 ms，閉式蛙人泳姿狀態下旋轉360°，回波強度的距離-角度分布如圖11所示。

圖11 各種泳姿狀態下一個真閉式蛙人回波強度的距離-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的仿真結果有所不同，圖11的測量數據未能明顯呈現氧氣瓶等規則的回波亮線。這是由于在測量過程中，蛙人采用自由懸掛的方式，會存在姿態的隨機動態變化。但從圖11中仍可觀察到腳蹼和頭部的回波。

頻率為70 kHz時目標強度測量結果如圖12所示。側面的目標強度最高，為-6 dB，腳部方位次之，為-7 dB，頭部方位為-11 dB，其他方位數值在-20～-10 dB之間。與圖8對比，試驗結果偏差較大。主要原因是理論計算取蛙人靜態姿態，而測量時真實蛙人的姿態有一定隨機性：（1） 在理論計算時，蛙人背負呼吸系統基本接近水平，0°（頭部方位）和180°（腳蹼方位）時，呼吸裝置頭部和瓶底是強反射亮點；而蛙人實際泳姿，呼吸裝置不一定水平，存在一定的隨機俯仰角，由于氣瓶端面圓盤散射的強指向性，使得 0°和 180°方位角試驗數值偏低。（2） 是在理論計算時，蛙人旋轉身體各部位固定靜止，但試驗中蛙人為保持平衡，軀體姿態一直處于動態變化中。

圖12 實測的閉式蛙人目標強度指向分布Fig.12 The measured directional pattern of target strength of the closed frogman

由于蛙人姿態的隨機性以及蛙人與聲吶相互位置的不確定性，統計其目標強度隨方位角變化的分布規律，確定目標強度分布范圍，對聲吶探測和隱身性能描述具有工程指導價值。對頻率為50、70、80 kHz時的蛙人全方位目標強度的概率密度分布進行分析[20]，比較理論計算與試驗測量的數值分布情況，結果如圖13所示。

圖13 閉式蛙人目標強度概率分布理論計算與試驗測量對比Fig 13 Comparison of the theoretical and experimental target strength probability distributions of the closed frogman

頻率為50 kHz時，理論計算與試驗測量最大概率對應的目標強度分別為-14 dB和-15 dB，基本一致。頻率為70、80 kHz時，理論計算與試驗測量最大概率對應的目標強度相等，分別為-17 dB和-19 dB。上述頻率下，理論計算與試驗測量結果最大概率下降 30%所包含的目標強度范圍一致，分別為-20～-13 dB、-20～-14 dB、-23～-17 dB。

6 結 論

本文建立閉式蛙人回聲特性預報模型，采用真實蛙人進行回聲特性試驗研究，對計算和測試數據進行了對比分析，得到以下結論：

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

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

（3） 蛙人泳姿姿態目標強度概率分布的理論計算和試驗測量數據一致。頻率為50 kHz時目標強度主要分布于-20～-13 dB，頻率為70 kHz時目標強度主要分布于-20～-14 dB，頻率為80 kHz時目標強度主要分布于-23～-17 dB。