蛙人推進器聲散射特性研究

黎 潔,范 軍,李 兵

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心,上海,200240)

0 引言

我國海岸線漫長,沿海建有重要軍事港口和航道,它們的安全對國家軍事、經濟貿易、能源運輸和人民生命財產安全都起著至關重要的作用。對于港口和航道安全而言,水下蛙人是其所面臨的一項重要威脅[1-5]。

為了對入侵的水下蛙人快速預警,國內外學者對蛙人的探測和識別開展了大量理論和試驗研究。Sarangapani 等[6]使用有限長圓柱體模型對水下蛙人進行仿真并計算了蛙人的目標強度;Hollett等[7]通過海上試驗測量了開式蛙人身體、潛水服、氣瓶以及呼吸產生氣泡的目標強度;Houston 等[8]開展了針對開式、閉式蛙人目標強度的水池測量試驗,并且利用開式、閉式蛙人聲散射特征實現對兩類蛙人的識別;Zampolli 等[9]分別使用軟、硬柱狀空氣腔對蛙人肺部、內臟組織和氣瓶進行仿真,分析了目標強度隨頻率的變化規律;姜衛等[10]率先在湖上試驗中測得水下動物體肺部組織在20～40 kHz頻段范圍內目標強度為-25.3 dB;張波等[11]通過湖上試驗測量了蛙人攜帶不同呼吸系統和不同潛水服時的目標強度,認為蛙人的回波主要來源于潛水設備和潛水服;章佳榮等[12]通過試驗研究了攜帶開式呼吸系統蛙人的呼吸特性,對其呼吸聲信號進行時頻分析和特征提取;王萍等[13]通過湖上試驗分別研究了開式、閉式蛙人的呼吸特性;聶東虎等[14]對開式蛙人肺部、氧氣瓶和呼吸產生的氣泡進行目標強度的測量,同時給出不同姿態下蛙人的目標強度;王琦等[15]建立了閉式蛙人回聲特性預報模型,對閉式蛙人全向回聲特性進行了湖上試驗研究。

上述研究多集中于開式、閉式蛙人在固定姿態下的理論、仿真及試驗研究。在各種滲透方式中,水下滲透隱蔽性較強,但由于蛙人體力有限,潛艇很難將蛙人送到指定區域,需要借助蛙人運載器運送。蛙人運載器可大大延伸蛙人的作戰范圍,到達對于潛艇或水面艦船來說有高度危險的近海及淺水區域,有效提高海軍近淺海作戰能力。從20 世紀40 年代起,各國紛紛使用蛙人運載器進行滲透攻擊,取得了顯著戰果[16]。蛙人運載器有大型和小型之分。大型蛙人運載器包括濕式蛙人輸送艇和干式蛙人運載器。小型蛙人運載器又稱蛙人推進器(diver propulsion vehicles,DPV),通常裝備有簡易水下導航、通信等信息系統。該類裝備具有隱蔽性好、機動性強、經濟性佳、尺度小及質量輕等特點[17]。關于DPV 的研究多集中在動力、推進、導航、通信和模塊化技術等方面,旨在提高DPV 的航程、航速等硬指標,實現其任務靈活性和多用途能力。除此之外,DPV 聲隱身性能是特種作戰的關鍵,決定了蛙人部隊能否秘密滲透。目前關于DPV 聲散射特性的研究在國內外鮮見報道。Houston 等[8]對蛙人推進器聲散射信號進行了試驗測量,但并未給出具體測量結果。DPV 與無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)在外形、尺寸等方面具有相似性,劉博等[18]針對UUV 聲散射特性開展了仿真及試驗研究,結果表明20 kHz 目標正橫方向回聲強度約為-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 近似法的近場板塊元方法、頻域間接法和水中目標回聲層析成像方法,研究了某商用DPV 的寬帶、全向聲散射特性,開展了DPV 靜態聲散射特性湖上測量試驗。DPV 回波試驗數據和回波特性分析結果可為水下典型DPV 探測裝備研制及聲隱身設計提供參考。

1 DPV 聲散射特性計算方法

1.1 基于Kirchhoff 近似法的近場板塊元方法

Kirchhoff 近似法將目標的散射近似成亮區表面的一個面積分,通過數值積分可以計算任意形狀表面的聲散射。板塊元方法是聲吶目標遠程、近場回波特性預報的一種數值計算方法。該方法在應用Kirchhoff 近似求解水中目標散射聲場時,用1 組平面板塊近似目標三維幾何表面,將所有板塊元的散射聲場疊加得到總散射聲場的近似值[19-20]。板塊元方法把散射聲場的積分運算轉換為代數求和,大大提高了該方法的運算速度。

針對近場問題,可以把目標表面劃分為足夠小的平面板塊,對于每一個小板塊,接收換能器可看作處在遠場,從而將遠場板塊元推廣到近場,此時接收總散射聲場仍然可近似為所有板塊的散射聲場之和。每個小板塊需滿足的尺寸條件為Rmin＞D2/λ,其中Rmin是可以計算的最小距離,D是小板塊的最大尺寸,λ是入射聲波波長[19]。

假設目標表面劃分為N*M個網格,可以得到一系列板塊元Sij,由于直接構造的每個板塊元的取向不同,它們不可能在同一平面中,需要將不同取向的板塊元通過坐標變換統一變換到某個確定的平面上。在新坐標系下,針對收發合置情況下單個板塊元的積分可以寫作

1.2 頻域間接方法

主動聲吶目標的散射問題,可以用聲信道理論來描述。把目標看作是一個線性系統網絡,入射信號看作是系統網絡的輸入,輸出即為目標回波。

假設目標信道的頻域響應函數即目標傳遞函數為H(f),入射信號的頻譜函數為S(f),目標瞬態回波可表示為

將PSC(f)進行傅里葉逆變換,得到目標散射聲場的瞬態時域回波信號

式中,τ表示時延。

1.3 目標回聲層析成像方法

層析(tomography)技術是通過從不同角度得到的一維投影數據來重建物體幾何外形及內部結構特征的成像技術,在X 射線醫學CT 成像、工業無損檢測等領域已得到廣泛應用。近年來,通過將這一技術引入到聲吶技術,形成了水中目標回聲層析成像技術[21]。相比傳統的基于高分辨率聲吶的水中目標聲吶成像技術,水中目標回聲層析成像技術工作頻率為幾十到近百千赫茲,作用距離可達到百米量級,能夠直觀展現目標不同部位對于整體聲場的貢獻程度。

2 DPV 靜態聲散射特性仿真計算

2.1 幾何建模

文中研究對象為某商用DPV(見圖1(a)),其具有小型DPV 的典型結構,物理實體上主要包括艏部、艇體、導流罩、圓錐體和螺旋槳。模型長0.9 m,主艇體直徑為0.195 m。根據該DPV 實際尺寸及材料屬性,采用COMSOL 多物理場軟件對其進行幾何建模,如圖1(b)所示。

圖1 DPV 實物及幾何建模示意圖Fig.1 Picture and geometric model of DPV

2.2 數值計算結果與分析

針對圖1(b)所建立的DPV 幾何模型,基于剛性表面目標聲散射特性預報的近場板塊元方法開展其聲散射特性仿真計算。將整個模型表面剖分成多個三角形,三角形邊長小于計算頻率波長的1/6,計算忽略了聲波在其結構中的多次散射。仿真布置示意圖如圖2 所示,水聽器布放在模型與發射陣之間,水聽器距離發射陣5.88 m,目標距離水聽器8.4 m。設計聲吶發射調頻信號,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°順時針旋轉。

圖2 仿真計算布置圖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時域回聲強度,0°,90°,180°上方黑色箭頭所示DPV 模型分別對應艏部、正橫和艉部方向入射時的DPV 二維平面圖。從時域回波圖中可以看出,DPV 艏部、艉部導流罩、圓錐體和螺旋槳在不同方位角下有明顯回波亮點,呈現“8”字回波結構。其中,0°入射時,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,在14.4 s 附近觀察到艉部回波,由于艉部對艏部的遮擋作用,在15.5 s 附近的艏部回波相對較弱。

圖3 DPV 回聲強度角度-時間分布圖Fig.3 Angle-time distribution of DPV echo strength

基于圖3 中時域回波結果,利用回聲層析成像方法,得到DPV 聲層析成像結果,如圖4 所示。聲成像結果顯示,時域回波的聲層析成像結果可以反映DPV 目標的外形結構,DPV 目標的結構亮點位于艏部(亮點1、2)、艉端圓錐體(亮點3、4、9、12、13)、導流罩(亮點5～8、14、15)和螺旋槳(亮點10、11)。需要注意的是,在圖右側COMSOL 所建模型中,由于導流罩的遮擋,亮點9～11 對應的結構并未觀察到。

圖4 DPV 聲層析成像仿真結果Fig.4 Acoustic tomographic imaging of DPV obtained from simulation

同時,給出20～40 kHz 下DPV 理論計算所得回聲強度角度-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°)方位附近回聲強度較大,角度稍微偏離這些方位時回聲強度下降較快。其中,0°方向入射時,DPV 艏部近似2 個階梯型平整的剛性圓面,艉部導流罩頂部為剛性圓環平面,因此回波相對較強;艉部方位入射時,因為3 葉螺旋槳、錐體末端圓面以及導流罩底部剛性圓環平面的存在,回波貢獻也相對較大。

圖5 DPV 回聲強度角度-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,可以看作艏部兩端亮點1、2 與導流罩的兩端亮點5、6 干涉導致。假設聲源以角度θ入射,DPV 上任意a,b兩亮點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a,b的路程差(見圖6),可表示為

圖6 聲傳播方向上亮點 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a,b間距;θa,b為兩點連線與垂直軸夾角;θ為聲源入射角。當相位差為 2π整數倍,即Δφa,b=2nπ,n∈N+時,亮點回波之間會產生干涉效應。因此,干涉條紋中聲源頻率與角度的關系可以根據式(8)表示為

從上式可知,θ ＜θa,b-90°時,頻率fa,b隨 角度θ增大而減小;反之,當θ ≥θa,b-90°時,fa,b隨θ增大而增大。艏部亮點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°,對應的干涉條紋f1,2-θ如圖5 中0°～30°范圍內向上傾斜的黑色實線所示。艏部亮點2 與導流罩亮點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°,對應的干涉條紋f2,6-θ如圖5 中0°～30°范圍內向下傾斜的黑色虛線所示。理論預測干涉條紋與仿真結果吻合較好,但仿真結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1 和5,1 和6,2 和5 以及5 和6 間也會產生干涉,在圖中為避免雜亂并未全部呈現。為了更準確地分析干涉條紋產生的原因,將1,2,5,6 共4 個亮點看作點散射體,計算它們在接收器處產生的散射聲場之和。假設在圖2 所示接收點位置處,任意多個點散射體i產生的散射聲場之和可近似寫作

圖7 艏部亮點與導流罩亮點作為點散射體時的回聲強度角度-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3 條向上傾斜的干涉條紋可以看作為艉部圓錐體亮點13 與導流罩亮點15 干涉導致。亮點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,對應的干涉條紋f13,15-θ如圖5 中120°～135°向上傾斜黑色實線所示。理論預測與仿真結果吻合較好。將亮點13、15 看作點散射體,令式(9)中i=13,15,接收器處于120°～135°范圍內兩亮點產生的散射聲場之和如圖8 所示,干涉條紋與圖5 中對應區域的干涉條紋幾乎一致,進一步證明了干涉條紋由艉部錐體亮點13 與導流罩亮點15 干涉導致。

圖8 艉部圓錐體亮點與導流罩亮點作為點散射體時的回聲強度角度-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 試驗分析

DPV 聲散射特性試驗地點為浙江德清縣對河口水庫726 研究所湖上綜合科學試驗站。該試驗水域平均水深約20 m,四面開闊,風浪較小,信噪比良好。通過發射調頻信號,測量DPV 直達波信號及回波信號,獲取被測目標的回聲強度。

試驗布放如圖9 所示,水聽器布放在模型與發射陣之間,發射陣、目標及標準水聽器吊放深度均為8 m,水聽器距離發射陣5.88 m,目標距離水聽器8.4 m。發射陣發射調頻信號后,模型隨轉臺水平勻速旋轉,同時采集水聽器信號。采集器為Labortechnik Tasler GmbH 公司的LTT。

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

基于試驗測量的DPV 時域回波結構,得到其聲層析成像結果,如圖10 所示。根據聲成像結果,可以清楚分辨小型DPV 目標的外部結構,目標亮點主要位于艏部、艇體、艉端螺旋槳、圓錐體以及導流罩附近。此外,在艏部下方1.6 m 處也能觀察到DPV 亮點,這是由于DPV 把手下方的平面結構所致。由于圖1(b)幾何建模中沒有考慮此結構,圖4層析成像結果中并未出現對應亮點。

圖10 DPV 聲層析成像試驗結果Fig.10 Acoustic tomographic imaging of the DPV obtained from experiments

圖11 給出了典型頻點下試驗和理論計算的DPV 回聲強度正橫方位頻率響應對比結果。可以看出,20～40 kHz 范圍內正橫頻響曲線試驗和理論計算結果吻合較好。

圖11 DPV 正橫方位頻率響應理論與試驗結果對比Fig.11 Comparison of theoretical and experimental results of abeam frequency responses of the DPV

表1 給出了DPV 試驗和理論計算的正橫回聲強度對比結果。從中可見,仿真計算和試驗測量吻合較好,正橫方位回聲強度在-10 dB 左右,各典型頻點和帶寬平均正橫方向回聲強度試驗和理論計算結果誤差在3 dB 以內。

表1 DPV 試驗和理論計算正橫回聲強度對比Table 1 Comparison of theoretical and experimental results of abeam echo strength of the DPV

4 結束語

文中從理論建模和湖上試驗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 多物理場軟件建立DPV 三維精細幾何模型,利用近場板塊元方法、頻域間接法以及聲層析成像方法,仿真研究了DPV 時域回波亮點結構和聲層析成像結果,發現DPV 亮點主要分布在艏部、艉部圓錐體、導流罩和螺旋槳。同時,獲取并分析了DPV 回聲強度的角度-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。通過分析DPV 不同部位亮點散射聲場之和的角度-頻率干涉條紋,證明艏部0°～30°附近周期較小的干涉條紋來源于艏部亮點和艉部導流罩頂部亮點的相互干涉,120°～135°附近的3 條干涉條紋是由艉部圓錐亮點和導流罩亮點的相互干涉引起。最后,開展了DPV 靜態聲散射特性測量湖上驗證試驗,獲得了DPV 正橫方位頻率響應曲線,試驗與仿真結果吻合良好,正橫方位回聲強度在-10 dB 左右,各典型頻點和帶寬平均回聲強度誤差在3 dB 以內。