一种典型舰船辐射噪声模拟新算法

李 帅，张 俊，林开泉

(中国人民解放军91388部队，广东 湛江 524022)

一种典型舰船辐射噪声模拟新算法

李 帅，张 俊，林开泉

(中国人民解放军91388部队，广东 湛江 524022)

基于舰船声特性模拟在仿真实验、模拟训练、声学系统测评、舰船指挥系统方案论证以及在水声对抗中诱骗鱼雷和声呐等方面的广泛应用，针对现有舰船声特性模拟中常用的特定频率响应滤波器参数计算与设置复杂等问题，在分析和研究舰船声学特征的基础上，分别得出其线谱、连续谱的数学模型。通过频域函数拟合，设计一种响应频率与幅度可调且易于实现的FIR低通滤波器，实现对舰船辐射噪声的仿真模拟，并通过与实测舰船辐射噪声声特性的对比，验证仿真方法的有效性。

舰船辐射噪声；拟合函数；仿真；实测

0 引 言

舰船辐射噪声作为舰船隐蔽性能的主要指标，对舰船武备性能及生存能力影响重大，其声特征的仿真模拟是水声软对抗中声诱饵的核心技术。舰船声特征模拟仿真主要是在分析和研究舰船声学特征的基础上，对其声特征进行逼真的模拟，用于仿真实验、模拟训练、舰船指挥系统方案论证、声学系统测评以及在水声对抗中诱骗鱼雷和声呐等方面[1-2]。因而，舰船声特征的模拟仿真不仅具有重大的现实意义与作战意义，还具有很大的经济效益。

1 舰船辐射噪声声特性分析

大量舰船辐射噪声测量资料的分析研究表明，机械噪声、螺旋桨噪声及水动力噪声是舰船辐射噪声源的三大主要类型。一般情况下，螺旋桨出现空化时，便会成为主要的噪声源，尤其在高频部分。而低速航行时，机械噪声是主要噪声源[3]。舰船辐射噪声在相当宽的范围内是非连续谱单频噪声与连续谱噪声组成的混合噪声，舰船辐射噪声的线谱多分布在1 000 Hz以下的低频段，反映噪声周期性部分能量的分布情况，由于不同的舰船具有不同的线谱幅值与频率，因而线谱也是舰船类型的主要识别标志。舰船的辐射噪声还具有方向性，通常其首尾的声辐射相对较弱。大量测量资料的研究分析表明，不同类型舰船的辐射噪声具有形状基本类似的频谱图，其中连续谱体现了噪声中随机部分的能量分布情况，且连续谱存在一个100～1 000 Hz的峰值，具体频率随舰船类型不同而异，在该频率以下频段内，频谱以约6～12 dB每倍频程的斜率上升，辐射噪声能量主要集中在这一部分；在该频率以上频段内，则以约6 dB每倍频程的斜率下降[1]。

2 舰船辐射噪声模型与仿真

被动目标分类识别设备主要通过分析辐射噪声中频率成分、各频率的能量比重、各频率相互关系等来进行分类识别。依据以上对舰船辐射噪声的声特性分析，文中假设与线谱分量相对应的时域信号都是相位随机的正弦信号，然后分别得出线谱及连续谱的数学模型，并实现舰船辐射噪声的典型声学特征模拟。

2.1 线谱分量模型与仿真

线谱独有的能量稳定集中的特点使其具有较高的可检测性，其检测、跟踪与识别技术在声呐应用中意义重大，通过对其包含频率信息的分析，可以实现目标参数的估计及目标类型的识别。因而，线谱的产生机理、标准和判定准则及其特征提取等都已经有了深入的研究。

机械噪声中产生线谱的3种声源都是周期性振动源，因而其线谱可用周期信号模拟[4-5]。

(1)

式中：N为线谱条数；Ak，fk和φk分别为第k条线谱对应的幅度、频率、随机相位。

各参数设定方法如下：

1)100 Hz以下设定其频率fk=m·n·s。式中m，n，s分别为谐波次数、螺旋桨叶片数及螺旋桨转速r/s。该部分与螺旋桨转速及叶片数直接相关。

2)100～1 000 Hz的线谱因船型而异，通常与航速关系不明显。可根据具体情况设置k个模拟频率。

3)线谱一般超出连续谱约10～25 dB。

图1和图2分别为用上述方法仿真得到的线谱时域信号、频域信号仿真图。

图1 线谱时域信号仿真图Fig.1 Line spectrum in time field

图2 线谱频域信号仿真图Fig.2 Line spectrum in frequency field

2.2 连续谱分量模型与仿真

宽带平稳随机过程可以用来拟合连续谱噪声，通过设计的满足噪声频谱特性要求的FIR低通滤波器对高斯白噪声进行滤波，即可实现连续谱分量的模拟。首先采用Box-Muller方法得到足够真实的长周期高斯白噪声随机序列，设β1和β2为服从N(0，1)的相互独立的随机数[6]，则

n=(-2lnβ1)1/2cos2πβ2，

(2)

为服从N(0，1)分布、具有纯白功率谱且其幅值服从高斯分布的随机数。

为了得到满足噪声频谱特性要求的FIR低通滤波器，可采用分段函数模拟舰船辐射噪声的连续谱函数[1]，即

(3)

式中：f为频率；A1和A2为折线的斜率；fn1和fn2为折线的拐点频率；SP0为辐射噪声谱级。

然后通过以下设计步骤即可得到满足噪声频谱特性要求的FIR低通滤波器：

1)设计一个截止频率为fL，采样频率为fs，脉冲函数为H(n)的n阶低通滤波器，其幅相响应如图3所示，其中fL根据舰船辐射噪声的带宽范围适当选取。

图3 一般低通FIR滤波器幅相特性曲线Fig.3 Amplitude and phase curves of common low-pass FIR filter

2)对步骤1中所设计的低通滤波器进行傅立叶变换得其幅频函数

H(f)=F[H(n)]。

(4)

(5)

将改造函数与幅频函数H(f)相乘，即可得满足噪声频谱特性的滤波器幅频函数

Hzs(f)=H_gz(f)×H(f)。

(6)

3)对改造后的幅频曲线函数Hzs(f)取反傅立叶变换，得

H′(n)=F-1[Hzs(f)]。

(7)

即可得到满足噪声频谱特性的FIR低通滤波器，其幅相曲线如图4所示。

用设计好的FIR低通滤波器对高斯白噪声进行滤波就可得到所要求的具有特定功率谱形状的连续谱分量，舰船辐射噪声的连续谱分量仿真信号的功率谱如图5所示。

图4 满足条件的FIR低通滤波器幅相特性曲线Fig.4 Amplitude and phase curves of the demanded low-pass FIR filter

图5 连续谱仿真曲线Fig.5 Continuous spectrum simulation

2.3 舰船辐射噪声的合成

舰船辐射噪声的时域数学模型为[8]：

S(nTs)=[1+a(nTs)]Gc(nTs)+Gl(nTs)。

(9)

式中：a(nTs)为调制函数，其幅度比较小，通过对辐射噪声的滤波、检波和谱分析得到，主要由螺旋桨的叶片频、轴频及倍频等组成；Gc(nTs)，Gl(nTs)分别为连续谱分量和线谱分量对应的时域波形。

图6 舰船辐射噪声频域信号的仿真曲线Fig.6 Simulation of ship-radiated noise in frequency field

图7 某舰船辐射噪声频域信号的实测曲线Fig.7 Ship-radiated noise of certain ship in frequency field

图6为用本文所设计的方法得到的舰船辐射噪声频域信号的仿真曲线。图7为实测的某舰船某工况下的辐射噪声频域信号曲线。由于实际测量噪声时使用了200 Hz～200 kHz的带宽滤波器，因而实测曲线中200 Hz以下的曲线不具有参考价值。但从曲线可以看出，该模拟方法很好地再现了海洋环境噪声及舰船辐射噪声的典型声学特征，得到的仿真结果与前文所提到的变化规律一致，也与实际测量的曲线相似。而在实际应用中，某些目标辐射噪声的谱级随频率变化的规律可能有所不同，但其滤波器的设计方法与文中相同，只需根据要求改变改造函数即可，同时可以根据具体的舰船信息，在仿真噪声中用式(1)加入相应的谐波分量。

3 结 语

舰船辐射噪声的逼真模拟在仿真实验、模拟训练、舰船指挥系统方案论证、声学系统测评以及在水声对抗中诱骗鱼雷和声呐等方面都具有重要的应用。考虑到舰船辐射噪声中的概率分布、多途时延及混沌特性等诸多问题，难以给出其精确的特征模型。本文基于以往舰船辐射噪声的研究成果，结合对舰船噪声产生机理、频谱结构和基本特性的分析，给出一种新的舰船辐射噪声典型特征的模拟方法，

不仅很好地再现了舰船辐射噪声的典型声学特征，且具有很强的实用性和灵活性。

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XING Guo-qiang.Modeling and simulation of typcial ship-radiating noise[D].Xi′an：Northwestern Polytechnical University,2005.

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New simulation algorithm of typical ship-radiated noise

LI Shuai，ZHANG Jun，LIN Kai-quan

(No.91388 Unit of PLA，Zhanjiang 524022，China)

The simulation of ship-radiated noise is widely used in the domains such as program demonstration of ship command system，simulation training，acoustic system evaluation，as well as decoying torpedoes and sonar in the underwater acoustic warfare．While，the parameters calculated and set of common FIR filter with specific frequency response are complex.Based on analyzing the acoustic characteristics of ship-radiated noise，the line spectrum and continuous spectrum are modeled.Then a FIR filter with adjustable frequency and margin response，which has the advantage of easy engineering implementation，is designed to implement the simulation of ship-radiated noise．Finally，some simulation and experimental results as well as analysis of the algorithm are also presented to verify the validity of the theoretical results and simulation algorithm.

ship-radiated noise；fitting function；simulation；measured

2013-01-16；

2013-04-18

李帅(1986-),男，硕士，助理工程师,研究方向为水声信号处理。

TB533

A

1672-7649(2014)03-0046-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.009