蛙人推进器声散射特性研究

黎 洁,范 军,李 兵

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室 高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海,200240)

0 引言

我国海岸线漫长,沿海建有重要军事港口和航道,它们的安全对国家军事、经济贸易、能源运输和人民生命财产安全都起着至关重要的作用。对于港口和航道安全而言,水下蛙人是其所面临的一项重要威胁[1-5]。

为了对入侵的水下蛙人快速预警,国内外学者对蛙人的探测和识别开展了大量理论和试验研究。Sarangapani 等[6]使用有限长圆柱体模型对水下蛙人进行仿真并计算了蛙人的目标强度;Hollett等[7]通过海上试验测量了开式蛙人身体、潜水服、气瓶以及呼吸产生气泡的目标强度;Houston 等[8]开展了针对开式、闭式蛙人目标强度的水池测量试验,并且利用开式、闭式蛙人声散射特征实现对两类蛙人的识别;Zampolli 等[9]分别使用软、硬柱状空气腔对蛙人肺部、内脏组织和气瓶进行仿真,分析了目标强度随频率的变化规律;姜卫等[10]率先在湖上试验中测得水下动物体肺部组织在20～40 kHz频段范围内目标强度为-25.3 dB;张波等[11]通过湖上试验测量了蛙人携带不同呼吸系统和不同潜水服时的目标强度,认为蛙人的回波主要来源于潜水设备和潜水服;章佳荣等[12]通过试验研究了携带开式呼吸系统蛙人的呼吸特性,对其呼吸声信号进行时频分析和特征提取;王萍等[13]通过湖上试验分别研究了开式、闭式蛙人的呼吸特性;聂东虎等[14]对开式蛙人肺部、氧气瓶和呼吸产生的气泡进行目标强度的测量,同时给出不同姿态下蛙人的目标强度;王琦等[15]建立了闭式蛙人回声特性预报模型,对闭式蛙人全向回声特性进行了湖上试验研究。

上述研究多集中于开式、闭式蛙人在固定姿态下的理论、仿真及试验研究。在各种渗透方式中,水下渗透隐蔽性较强,但由于蛙人体力有限,潜艇很难将蛙人送到指定区域,需要借助蛙人运载器运送。蛙人运载器可大大延伸蛙人的作战范围,到达对于潜艇或水面舰船来说有高度危险的近海及浅水区域,有效提高海军近浅海作战能力。从20 世纪40 年代起,各国纷纷使用蛙人运载器进行渗透攻击,取得了显著战果[16]。蛙人运载器有大型和小型之分。大型蛙人运载器包括湿式蛙人输送艇和干式蛙人运载器。小型蛙人运载器又称蛙人推进器(diver propulsion vehicles,DPV),通常装备有简易水下导航、通信等信息系统。该类装备具有隐蔽性好、机动性强、经济性佳、尺度小及质量轻等特点[17]。关于DPV 的研究多集中在动力、推进、导航、通信和模块化技术等方面,旨在提高DPV 的航程、航速等硬指标,实现其任务灵活性和多用途能力。除此之外,DPV 声隐身性能是特种作战的关键,决定了蛙人部队能否秘密渗透。目前关于DPV 声散射特性的研究在国内外鲜见报道。Houston 等[8]对蛙人推进器声散射信号进行了试验测量,但并未给出具体测量结果。DPV 与无人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)在外形、尺寸等方面具有相似性,刘博等[18]针对UUV 声散射特性开展了仿真及试验研究,结果表明20 kHz 目标正横方向回声强度约为-5 dB,UUV艏端、艉段及前后桅杆在散射中起主要作用。

文中基于Kirchhoff 近似法的近场板块元方法、频域间接法和水中目标回声层析成像方法,研究了某商用DPV 的宽带、全向声散射特性,开展了DPV 静态声散射特性湖上测量试验。DPV 回波试验数据和回波特性分析结果可为水下典型DPV 探测装备研制及声隐身设计提供参考。

1 DPV 声散射特性计算方法

1.1 基于Kirchhoff 近似法的近场板块元方法

Kirchhoff 近似法将目标的散射近似成亮区表面的一个面积分,通过数值积分可以计算任意形状表面的声散射。板块元方法是声呐目标远程、近场回波特性预报的一种数值计算方法。该方法在应用Kirchhoff 近似求解水中目标散射声场时,用1 组平面板块近似目标三维几何表面,将所有板块元的散射声场叠加得到总散射声场的近似值[19-20]。板块元方法把散射声场的积分运算转换为代数求和,大大提高了该方法的运算速度。

针对近场问题,可以把目标表面划分为足够小的平面板块,对于每一个小板块,接收换能器可看作处在远场,从而将远场板块元推广到近场,此时接收总散射声场仍然可近似为所有板块的散射声场之和。每个小板块需满足的尺寸条件为Rmin＞D2/λ,其中Rmin是可以计算的最小距离,D是小板块的最大尺寸,λ是入射声波波长[19]。

假设目标表面划分为N*M个网格,可以得到一系列板块元Sij,由于直接构造的每个板块元的取向不同,它们不可能在同一平面中,需要将不同取向的板块元通过坐标变换统一变换到某个确定的平面上。在新坐标系下,针对收发合置情况下单个板块元的积分可以写作

1.2 频域间接方法

主动声呐目标的散射问题,可以用声信道理论来描述。把目标看作是一个线性系统网络,入射信号看作是系统网络的输入,输出即为目标回波。

假设目标信道的频域响应函数即目标传递函数为H(f),入射信号的频谱函数为S(f),目标瞬态回波可表示为

将PSC(f)进行傅里叶逆变换,得到目标散射声场的瞬态时域回波信号

式中,τ表示时延。

1.3 目标回声层析成像方法

层析(tomography)技术是通过从不同角度得到的一维投影数据来重建物体几何外形及内部结构特征的成像技术,在X 射线医学CT 成像、工业无损检测等领域已得到广泛应用。近年来,通过将这一技术引入到声呐技术,形成了水中目标回声层析成像技术[21]。相比传统的基于高分辨率声呐的水中目标声呐成像技术,水中目标回声层析成像技术工作频率为几十到近百千赫兹,作用距离可达到百米量级,能够直观展现目标不同部位对于整体声场的贡献程度。

2 DPV 静态声散射特性仿真计算

2.1 几何建模

文中研究对象为某商用DPV(见图1(a)),其具有小型DPV 的典型结构,物理实体上主要包括艏部、艇体、导流罩、圆锥体和螺旋桨。模型长0.9 m,主艇体直径为0.195 m。根据该DPV 实际尺寸及材料属性,采用COMSOL 多物理场软件对其进行几何建模,如图1(b)所示。

图1 DPV 实物及几何建模示意图Fig.1 Picture and geometric model of DPV

2.2 数值计算结果与分析

针对图1(b)所建立的DPV 几何模型,基于刚性表面目标声散射特性预报的近场板块元方法开展其声散射特性仿真计算。将整个模型表面剖分成多个三角形,三角形边长小于计算频率波长的1/6,计算忽略了声波在其结构中的多次散射。仿真布置示意图如图2 所示,水听器布放在模型与发射阵之间,水听器距离发射阵5.88 m,目标距离水听器8.4 m。设计声呐发射调频信号,频段为20～40 kHz,脉宽为1 ms,声源和接收器在xoz平面从艏部θ=0°顺时针旋转。

图2 仿真计算布置图Fig.2 Simulation layout

图3 展示了基于板块元方法和频域间接法获得的不同角度目标时域回声强度,0°,90°,180°上方黑色箭头所示DPV 模型分别对应艏部、正横和艉部方向入射时的DPV 二维平面图。从时域回波图中可以看出,DPV 艏部、艉部导流罩、圆锥体和螺旋桨在不同方位角下有明显回波亮点,呈现“8”字回波结构。其中,0°入射时,在14.4 s 附近观察到艏部回波,15.5 s 附近观察到艉部回波;180°入射时,在14.4 s 附近观察到艉部回波,由于艉部对艏部的遮挡作用,在15.5 s 附近的艏部回波相对较弱。

图3 DPV 回声强度角度-时间分布图Fig.3 Angle-time distribution of DPV echo strength

基于图3 中时域回波结果,利用回声层析成像方法,得到DPV 声层析成像结果,如图4 所示。声成像结果显示,时域回波的声层析成像结果可以反映DPV 目标的外形结构,DPV 目标的结构亮点位于艏部(亮点1、2)、艉端圆锥体(亮点3、4、9、12、13)、导流罩(亮点5～8、14、15)和螺旋桨(亮点10、11)。需要注意的是,在图右侧COMSOL 所建模型中,由于导流罩的遮挡,亮点9～11 对应的结构并未观察到。

图4 DPV 声层析成像仿真结果Fig.4 Acoustic tomographic imaging of DPV obtained from simulation

同时,给出20～40 kHz 下DPV 理论计算所得回声强度角度-频率谱,如图5 所示。此角度-频率谱显示,在DPV 艏部(0°)、艉部(180°)以及正横(90°)方位附近回声强度较大,角度稍微偏离这些方位时回声强度下降较快。其中,0°方向入射时,DPV 艏部近似2 个阶梯型平整的刚性圆面,艉部导流罩顶部为刚性圆环平面,因此回波相对较强;艉部方位入射时,因为3 叶螺旋桨、锥体末端圆面以及导流罩底部刚性圆环平面的存在,回波贡献也相对较大。

图5 DPV 回声强度角度-频率分布图Fig.5 Angle-frequency distribution of DPV echo strength

此外,图5 中还显示DPV 艏部附近0°～30°以及正横与艉部中间120°～135°方位存在不同周期的干涉条纹。其中,艏部0°～30°干涉条纹周期较小且存在较大起伏,可以看作艏部两端亮点1、2 与导流罩的两端亮点5、6 干涉导致。假设声源以角度θ入射,DPV 上任意a,b两亮点散射回波在接收器处的相位差

式中:f为声源频率;声速c=1 500 m/s;ΔLa,b为传播方向上亮点a,b的路程差(见图6),可表示为

图6 声传播方向上亮点 a,b路程差示意图Fig.6 Schematic diagram of the distance between bright spots aand bin the direction of acoustic propagation

式中:La,b为亮点a,b间距;θa,b为两点连线与垂直轴夹角;θ为声源入射角。当相位差为 2π整数倍,即Δφa,b=2nπ,n∈N+时,亮点回波之间会产生干涉效应。因此,干涉条纹中声源频率与角度的关系可以根据式(8)表示为

从上式可知,θ ＜θa,b-90°时,频率fa,b随 角度θ增大而减小;反之,当θ ≥θa,b-90°时,fa,b随θ增大而增大。艏部亮点1、2 连线与垂直方向的夹角θ1,2=90°,入射角0°≤θ ≤30°,两者满足式(8)中θ ≥θ1,2-90°=0°,对应的干涉条纹f1,2-θ如图5 中0°～30°范围内向上倾斜的黑色实线所示。艏部亮点2 与导流罩亮点6 连线与垂直方向的夹角θ2,6=171°,入射角0°≤θ ≤30°,两者满足式(8)中θ ＜θ2,6-90°=81°,对应的干涉条纹f2,6-θ如图5 中0°～30°范围内向下倾斜的黑色虚线所示。理论预测干涉条纹与仿真结果吻合较好,但仿真结果中干涉条纹起伏较大,这是由于除了以上干涉条纹之外,亮点1 和5,1 和6,2 和5 以及5 和6 间也会产生干涉,在图中为避免杂乱并未全部呈现。为了更准确地分析干涉条纹产生的原因,将1,2,5,6 共4 个亮点看作点散射体,计算它们在接收器处产生的散射声场之和。假设在图2 所示接收点位置处,任意多个点散射体i产生的散射声场之和可近似写作

图7 艏部亮点与导流罩亮点作为点散射体时的回声强度角度-频率分布图(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° 范围内3 条向上倾斜的干涉条纹可以看作为艉部圆锥体亮点13 与导流罩亮点15 干涉导致。亮点13、15 连线与垂直方向的夹角θ13,15=104o,入射角120o≤θ ≤135o,两者满足式(8)中θ ＞θ13,15-90o=14o,对应的干涉条纹f13,15-θ如图5 中120°～135°向上倾斜黑色实线所示。理论预测与仿真结果吻合较好。将亮点13、15 看作点散射体,令式(9)中i=13,15,接收器处于120°～135°范围内两亮点产生的散射声场之和如图8 所示,干涉条纹与图5 中对应区域的干涉条纹几乎一致,进一步证明了干涉条纹由艉部锥体亮点13 与导流罩亮点15 干涉导致。

图8 艉部圆锥体亮点与导流罩亮点作为点散射体时的回声强度角度-频率分布图(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 试验分析

DPV 声散射特性试验地点为浙江德清县对河口水库726 研究所湖上综合科学试验站。该试验水域平均水深约20 m,四面开阔,风浪较小,信噪比良好。通过发射调频信号,测量DPV 直达波信号及回波信号,获取被测目标的回声强度。

试验布放如图9 所示,水听器布放在模型与发射阵之间,发射阵、目标及标准水听器吊放深度均为8 m,水听器距离发射阵5.88 m,目标距离水听器8.4 m。发射阵发射调频信号后,模型随转台水平匀速旋转,同时采集水听器信号。采集器为Labortechnik Tasler GmbH 公司的LTT。

图9 DPV 声散射特性试验布置图Fig.9 Experimental layout to DPV acoustic scattering characteristics

基于试验测量的DPV 时域回波结构,得到其声层析成像结果,如图10 所示。根据声成像结果,可以清楚分辨小型DPV 目标的外部结构,目标亮点主要位于艏部、艇体、艉端螺旋桨、圆锥体以及导流罩附近。此外,在艏部下方1.6 m 处也能观察到DPV 亮点,这是由于DPV 把手下方的平面结构所致。由于图1(b)几何建模中没有考虑此结构,图4层析成像结果中并未出现对应亮点。

图10 DPV 声层析成像试验结果Fig.10 Acoustic tomographic imaging of the DPV obtained from experiments

图11 给出了典型频点下试验和理论计算的DPV 回声强度正横方位频率响应对比结果。可以看出,20～40 kHz 范围内正横频响曲线试验和理论计算结果吻合较好。

图11 DPV 正横方位频率响应理论与试验结果对比Fig.11 Comparison of theoretical and experimental results of abeam frequency responses of the DPV

表1 给出了DPV 试验和理论计算的正横回声强度对比结果。从中可见,仿真计算和试验测量吻合较好,正横方位回声强度在-10 dB 左右,各典型频点和带宽平均正横方向回声强度试验和理论计算结果误差在3 dB 以内。

表1 DPV 试验和理论计算正横回声强度对比Table 1 Comparison of theoretical and experimental results of abeam echo strength of the DPV

4 结束语

文中从理论建模和湖上试验的角度分别研究了某小型商用DPV 的声散射特性。首先,基于COMSOL 多物理场软件建立DPV 三维精细几何模型,利用近场板块元方法、频域间接法以及声层析成像方法,仿真研究了DPV 时域回波亮点结构和声层析成像结果,发现DPV 亮点主要分布在艏部、艉部圆锥体、导流罩和螺旋桨。同时,获取并分析了DPV 回声强度的角度-频率谱,在DPV 艏部以及正横与艉部中间方位观察到不同周期的干涉条纹。通过分析DPV 不同部位亮点散射声场之和的角度-频率干涉条纹,证明艏部0°～30°附近周期较小的干涉条纹来源于艏部亮点和艉部导流罩顶部亮点的相互干涉,120°～135°附近的3 条干涉条纹是由艉部圆锥亮点和导流罩亮点的相互干涉引起。最后,开展了DPV 静态声散射特性测量湖上验证试验,获得了DPV 正横方位频率响应曲线,试验与仿真结果吻合良好,正横方位回声强度在-10 dB 左右,各典型频点和带宽平均回声强度误差在3 dB 以内。