蛙人推進(jìn)器聲散射特性研究

黎 潔,范 軍,李 兵

(上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心,上海,200240)

0 引言

我國(guó)海岸線漫長(zhǎng),沿海建有重要軍事港口和航道,它們的安全對(duì)國(guó)家軍事、經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、能源運(yùn)輸和人民生命財(cái)產(chǎn)安全都起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于港口和航道安全而言,水下蛙人是其所面臨的一項(xiàng)重要威脅[1-5]。

為了對(duì)入侵的水下蛙人快速預(yù)警,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蛙人的探測(cè)和識(shí)別開(kāi)展了大量理論和試驗(yàn)研究。Sarangapani 等[6]使用有限長(zhǎng)圓柱體模型對(duì)水下蛙人進(jìn)行仿真并計(jì)算了蛙人的目標(biāo)強(qiáng)度;Hollett等[7]通過(guò)海上試驗(yàn)測(cè)量了開(kāi)式蛙人身體、潛水服、氣瓶以及呼吸產(chǎn)生氣泡的目標(biāo)強(qiáng)度;Houston 等[8]開(kāi)展了針對(duì)開(kāi)式、閉式蛙人目標(biāo)強(qiáng)度的水池測(cè)量試驗(yàn),并且利用開(kāi)式、閉式蛙人聲散射特征實(shí)現(xiàn)對(duì)兩類(lèi)蛙人的識(shí)別;Zampolli 等[9]分別使用軟、硬柱狀空氣腔對(duì)蛙人肺部、內(nèi)臟組織和氣瓶進(jìn)行仿真,分析了目標(biāo)強(qiáng)度隨頻率的變化規(guī)律;姜衛(wèi)等[10]率先在湖上試驗(yàn)中測(cè)得水下動(dòng)物體肺部組織在20～40 kHz頻段范圍內(nèi)目標(biāo)強(qiáng)度為-25.3 dB;張波等[11]通過(guò)湖上試驗(yàn)測(cè)量了蛙人攜帶不同呼吸系統(tǒng)和不同潛水服時(shí)的目標(biāo)強(qiáng)度,認(rèn)為蛙人的回波主要來(lái)源于潛水設(shè)備和潛水服;章佳榮等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了攜帶開(kāi)式呼吸系統(tǒng)蛙人的呼吸特性,對(duì)其呼吸聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析和特征提取;王萍等[13]通過(guò)湖上試驗(yàn)分別研究了開(kāi)式、閉式蛙人的呼吸特性;聶東虎等[14]對(duì)開(kāi)式蛙人肺部、氧氣瓶和呼吸產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行目標(biāo)強(qiáng)度的測(cè)量,同時(shí)給出不同姿態(tài)下蛙人的目標(biāo)強(qiáng)度;王琦等[15]建立了閉式蛙人回聲特性預(yù)報(bào)模型,對(duì)閉式蛙人全向回聲特性進(jìn)行了湖上試驗(yàn)研究。

上述研究多集中于開(kāi)式、閉式蛙人在固定姿態(tài)下的理論、仿真及試驗(yàn)研究。在各種滲透方式中,水下滲透隱蔽性較強(qiáng),但由于蛙人體力有限,潛艇很難將蛙人送到指定區(qū)域,需要借助蛙人運(yùn)載器運(yùn)送。蛙人運(yùn)載器可大大延伸蛙人的作戰(zhàn)范圍,到達(dá)對(duì)于潛艇或水面艦船來(lái)說(shuō)有高度危險(xiǎn)的近海及淺水區(qū)域,有效提高海軍近淺海作戰(zhàn)能力。從20 世紀(jì)40 年代起,各國(guó)紛紛使用蛙人運(yùn)載器進(jìn)行滲透攻擊,取得了顯著戰(zhàn)果[16]。蛙人運(yùn)載器有大型和小型之分。大型蛙人運(yùn)載器包括濕式蛙人輸送艇和干式蛙人運(yùn)載器。小型蛙人運(yùn)載器又稱(chēng)蛙人推進(jìn)器(diver propulsion vehicles,DPV),通常裝備有簡(jiǎn)易水下導(dǎo)航、通信等信息系統(tǒng)。該類(lèi)裝備具有隱蔽性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性佳、尺度小及質(zhì)量輕等特點(diǎn)[17]。關(guān)于DPV 的研究多集中在動(dòng)力、推進(jìn)、導(dǎo)航、通信和模塊化技術(shù)等方面,旨在提高DPV 的航程、航速等硬指標(biāo),實(shí)現(xiàn)其任務(wù)靈活性和多用途能力。除此之外,DPV 聲隱身性能是特種作戰(zhàn)的關(guān)鍵,決定了蛙人部隊(duì)能否秘密滲透。目前關(guān)于DPV 聲散射特性的研究在國(guó)內(nèi)外鮮見(jiàn)報(bào)道。Houston 等[8]對(duì)蛙人推進(jìn)器聲散射信號(hào)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量,但并未給出具體測(cè)量結(jié)果。DPV 與無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)在外形、尺寸等方面具有相似性,劉博等[18]針對(duì)UUV 聲散射特性開(kāi)展了仿真及試驗(yàn)研究,結(jié)果表明20 kHz 目標(biāo)正橫方向回聲強(qiáng)度約為-5 dB,UUV艏端、艉段及前后桅桿在散射中起主要作用。

文中基于Kirchhoff 近似法的近場(chǎng)板塊元方法、頻域間接法和水中目標(biāo)回聲層析成像方法,研究了某商用DPV 的寬帶、全向聲散射特性,開(kāi)展了DPV 靜態(tài)聲散射特性湖上測(cè)量試驗(yàn)。DPV 回波試驗(yàn)數(shù)據(jù)和回波特性分析結(jié)果可為水下典型DPV 探測(cè)裝備研制及聲隱身設(shè)計(jì)提供參考。

1 DPV 聲散射特性計(jì)算方法

1.1 基于Kirchhoff 近似法的近場(chǎng)板塊元方法

Kirchhoff 近似法將目標(biāo)的散射近似成亮區(qū)表面的一個(gè)面積分,通過(guò)數(shù)值積分可以計(jì)算任意形狀表面的聲散射。板塊元方法是聲吶目標(biāo)遠(yuǎn)程、近場(chǎng)回波特性預(yù)報(bào)的一種數(shù)值計(jì)算方法。該方法在應(yīng)用Kirchhoff 近似求解水中目標(biāo)散射聲場(chǎng)時(shí),用1 組平面板塊近似目標(biāo)三維幾何表面,將所有板塊元的散射聲場(chǎng)疊加得到總散射聲場(chǎng)的近似值[19-20]。板塊元方法把散射聲場(chǎng)的積分運(yùn)算轉(zhuǎn)換為代數(shù)求和,大大提高了該方法的運(yùn)算速度。

針對(duì)近場(chǎng)問(wèn)題,可以把目標(biāo)表面劃分為足夠小的平面板塊,對(duì)于每一個(gè)小板塊,接收換能器可看作處在遠(yuǎn)場(chǎng),從而將遠(yuǎn)場(chǎng)板塊元推廣到近場(chǎng),此時(shí)接收總散射聲場(chǎng)仍然可近似為所有板塊的散射聲場(chǎng)之和。每個(gè)小板塊需滿足的尺寸條件為Rmin＞D2/λ,其中Rmin是可以計(jì)算的最小距離,D是小板塊的最大尺寸,λ是入射聲波波長(zhǎng)[19]。

假設(shè)目標(biāo)表面劃分為N*M個(gè)網(wǎng)格,可以得到一系列板塊元Sij,由于直接構(gòu)造的每個(gè)板塊元的取向不同,它們不可能在同一平面中,需要將不同取向的板塊元通過(guò)坐標(biāo)變換統(tǒng)一變換到某個(gè)確定的平面上。在新坐標(biāo)系下,針對(duì)收發(fā)合置情況下單個(gè)板塊元的積分可以寫(xiě)作

1.2 頻域間接方法

主動(dòng)聲吶目標(biāo)的散射問(wèn)題,可以用聲信道理論來(lái)描述。把目標(biāo)看作是一個(gè)線性系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),入射信號(hào)看作是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,輸出即為目標(biāo)回波。

假設(shè)目標(biāo)信道的頻域響應(yīng)函數(shù)即目標(biāo)傳遞函數(shù)為H(f),入射信號(hào)的頻譜函數(shù)為S(f),目標(biāo)瞬態(tài)回波可表示為

將PSC(f)進(jìn)行傅里葉逆變換,得到目標(biāo)散射聲場(chǎng)的瞬態(tài)時(shí)域回波信號(hào)

式中,τ表示時(shí)延。

1.3 目標(biāo)回聲層析成像方法

層析(tomography)技術(shù)是通過(guò)從不同角度得到的一維投影數(shù)據(jù)來(lái)重建物體幾何外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的成像技術(shù),在X 射線醫(yī)學(xué)CT 成像、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái),通過(guò)將這一技術(shù)引入到聲吶技術(shù),形成了水中目標(biāo)回聲層析成像技術(shù)[21]。相比傳統(tǒng)的基于高分辨率聲吶的水中目標(biāo)聲吶成像技術(shù),水中目標(biāo)回聲層析成像技術(shù)工作頻率為幾十到近百千赫茲,作用距離可達(dá)到百米量級(jí),能夠直觀展現(xiàn)目標(biāo)不同部位對(duì)于整體聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)程度。

2 DPV 靜態(tài)聲散射特性仿真計(jì)算

2.1 幾何建模

文中研究對(duì)象為某商用DPV(見(jiàn)圖1(a)),其具有小型DPV 的典型結(jié)構(gòu),物理實(shí)體上主要包括艏部、艇體、導(dǎo)流罩、圓錐體和螺旋槳。模型長(zhǎng)0.9 m,主艇體直徑為0.195 m。根據(jù)該DPV 實(shí)際尺寸及材料屬性,采用COMSOL 多物理場(chǎng)軟件對(duì)其進(jìn)行幾何建模,如圖1(b)所示。

圖1 DPV 實(shí)物及幾何建模示意圖Fig.1 Picture and geometric model of DPV

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

針對(duì)圖1(b)所建立的DPV 幾何模型,基于剛性表面目標(biāo)聲散射特性預(yù)報(bào)的近場(chǎng)板塊元方法開(kāi)展其聲散射特性仿真計(jì)算。將整個(gè)模型表面剖分成多個(gè)三角形,三角形邊長(zhǎng)小于計(jì)算頻率波長(zhǎng)的1/6,計(jì)算忽略了聲波在其結(jié)構(gòu)中的多次散射。仿真布置示意圖如圖2 所示,水聽(tīng)器布放在模型與發(fā)射陣之間,水聽(tīng)器距離發(fā)射陣5.88 m,目標(biāo)距離水聽(tīng)器8.4 m。設(shè)計(jì)聲吶發(fā)射調(diào)頻信號(hào),頻段為20～40 kHz,脈寬為1 ms,聲源和接收器在xoz平面從艏部θ=0°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖2 仿真計(jì)算布置圖Fig.2 Simulation layout

圖3 展示了基于板塊元方法和頻域間接法獲得的不同角度目標(biāo)時(shí)域回聲強(qiáng)度,0°,90°,180°上方黑色箭頭所示DPV 模型分別對(duì)應(yīng)艏部、正橫和艉部方向入射時(shí)的DPV 二維平面圖。從時(shí)域回波圖中可以看出,DPV 艏部、艉部導(dǎo)流罩、圓錐體和螺旋槳在不同方位角下有明顯回波亮點(diǎn),呈現(xiàn)“8”字回波結(jié)構(gòu)。其中,0°入射時(shí),在14.4 s 附近觀察到艏部回波,15.5 s 附近觀察到艉部回波;180°入射時(shí),在14.4 s 附近觀察到艉部回波,由于艉部對(duì)艏部的遮擋作用,在15.5 s 附近的艏部回波相對(duì)較弱。

圖3 DPV 回聲強(qiáng)度角度-時(shí)間分布圖Fig.3 Angle-time distribution of DPV echo strength

基于圖3 中時(shí)域回波結(jié)果,利用回聲層析成像方法,得到DPV 聲層析成像結(jié)果,如圖4 所示。聲成像結(jié)果顯示,時(shí)域回波的聲層析成像結(jié)果可以反映DPV 目標(biāo)的外形結(jié)構(gòu),DPV 目標(biāo)的結(jié)構(gòu)亮點(diǎn)位于艏部(亮點(diǎn)1、2)、艉端圓錐體(亮點(diǎn)3、4、9、12、13)、導(dǎo)流罩(亮點(diǎn)5～8、14、15)和螺旋槳(亮點(diǎn)10、11)。需要注意的是,在圖右側(cè)COMSOL 所建模型中,由于導(dǎo)流罩的遮擋,亮點(diǎn)9～11 對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)并未觀察到。

圖4 DPV 聲層析成像仿真結(jié)果Fig.4 Acoustic tomographic imaging of DPV obtained from simulation

同時(shí),給出20～40 kHz 下DPV 理論計(jì)算所得回聲強(qiáng)度角度-頻率譜,如圖5 所示。此角度-頻率譜顯示,在DPV 艏部(0°)、艉部(180°)以及正橫(90°)方位附近回聲強(qiáng)度較大,角度稍微偏離這些方位時(shí)回聲強(qiáng)度下降較快。其中,0°方向入射時(shí),DPV 艏部近似2 個(gè)階梯型平整的剛性圓面,艉部導(dǎo)流罩頂部為剛性圓環(huán)平面,因此回波相對(duì)較強(qiáng);艉部方位入射時(shí),因?yàn)? 葉螺旋槳、錐體末端圓面以及導(dǎo)流罩底部剛性圓環(huán)平面的存在,回波貢獻(xiàn)也相對(duì)較大。

圖5 DPV 回聲強(qiáng)度角度-頻率分布圖Fig.5 Angle-frequency distribution of DPV echo strength

此外,圖5 中還顯示DPV 艏部附近0°～30°以及正橫與艉部中間120°～135°方位存在不同周期的干涉條紋。其中,艏部0°～30°干涉條紋周期較小且存在較大起伏,可以看作艏部?jī)啥肆咙c(diǎn)1、2 與導(dǎo)流罩的兩端亮點(diǎn)5、6 干涉導(dǎo)致。假設(shè)聲源以角度θ入射,DPV 上任意a,b兩亮點(diǎn)散射回波在接收器處的相位差

式中:f為聲源頻率;聲速c=1 500 m/s;ΔLa,b為傳播方向上亮點(diǎn)a,b的路程差(見(jiàn)圖6),可表示為

圖6 聲傳播方向上亮點(diǎn) a,b路程差示意圖Fig.6 Schematic diagram of the distance between bright spots aand bin the direction of acoustic propagation

式中:La,b為亮點(diǎn)a,b間距;θa,b為兩點(diǎn)連線與垂直軸夾角;θ為聲源入射角。當(dāng)相位差為 2π整數(shù)倍,即Δφa,b=2nπ,n∈N+時(shí),亮點(diǎn)回波之間會(huì)產(chǎn)生干涉效應(yīng)。因此,干涉條紋中聲源頻率與角度的關(guān)系可以根據(jù)式(8)表示為

從上式可知,θ ＜θa,b-90°時(shí),頻率fa,b隨 角度θ增大而減小;反之,當(dāng)θ ≥θa,b-90°時(shí),fa,b隨θ增大而增大。艏部亮點(diǎn)1、2 連線與垂直方向的夾角θ1,2=90°,入射角0°≤θ ≤30°,兩者滿足式(8)中θ ≥θ1,2-90°=0°,對(duì)應(yīng)的干涉條紋f1,2-θ如圖5 中0°～30°范圍內(nèi)向上傾斜的黑色實(shí)線所示。艏部亮點(diǎn)2 與導(dǎo)流罩亮點(diǎn)6 連線與垂直方向的夾角θ2,6=171°,入射角0°≤θ ≤30°,兩者滿足式(8)中θ ＜θ2,6-90°=81°,對(duì)應(yīng)的干涉條紋f2,6-θ如圖5 中0°～30°范圍內(nèi)向下傾斜的黑色虛線所示。理論預(yù)測(cè)干涉條紋與仿真結(jié)果吻合較好,但仿真結(jié)果中干涉條紋起伏較大,這是由于除了以上干涉條紋之外,亮點(diǎn)1 和5,1 和6,2 和5 以及5 和6 間也會(huì)產(chǎn)生干涉,在圖中為避免雜亂并未全部呈現(xiàn)。為了更準(zhǔn)確地分析干涉條紋產(chǎn)生的原因,將1,2,5,6 共4 個(gè)亮點(diǎn)看作點(diǎn)散射體,計(jì)算它們?cè)诮邮掌魈幃a(chǎn)生的散射聲場(chǎng)之和。假設(shè)在圖2 所示接收點(diǎn)位置處,任意多個(gè)點(diǎn)散射體i產(chǎn)生的散射聲場(chǎng)之和可近似寫(xiě)作

圖7 艏部亮點(diǎn)與導(dǎo)流罩亮點(diǎn)作為點(diǎn)散射體時(shí)的回聲強(qiáng)度角度-頻率分布圖(0°～30°)Fig.7 Angle-frequency distribution(0°～30°)of echo strength when bright spots at the bow and the dome are treated as point scatterers

同理,120°～135° 范圍內(nèi)3 條向上傾斜的干涉條紋可以看作為艉部圓錐體亮點(diǎn)13 與導(dǎo)流罩亮點(diǎn)15 干涉導(dǎo)致。亮點(diǎn)13、15 連線與垂直方向的夾角θ13,15=104o,入射角120o≤θ ≤135o,兩者滿足式(8)中θ ＞θ13,15-90o=14o,對(duì)應(yīng)的干涉條紋f13,15-θ如圖5 中120°～135°向上傾斜黑色實(shí)線所示。理論預(yù)測(cè)與仿真結(jié)果吻合較好。將亮點(diǎn)13、15 看作點(diǎn)散射體,令式(9)中i=13,15,接收器處于120°～135°范圍內(nèi)兩亮點(diǎn)產(chǎn)生的散射聲場(chǎng)之和如圖8 所示,干涉條紋與圖5 中對(duì)應(yīng)區(qū)域的干涉條紋幾乎一致,進(jìn)一步證明了干涉條紋由艉部錐體亮點(diǎn)13 與導(dǎo)流罩亮點(diǎn)15 干涉導(dǎo)致。

圖8 艉部圓錐體亮點(diǎn)與導(dǎo)流罩亮點(diǎn)作為點(diǎn)散射體時(shí)的回聲強(qiáng)度角度-頻率分布圖(120°～135°)Fig.8 Angle-frequency distribution(120°～135°)of echo strength when bright spots at the stern cone and the shroud are treated as point scatterers

3 試驗(yàn)分析

DPV 聲散射特性試驗(yàn)地點(diǎn)為浙江德清縣對(duì)河口水庫(kù)726 研究所湖上綜合科學(xué)試驗(yàn)站。該試驗(yàn)水域平均水深約20 m,四面開(kāi)闊,風(fēng)浪較小,信噪比良好。通過(guò)發(fā)射調(diào)頻信號(hào),測(cè)量DPV 直達(dá)波信號(hào)及回波信號(hào),獲取被測(cè)目標(biāo)的回聲強(qiáng)度。

試驗(yàn)布放如圖9 所示,水聽(tīng)器布放在模型與發(fā)射陣之間,發(fā)射陣、目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器吊放深度均為8 m,水聽(tīng)器距離發(fā)射陣5.88 m,目標(biāo)距離水聽(tīng)器8.4 m。發(fā)射陣發(fā)射調(diào)頻信號(hào)后,模型隨轉(zhuǎn)臺(tái)水平勻速旋轉(zhuǎn),同時(shí)采集水聽(tīng)器信號(hào)。采集器為L(zhǎng)abortechnik Tasler GmbH 公司的LTT。

圖9 DPV 聲散射特性試驗(yàn)布置圖Fig.9 Experimental layout to DPV acoustic scattering characteristics

基于試驗(yàn)測(cè)量的DPV 時(shí)域回波結(jié)構(gòu),得到其聲層析成像結(jié)果,如圖10 所示。根據(jù)聲成像結(jié)果,可以清楚分辨小型DPV 目標(biāo)的外部結(jié)構(gòu),目標(biāo)亮點(diǎn)主要位于艏部、艇體、艉端螺旋槳、圓錐體以及導(dǎo)流罩附近。此外,在艏部下方1.6 m 處也能觀察到DPV 亮點(diǎn),這是由于DPV 把手下方的平面結(jié)構(gòu)所致。由于圖1(b)幾何建模中沒(méi)有考慮此結(jié)構(gòu),圖4層析成像結(jié)果中并未出現(xiàn)對(duì)應(yīng)亮點(diǎn)。

圖10 DPV 聲層析成像試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Acoustic tomographic imaging of the DPV obtained from experiments

圖11 給出了典型頻點(diǎn)下試驗(yàn)和理論計(jì)算的DPV 回聲強(qiáng)度正橫方位頻率響應(yīng)對(duì)比結(jié)果。可以看出,20～40 kHz 范圍內(nèi)正橫頻響曲線試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果吻合較好。

圖11 DPV 正橫方位頻率響應(yīng)理論與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of theoretical and experimental results of abeam frequency responses of the DPV

表1 給出了DPV 試驗(yàn)和理論計(jì)算的正橫回聲強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果。從中可見(jiàn),仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量吻合較好,正橫方位回聲強(qiáng)度在-10 dB 左右,各典型頻點(diǎn)和帶寬平均正橫方向回聲強(qiáng)度試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果誤差在3 dB 以內(nèi)。

表1 DPV 試驗(yàn)和理論計(jì)算正橫回聲強(qiáng)度對(duì)比Table 1 Comparison of theoretical and experimental results of abeam echo strength of the DPV

4 結(jié)束語(yǔ)

文中從理論建模和湖上試驗(yàn)的角度分別研究了某小型商用DPV 的聲散射特性。首先,基于COMSOL 多物理場(chǎng)軟件建立DPV 三維精細(xì)幾何模型,利用近場(chǎng)板塊元方法、頻域間接法以及聲層析成像方法,仿真研究了DPV 時(shí)域回波亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)和聲層析成像結(jié)果,發(fā)現(xiàn)DPV 亮點(diǎn)主要分布在艏部、艉部圓錐體、導(dǎo)流罩和螺旋槳。同時(shí),獲取并分析了DPV 回聲強(qiáng)度的角度-頻率譜,在DPV 艏部以及正橫與艉部中間方位觀察到不同周期的干涉條紋。通過(guò)分析DPV 不同部位亮點(diǎn)散射聲場(chǎng)之和的角度-頻率干涉條紋,證明艏部0°～30°附近周期較小的干涉條紋來(lái)源于艏部亮點(diǎn)和艉部導(dǎo)流罩頂部亮點(diǎn)的相互干涉,120°～135°附近的3 條干涉條紋是由艉部圓錐亮點(diǎn)和導(dǎo)流罩亮點(diǎn)的相互干涉引起。最后,開(kāi)展了DPV 靜態(tài)聲散射特性測(cè)量湖上驗(yàn)證試驗(yàn),獲得了DPV 正橫方位頻率響應(yīng)曲線,試驗(yàn)與仿真結(jié)果吻合良好,正橫方位回聲強(qiáng)度在-10 dB 左右,各典型頻點(diǎn)和帶寬平均回聲強(qiáng)度誤差在3 dB 以內(nèi)。