蛙人水下聲信號特性試驗研究*

孫玉臣 張志強 鄭師哲 孫玉祥 孫奉祥

（1.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）（2.中國人民解放軍92767部隊 青島 266102）（3.中國人民解放軍92667部隊 青島 266100）

1 引言

一直以來，水面艦船和潛艇等大型目標(biāo)是近海沿岸的主要威脅對象。近年來，隨著各國軍事力量逐步重視“非對稱”的作戰(zhàn)模式，蛙人等一系列水下小目標(biāo)將會被用來執(zhí)行隱蔽偵查和襲擊等任務(wù)，這將會對我方海上重要設(shè)施和人員生命造成嚴(yán)重威脅［1～4］。

目前，各國爭相對蛙人水下聲信號特性進行研究，從海洋生物目標(biāo)強度的試驗測試到蛙人目標(biāo)強度的理論建模仿真，一直發(fā)展到通過試驗對不同裝備的蛙人目標(biāo)信號進行測試和研究［4～7］。2006 年，歐盟水下防御會議對人體反射強度的初步模型進行了討論與建模，給出了蛙人在頻率100kHz 時的目標(biāo)強度為-25dB左右的結(jié)論［3］。美國史蒂文斯理工學(xué)院通過大量的試驗，發(fā)現(xiàn)蛙人呼吸調(diào)節(jié)閥上的低壓閥和高壓閥產(chǎn)生的振動是引起蛙人水下聲信號的直接原因［8～12］。自21 世紀(jì)初，我國相關(guān)機構(gòu)也開始投入對蛙人水下聲信號的研究。中科院聲學(xué)所聯(lián)合哈爾濱工程大學(xué)對蛙人聲學(xué)特性展開一系列研究，總結(jié)出蛙人聲輻射信號頻率的顯著特點：一是吸氣聲產(chǎn)生頻率較高，大部分集中在2kHz～13kHz 之間，呼氣聲產(chǎn)生頻率較低，大部分集中在200Hz～2kHz之間［13～16］。

許多國家已經(jīng)在實戰(zhàn)中運用主動式聲吶探測和識別水下目標(biāo)，但是主動方式存在探測虛警率高、目標(biāo)識別的效率低等缺點［4］。另外，受制于混響等因素，主動式聲吶的部分關(guān)鍵技術(shù)在某些復(fù)雜淺海無法得到充分發(fā)揮。而蛙人的被動式探測與識別技術(shù)則是開發(fā)蛙人探測聲吶的另一個重要選擇［1］。本文根據(jù)被動探測聲吶的工作原理，設(shè)計了蛙人水下聲信號數(shù)據(jù)采集的試驗方案，針對采集到的蛙人水下聲信號，對其時域、頻域及時頻譜等信號特點進行了分析，希望能夠為蛙人探測研究提供一定的依據(jù)。

2 試驗介紹

我們以攜帶開式潛水呼吸器的蛙人為研究對象，根據(jù)蛙人被動式警戒聲吶探測原理，組織蛙人以不同的姿態(tài)進行水下活動。試驗設(shè)計了數(shù)據(jù)采集試驗平臺，搭建了以水聽器為接收源的采集系統(tǒng)，對蛙人的呼吸信號進行了數(shù)據(jù)采集。

2.1 試驗場地

國際標(biāo)準(zhǔn)恒溫泳池，水池尺寸長×寬×深為50m×25m×4m，池壁及池底為瓷磚。

圖1 試驗場地平面圖

2.2 試驗儀器

1）自研水聽器樣機

采用4只自研水聽器進行測試（依次對應(yīng)1號～4 號水聽器，每只水聽器15m 電纜，不帶外罩，靈敏度-167dB@1kHz）。

2）標(biāo)準(zhǔn)水聽器

標(biāo)準(zhǔn)水聽器4 只（依次對應(yīng)5 號～8 號水聽器），每只水聽器15m 電纜，不帶外罩，頻率范圍10Hz～100kHz，靈敏度-208.9dB@1kHz）。

采集儀為HIKIO 16 通道采集儀，每通道采樣率128kHz。

圖2 自研水聽器實物圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)水聽器實物圖

圖4 采樣儀實物圖

2.3 試驗環(huán)境

水溫30.0℃，蛙人身高175cm，體重66kg，身材勻稱，著開式濕式潛水服。在進行試驗前，蛙人提前5min 入水適應(yīng)泳池環(huán)境，待心率和呼吸穩(wěn)定后開始試驗。

圖5 水聽器基陣設(shè)計圖

2.4 試驗平臺搭建

基陣總體呈雙“十”字型排列，其中1號～4號為自研水聽器，5號～8號為標(biāo)準(zhǔn)水聽器，8只水聽器處于同一水深。基陣中相鄰陣元距離1m，整套基陣長3m，寬2m。

圖6 水聽器基陣實物圖

水聽器座底放置，靠中央池壁0.3m，為避免混響干擾，水聽器距水底0.3m。

2.5 試驗條件與變量

試驗測試了蛙人在不同狀態(tài)下的水下聲信號。首先，采集泳池純環(huán)境背景噪聲信號，提取蛙人下水前和剛出水的聲信號，此項測試兩種狀態(tài)，持續(xù)時間75s，每種狀態(tài)測三次。其次，測量單個蛙人在水中懸浮時的靜止信號。蛙人定深2m懸浮于泳池中，提取蛙人距離基陣5m 和20m 時的水下聲信號。此項測試共兩種狀態(tài)，持續(xù)時間75s，每種狀態(tài)測三次。最后，測量單個蛙人游動聲信號。蛙人定深2m 在泳池一端及基陣之間來回游泳，提取蛙人游動時的水下聲信號。此項測試共一種狀態(tài)，持續(xù)時間75s，測三次。

3 信號處理

3.1 蛙人信號時域特點

我們對水池中純環(huán)境背景噪聲信號、目標(biāo)懸浮時及游泳時聲信號分別進行時域處理，形成的結(jié)果見圖7。

圖7 信號時域圖

1）試驗所用水池背景噪聲水平較低，目標(biāo)信號明顯。目標(biāo)懸浮時的信號波形周期顯著；目標(biāo)游泳時的信號較復(fù)雜，沒有明顯的周期。

2）目標(biāo)懸浮時，呈現(xiàn)出明顯的周期，該周期與人類生理性呼吸周期相吻合。

3）目標(biāo)游泳時的信號強，對蛙人呼吸信號造成了干擾。從時域圖可以看出，目標(biāo)游泳信號的波形是連續(xù)且無明顯周期的，游泳的信號強度接近呼吸的信號，目標(biāo)呼吸信號波形的周期已不能明顯分辨。

3.2 蛙人信號頻域特點

對水池中純環(huán)境背景噪聲信號、目標(biāo)懸浮時聲信號及目標(biāo)游泳時聲信號分別進行快速傅里葉變換，提取頻域波形，分析奈奎斯特頻率（64kHz）以內(nèi)的頻域波形圖可以發(fā)現(xiàn)：

1）水池背景噪聲：在64kHz以內(nèi)的背景噪聲整體水平較低，但始終有4.1kHz的噪聲。

2）不論是在懸浮時還是游泳時，目標(biāo)信號強度主要集中于7kHz以內(nèi)。

3）目標(biāo)在水下，不論出于何種狀態(tài)，有較高信號強度的頻段為1.4kHz～1.7kHz頻段，3.5kHz～4.5kHz頻段，46kHz～48kHz頻段。

4）僅在目標(biāo)游泳時，35kHz 頻率附近信號突出，這與瑞典國防研究所的研究結(jié)果相吻合［18］。

圖8 0Hz～64kHz頻段信號頻域圖

3.3 蛙人信號時頻譜特點

時頻譜通過譜圖顏色的冷暖或深淺來體現(xiàn)信號的強弱，通過時頻譜圖分析可以發(fā)現(xiàn)：

1）水池背景噪聲：在64kHz以內(nèi)背景噪聲整體水平較低，但在4.1kHz頻率附近及600Hz以下頻段有較強的噪聲，可能會干擾目標(biāo)信號。

2）目標(biāo)在水下的呼吸周期明顯，吸氣信號遍布于64kHz以內(nèi)，目標(biāo)信號強度主要集中于7kHz以內(nèi)。

3）相比背景噪聲信號，目標(biāo)在水下的信號在3.5kHz～4.5kHz頻段及46kHz～48kHz頻段內(nèi)較強。

4）在64kHz以內(nèi)，目標(biāo)游泳時的信號強度普遍高于懸浮時。

圖9 0Hz～64kHz頻段信號時頻譜

4 結(jié)語

本文使用聲吶被動探測方式，采集了不同狀態(tài)下的蛙人水下聲信號，研究了蛙人水下聲信號在時域、頻域和時頻譜方面的特點，分析了蛙人水下聲信號產(chǎn)生的基本原理。我們發(fā)現(xiàn)：

1）在時域上，所測試的水池背景噪聲整體水平較低，蛙人懸浮時產(chǎn)生的聲信號呈現(xiàn)周期性變化，周期約為3s，與人體生理性呼吸基本一致；游泳時波形連續(xù)但無明顯的周期性變化，信號強度接近呼吸信號。

2）在頻域上，始終有4.1kHz 的背景噪聲，當(dāng)蛙人游泳時，35kHz 頻率附近的信噪比突出；不論蛙人懸浮還是游泳，在1.4kHz～1.7kHz 頻段、3.5kHz～4.5kHz 頻段和46kHz～48kHz 頻段上都具有較高的目標(biāo)強度。

3）在時頻譜上，4.1kHz 頻率附近及600Hz 以下頻段有較強的背景噪聲，蛙人的吸氣信號分布于64kHz 以內(nèi)，目標(biāo)信號強度集中于7kHz 以內(nèi)；相比于背景噪聲信號，蛙人的水下聲信號在3.5kHz～4.5kHz頻段以及46kHz～48kHz頻段內(nèi)較強；在64kHz以內(nèi)，蛙人游泳時的信號強度普遍高于懸浮時。

后續(xù)對蛙人信號的探測還需要考慮以下幾點［18］：

1）優(yōu)化布置蛙人水下探測聲吶的基陣布局，提升系統(tǒng)探測效率。

2）提高終端軟件成像界面的可視化程度和人機工作效率。

3）減少外界環(huán)境對聲吶探測產(chǎn)生的干擾，提高探測的信噪比。

雖然國內(nèi)對蛙人水下警戒聲吶系統(tǒng)的研究才剛剛起步，但也取得了不少的科研成果。做好重點海域水下安保工作以及防止敵方蛙人對我重要設(shè)施的突襲破壞，是我國蛙人水下探測與識別聲吶的研究重點，也是未來水聲技術(shù)發(fā)展的重要方向。