蛙人水下声信号特性试验研究_孙玉臣.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期1引言一直以来，水面舰船和潜艇等大型目标是近海沿岸的主要威胁对象。近年来，随着各国军事力量逐步重视“非对称”的作战模式，蛙人等一系列水下小目标将会被用来执行隐蔽侦查和袭击等任务，这将会对我方海上重要设施和人员生命造成严重威胁14。目前，各国争相对蛙人水下声信号特性进行研究，从海洋生物目标强度的试验测试到蛙人目标强度的理论建模仿真，一直发展到通过试验对不同装备的蛙人目标信号进行测试和研究47。2006年，欧盟水下防御会议对人体反射强度的初步模型进行了讨论与建模，给出了蛙人在频率100kHz时的目标强度为-25dB左右的结论3。美国史蒂文斯理工学院通过大量的试验，发现蛙人呼吸调节阀上的低压阀和高压阀产生的振动是引起蛙人水下声信号的直接原因812。自21世纪初，我国相关机构也开始投入对蛙人水下声信号的研究。中科院声学所联合哈尔滨工程大学对蛙人声学特性展开一系收稿日期：2022年9月3日，修回日期：2022年10月7日作者简介：孙玉臣，男，博士研究生，工程师，研究方向：水声换能器设计制备及水声信号处理。张志强，男，博士，副教授，研究方向：水下目标探测。郑师哲，男，助理工程师，研究方向：水声信号处理。孙玉祥，男，技师，研究方向：水下目标探测。孙奉祥，男，技师，研究方向：目标探测与识别。蛙人水下声信号特性试验研究孙玉臣1，2张志强1郑师哲1孙玉祥2孙奉祥3（1.海军工程大学兵器工程学院武汉430033）（2.中国人民解放军92767部队青岛266102）（3.中国人民解放军92667部队青岛266100）摘要随着水中兵器技术的逐步发展，近海沿岸防御敌水下小目标渗透入侵的问题已经越来越严峻。为掌握水下小目标的信号特性，论文以蛙人为研究对象，组织蛙人在水下以悬浮停留和运动前行两种不同的姿态进行试验，对背景环境噪声和蛙人水下声信号进行数据采集。并对其时域、频域以及时频谱信号进行分析，研究出蛙人水下的声信号特性，期望为蛙人被动警戒系统的研制提供参考。关键词探测与识别；水下声信号；被动声呐；蛙人中图分类号TB566DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.038Research on Underwater Acoustic Signal Characteristics of FrogmanSUN Yuchen1，2ZHANG Zhiqiang1ZHENG Shizhe1SUN Yuxiang2SUN Fengxiang3（1.Academy of Weaponry Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan430033）（2.No.92767 Troops of PLA，Qingdao266102）（3.No.92667 Troops of PLA，Qingdao266100）AbstractWith the gradual development of underwater weapon technology，the problem of defending against the penetrationand invasion of underwater small targets by the enemy along the coast has become more and more serious.In order to master the signal characteristics of underwater small targets，This paper takes the frogman as the research object，organizes the frogman to conduct experiments in two different attitudes of suspension and moving forward，and collectes the background environmental noise andunderwater acoustic signals of the frogman.The time domain，frequency domain and time spectrum signals are analyzed，and the underwater acoustic signal characteristics of the frogman are studied，which is expected to provide a reference for the development ofthe frogman passive warning system.Key Wordsdetection and identification，underwater acoustic signal，passive sonar，frogmanClass NumberTB566总第 345 期2023 年第 3 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.3183总第345期列研究，总结出蛙人声辐射信号频率的显著特点：一是吸气声产生频率较高，大部分集中在 2kHz13kHz之间，呼气声产生频率较低，大部分集中在200Hz2kHz之间1316。许多国家已经在实战中运用主动式声呐探测和识别水下目标，但是主动方式存在探测虚警率高、目标识别的效率低等缺点4。另外，受制于混响等因素，主动式声呐的部分关键技术在某些复杂浅海无法得到充分发挥。而蛙人的被动式探测与识别技术则是开发蛙人探测声呐的另一个重要选择1。本文根据被动探测声呐的工作原理，设计了蛙人水下声信号数据采集的试验方案，针对采集到的蛙人水下声信号，对其时域、频域及时频谱等信号特点进行了分析，希望能够为蛙人探测研究提供一定的依据。2试验介绍我们以携带开式潜水呼吸器的蛙人为研究对象，根据蛙人被动式警戒声呐探测原理，组织蛙人以不同的姿态进行水下活动。试验设计了数据采集试验平台，搭建了以水听器为接收源的采集系统，对蛙人的呼吸信号进行了数据采集。2.1试验场地国际标准恒温泳池，水池尺寸长宽深为50m25m4m，池壁及池底为瓷砖。深水区（4m）深水区（4m）中央泳道浅水区（1.5m）水桥水桥50m25m电子设备水听器图1试验场地平面图2.2试验仪器1）自研水听器样机采用4只自研水听器进行测试（依次对应1号4号水听器，每只水听器15m电缆，不带外罩，灵敏度-167dB1kHz）。2）标准水听器标准水听器4只（依次对应5号8号水听器），每只水听器15m电缆，不带外罩，频率范围10Hz100kHz，灵敏度-208.9dB1kHz）。采集仪为 HIKIO 16通道采集仪，每通道采样率128kHz。图2自研水听器实物图图3标准水听器实物图图4采样仪实物图2.3试验环境水温30.0，蛙人身高175cm，体重66kg，身材匀称，着开式湿式潜水服。在进行试验前，蛙人提前5min入水适应泳池环境，待心率和呼吸稳定后开始试验。0.5m1m1m图5水听器基阵设计图2.4试验平台搭建基阵总体呈双“十”字型排列，其中1号4号为自研水听器，5号8号为标准水听器，8只水听器处于同一水深。基阵中相邻阵元距离1m，整套基阵孙玉臣等：蛙人水下声信号特性试验研究184舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期长3m，宽2m。水听器座底放置，靠中央池壁0.3m，为避免混响干扰，水听器距水底0.3m。图6水听器基阵实物图2.5试验条件与变量试验测试了蛙人在不同状态下的水下声信号。首先，采集泳池纯环境背景噪声信号，提取蛙人下水前和刚出水的声信号，此项测试两种状态，持续时间75s，每种状态测三次。其次，测量单个蛙人在水中悬浮时的静止信号。蛙人定深2m悬浮于泳池中，提取蛙人距离基阵5m和20m时的水下声信号。此项测试共两种状态，持续时间75s，每种状态测三次。最后，测量单个蛙人游动声信号。蛙人定深2m在泳池一端及基阵之间来回游泳，提取蛙人游动时的水下声信号。此项测试共一种状态，持续时间75s，测三次。3信号处理3.1蛙人信号时域特点我们对水池中纯环境背景噪声信号、目标悬浮时及游泳时声信号分别进行时域处理，形成的结果见图7。1）试验所用水池背景噪声水平较低，目标信号明显。目标悬浮时的信号波形周期显著；目标游泳时的信号较复杂，没有明显的周期。010203040506070时间/s0.10-0.1振幅/V010203040506070蛙人游动声信号时域图010203040506070蛙人悬浮声信号时域图环境背景噪声信号时域图0.10-0.10.10-0.1图7信号时域图2）目标悬浮时，呈现出明显的周期，该周期与人类生理性呼吸周期相吻合。3）目标游泳时的信号强，对蛙人呼吸信号造成了干扰。从时域图可以看出，目标游泳信号的波形是连续且无明显周期的，游泳的信号强度接近呼吸的信号，目标呼吸信号波形的周期已不能明显分辨。3.2蛙人信号频域特点对水池中纯环境背景噪声信号、目标悬浮时声信号及目标游泳时声信号分别进行快速傅里叶变换，提取频域波形，分析奈奎斯特频率（64kHz）以内的频域波形图可以发现：1）水池背景噪声：在64kHz以内的背景噪声整体水平较低，但始终有4.1kHz的噪声。2）不论是在悬浮时还是游泳时，目标信号强度主要集中于7kHz以内。3）目标在水下，不论出于何种状态，有较高信号强度的频段为1.4kHz1.7kHz频段，3.5kHz4.5kHz频段，46kHz48kHz频段。4）仅在目标游泳时，35kHz 频率附近信号突出，这与瑞典国防研究所的研究结果相吻合18。0102030405060频率/kHz15001000500振幅/V环境背景噪声信号时域图蛙人悬浮声信号时域图蛙人游动声信号时域图010203040506001020304050601500100050015001000500图80Hz64kHz频段信号频域图3.3蛙人信号时频谱特点时频谱通过谱图颜色的冷暖或深浅来体现信号的强弱，通过时频谱图分析可以发现：1）水池背景噪声：在64kHz以内背景噪声整体水平较低，但在4.1kHz频率附近及600Hz以下频段有较强的噪声，可能会干扰目标信号。2）目标在水下的呼吸周期明显，吸气信号遍布于64kHz以内，目标信号强度主要集中于7kHz以内。3）相比背景噪声信号，目标在水下的信号在3.5kHz4.5kHz频段及46kHz48kHz频段内较强。4）在64kHz以内，目标游泳时的信号强度普遍高于悬浮时。185总第345期010203040506070时间/s频率/kHz5025010203040506070010203040506070蛙人游动声信号时域图蛙人悬浮声信号时域图环境背景噪声信号时域图50255025图90Hz64kHz频段信号时频谱4结语本文使用声呐被动探测方式，采集了不同状态下的蛙人水下声信号，研究了蛙人水下声信号在时域、频域和时频谱方面的特点，分析了蛙人水下声信号产生的基本原理。我们发现：1）在时域上，所测试的水池背景噪声整体水平较低，蛙人悬浮时产生的声信号呈现周期性变化，周期约为3s，与人体生理性呼吸基本一致；游泳时波形连续但无明显的周期性变化，信号强度接近呼吸信号。2）在频域上，始终有4.1kHz的背景噪声，当蛙人游泳时，35kHz频率附近的信噪比突出；不论蛙人悬浮还是游泳，在1.4kHz1.7kHz频段、3.5kHz4.5kHz频段和46kHz48kHz频段上都具有较高的目标强度。3）在时频谱上，4.1kHz频率附近及600Hz以下频段有较强的背景噪声，蛙人的吸气信号分布于64kHz以内，目标信号强度集中于7kHz以内；相比于背景噪声信号，蛙人的水下声信号在 3.5kHz4.5kHz频段以及46kHz48kHz频段内较强；在64kHz以内，蛙人游泳时的信号强度普遍高于悬浮时。后续对蛙人信号的探测还需要考虑以下几点18：1）优化布置蛙人水下探测声呐的基阵布局，提升系统探测效率。2）提高终端软件成像界面的可视化程度和人机工作效率。3）减少外界环境对声呐探测产生的干扰，提高探测的信噪比。虽然国内对蛙人水下警戒声呐系统的研究才刚刚起步，但也取得了不少的科研成果。做好重点海域水下安保工作以及防止敌方蛙人对我重要设施的突袭破坏，是我国蛙人水下探测与识别声呐的研究重点，也是未来水声技术发展的重要方向。参 考 文 献1孙玉臣，王德石，李宗吉，等.蛙人探测声呐系统发展综述 J.水下无人系统学报，2021，29（5）：509-523.2章佳荣，乔钢，邢天安.蛙人呼吸特征实验研究 J.声学技术，2014，33（3）：6-8.3徐瑜，倪小清，夏红梅，等.蛙人探测声呐发展现状及关键技术 J.舰船电子工程，2017（3）：124-126.4赵 武.蛙人被动式探测中的识别方法研究 D.成都：电子科技大学，2017：35-41.5蒋立军，杨娟，许枫.蛙人探测声呐技术研究进展 J.科学通报，2009，54（3）：269-272.6黄颖淞，葛辉良，王付印，等.蛙人探测声呐系统发展综述 J.水下无人系统学报，2020，28（1）：1-6.7王金成，郭星香，孙玉臣，等.反蛙人武器系统发展综述J.数字海洋与水下攻防，2020，3（26）：486-488.8丁铃.水下小目标声学特性与运动方位估计技术研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2014：26-37.9陈小春，秦振聚.寒冷水域环境对特战蛙人的身心影响及对策研究 J.军事体育学报，2017，36（1）：108-110.10刘 钊.水下蛙人声信号处理及可视化软件设计 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015：27-36.11付学志，石建飞，江源.蛙人水下作战系统装备发展现状及趋势 J.电声技术，2019，43（12）：11-17.12宋超，刘瑞杰，郑伟伟，等.国外水下无人移动装备综合隐身技术研究 J.舰船科学技术，2021，43（10）：186-189.13陈冬，李钢虎，李亚安.蛙人探测声呐中的波束形成J.中外企业家，2013（02）：116-118.14尹凯华.蛙人探测声呐在水下安保的技术实现 J.上海船舶运输科学研究所学报，2011，34（1）：71-75.15郭小俊.蛙人探测声呐两种常用信号的分析与应用J.上海船舶运输科学研究所学报，2018，41（4）：39-42.16胡明军.蛙人探测声呐的现状及发展趋势 J.四川兵工学报，2010，31（1）：36-37.17Lennartsson R K，Dalberg E，Persson L，et al.Passiveacoustic detection and classification of divers in harborenvironments：OCEANS 2009 C/IEEE，2009：1-7.18SUN Y，CHEN W，LI Z，et al.Structural Design andTest of a Piezoelectric Flextensional Transducer for Passive Detection of Frogmen J.Mathematical Problems inEngineering，2022，2022：1-13.孙玉臣等：蛙人水下声信号特性试验研究186