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.海軍工程大學兵器工程學院 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”的作戰模式，蛙人等一系列水下小目標將會被用來執行隱蔽偵查和襲擊等任務，這將會對我方海上重要設施和人員生命造成嚴重威脅［1～4］。

目前，各國爭相對蛙人水下聲信號特性進行研究，從海洋生物目標強度的試驗測試到蛙人目標強度的理論建模仿真，一直發展到通過試驗對不同裝備的蛙人目標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 時的目標強度為-25dB左右的結論［3］。美國史蒂文斯理工學院通過大量的試驗，發現蛙人呼吸調節閥上的低壓閥和高壓閥產生的振動是引起蛙人水下聲信號的直接原因［8～12］。自21 世紀初，我國相關機構也開始投入對蛙人水下聲信號的研究。中科院聲學所聯合哈爾濱工程大學對蛙人聲學特性展開一系列研究，總結出蛙人聲輻射信號頻率的顯著特點：一是吸氣聲產生頻率較高，大部分集中在2kHz～13kHz 之間，呼氣聲產生頻率較低，大部分集中在200Hz～2kHz之間［13～16］。

許多國家已經在實戰中運用主動式聲吶探測和識別水下目標，但是主動方式存在探測虛警率高、目標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鍵技術在某些復雜淺海無法得到充分發揮。而蛙人的被動式探測與識別技術則是開發蛙人探測聲吶的另一個重要選擇［1］。本文根據被動探測聲吶的工作原理，設計了蛙人水下聲信號數據采集的試驗方案，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。

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，根據蛙人被動式警戒聲吶探測原理，組織蛙人以不同的姿態進行水下活動。試驗設計了數據采集試驗平臺，搭建了以水聽器為接收源的采集系統，對蛙人的呼吸信號進行了數據采集。

2.1 試驗場地

國際標準恒溫泳池，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）標準水聽器

標準水聽器4 只（依次對應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 標準水聽器實物圖

圖4 采樣儀實物圖

2.3 試驗環境

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 入水適應泳池環境，待心率和呼吸穩定后開始試驗。

圖5 水聽器基陣設計圖

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號為標準水聽器，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下的水下聲信號。首先，采集泳池純環境背景噪聲信號，提取蛙人下水前和剛出水的聲信號，此項測試兩種狀態，持續時間75s，每種狀態測三次。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，持續時間75s，每種狀態測三次。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，持續時間75s，測三次。

3 信號處理

3.1 蛙人信號時域特點

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

圖7 信號時域圖

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

2）目標懸浮時，呈現出明顯的周期，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，目標游泳信號的波形是連續且無明顯周期的，游泳的信號強度接近呼吸的信號，目標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

對水池中純環境背景噪聲信號、目標懸浮時聲信號及目標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）以內的頻域波形圖可以發現：

1）水池背景噪聲：在64kHz以內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，目標信號強度主要集中于7kHz以內。

3）目標在水下，不論出于何種狀態，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信號的強弱，通過時頻譜圖分析可以發現：

1）水池背景噪聲：在64kHz以內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，可能會干擾目標信號。

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

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

4）在64kHz以內，目標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 結語

本文使用聲吶被動探測方式，采集了不同狀態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生的基本原理。我們發現：

1）在時域上，所測試的水池背景噪聲整體水平較低，蛙人懸浮時產生的聲信號呈現周期性變化，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，目標信號強度集中于7kHz 以內；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頻段內較強；在64kHz以內，蛙人游泳時的信號強度普遍高于懸浮時。

后續對蛙人信號的探測還需要考慮以下幾點［18］：

1）優化布置蛙人水下探測聲吶的基陣布局，提升系統探測效率。

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）減少外界環境對聲吶探測產生的干擾，提高探測的信噪比。

雖然國內對蛙人水下警戒聲吶系統的研究才剛剛起步，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，也是未來水聲技術發展的重要方向。