基于FIR滤波器的船舶辐射噪声仿真.pdf

云南民族大学学报（自然科学版），（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；云南省基础研究专项面上项目（）作者简介：赵雨佳（），女，硕士研究生 主要研究方向为水声定位通信作者：邢传玺（），男，博士，教授 主要研究方向为水声信号处理基于 滤波器的船舶辐射噪声仿真赵雨佳，邢传玺，姜佳圆，许奕（云南民族大学 电气信息工程学院，云南 昆明 ）摘要：船舶水下辐射噪声中含有丰富的特征信息，但是水下声信号分布离散，数据采集工作成本大，耗时长 因此在实测数据缺乏的情况下，不同船舶辐射噪声的仿真对目标识别、定位等工作的研究提供了有利保障 通过研究分析船舶辐射噪声的来源和不同船舶辐射噪声的规律，采用窗函数法对特定频率响应的 滤波器进行设计，分别对巡洋舰、渔船、客船三种船型的辐射噪声进行了仿真 仿真结果表明，该方法较为准确且真实地反映了不同船舶的辐射噪声规律，对水下声信号处理研究具有重要意义关键词：船舶辐射噪声；功率谱估计；滤波器中图分类号：文献标志码：文章编号：（）随着人类海洋活动的增加，海洋中的人为噪声不断增强，船舶水下辐射噪声作为人为噪声的主要来源受到越来越多的关注 多种噪声源共同作用构成了船舶辐射噪声，在海洋强国战略支持下有很高的研究价值 船舶辐射噪声中包含重要且丰富的信息，可以通过提取船舶辐射噪声的特征信息对不同船舶的类型进行分析和识别 因此它也是对水下目标进行定位，识别和分类的主要依据 舰船辐射噪声仿真技术是最重要的水声对抗技术之一，是声诱饵的关键技术 仿真得到的舰船辐射噪声能够替代实际的目标噪声源应用于水声作战训练中 所以，对船舶辐射噪声进行研究分析以及建模仿真具有非常重要的意义目前对船舶辐射噪声的仿真方法有很多 孙军平 等分别利用指数衰减、三角形、方形等不同脉冲形状的准周期脉冲随机序列对船舶噪声进行了仿真 郑援等 将实际目标噪声信号中连续谱的特征作为参考值设计构造了 滤波器 也有研究者通过设计自适应 滤波器，制定与幅度相关的代价函数对连续谱进行仿真，该方法准确地描述了其谱线特征，但是计算量相对较大 以上方法大都针对舰船船型进行了仿真和研究，没有考虑对近海岸影响重大的其它民用船只 通过研究分析不同船舶辐射噪声的来源和特性，本文提出了一种与船舶排水量和航速有关并且简单有效的船舶仿真方法，分别对巡洋舰、渔船、客船 种不同的船型进行了仿真，并分析了不同船型声源级和线谱频率分量等方面的差异本文所述的方法首先将高斯白噪声序列通过具有特定频率响应的 滤波器得到连续谱，线谱通过将特定幅值和相位的正弦信号叠加得到 调制包络谱通过一系列的高斯脉冲序列叠加得到 最后将连续谱，线谱和调制包络谱叠加得到最终的船舶辐射噪声信号模型 基本理论 船舶辐射噪声特性船尾的螺旋桨部分，船尾中部的主机部分以及船舶中部的辅机部分是船舶的 个重要组成部分 在正常巡航速度下，上述 个部分的噪声能量级较高 主机部分的噪声和辅机部分的噪声统称为机械噪声，机械噪声作为低频段的主要组成部分，主要是由于机械设备运转时造成内部的部件振动产生的 螺旋桨噪声由于航行过程中转动的螺旋桨叶片拍击水流引起，包括螺旋桨转速过快导致的大量空泡破裂引起的空化噪声和叶片振动引起的噪声机械噪声是由线谱和连续谱两部分叠加构成的，其中线谱的功率谱级高于连续谱 螺旋桨空化噪声以连续谱的形式存在于船舶辐射噪声中 ，该连续谱一般会在某个频率处出现峰值，该频率因船舶种类的不同而存在差异 低于该频率声源级以 的斜率上升，高于该频率声源级以 频率下降船舶辐射噪声是一种由连续谱，线谱和调制包络谱构成的复杂宽带随机信号 其中，单频线谱主要集中在 以下的范围内，且船舶辐射噪声通常会在 出现谱峰 船舶水下辐射噪声的模型可以表示为：（）（）（）（）（）式中，（）为调制谱的时域波形，（）为连续谱的时域波形，（）为线谱的时域波形 船舶辐射噪声仿真的方法如图 所示A4A*3$P+E4AM3A77,AA+图 船舶辐射噪声仿真方法 滤波器大量研究表明，船舶辐射噪声的连续谱的频谱形状都具有相似的特性 连续谱的频谱图总会在一定的频率段内产生一个谱峰，低于该频率段会以 的斜率上升，高于该频率段会以 的斜率下降 而上升和下降的斜率以及谱峰的位置因不同的船舶而异比如，舰船辐射噪声的谱峰位置在 左右，其上 升 和 下 降 的 斜 率 分 别 为 和 渔船辐射噪声在谱峰前后的上升和下降斜率分别为 和 所以文中构造了一个具有特定频率响应的 滤波器以得到符合不同船舶辐射噪声特性的连续谱 滤波器的稳定性好，并且在能保证幅度特性的同时也具有线性相位的特性 阶 数字滤波器的系统函数为：（）（）（）真实的 数字滤波器的单位脉冲响应序列 （）的频率响应函数为：（）（）（）（），（）式中，（）为幅度特性，为 的实函数 （）是相位特性假设滤波器的理想脉冲响应序列为（），窗函数设计法的原理是用 （）无限逼近（）由于 （）是有限长序列，而（）往往是无限长序列，所以用窗函数 （）将（）截断，并进行加权处理 来对滤波器进行设计 船舶辐射噪声建模 连续谱建模相关研究人员将测得的船舶辐射噪声的总声源谱级表示为：（）以上的声源级表示为：，（）式中，为频率，为航速，单位为节 为排水量，单位为 根据船舶水下辐射噪声的特征，利用 ，个参数就能够准确地描述船舶连续谱的特征，这 个参数分别代表谱峰处的声源级，谱峰处的频率，谱峰前的上升斜率和谱峰后的下降斜率 所以连续谱可以用以下分段函数进行建模第 期赵雨佳，邢传玺，姜佳圆，等：基于 滤波器的船舶辐射噪声仿真 （），（），（）通过以下设计方法得到符合船舶水下辐射噪声连续谱特性的 滤波器：首先确定谱峰频率，然后根据式（）和式（）得到谱峰值处的声源级 ；根据公式（）在 ，）和（，两段区间内分别按照 和 （即 和 ）得到频率值对应的声源谱级 、最后利用获得的频率值以及对应的声源谱级通过 函数获得滤波器的系数，即 （，），（）其中，和 是归一化后的频率和对应的幅值，即 （）；（）（）：（）以上方法得到的滤波器，能够在较高的效率下，对高斯白噪声信号进行处理，得到符合船舶水下辐射噪声特性的连续谱 线谱建模船舶辐射噪声的线谱一般主要集中在 以下的低频段，并且线谱的能量强度比连续谱高 因为产生线谱的机械噪声都是周期性的振动源 ，螺旋桨周围的水流受叶片转动的影响产生了叶片速率谱，该频率与螺旋桨的叶片数、转速和谐波分量数有关 所以线谱分量可以用以下周期信号进行建模（）（），（）式中，为线谱数，、分别为第 条线谱对应的幅度、频率和相位 调制谱建模在实际研究中，人们可以从解调的船舶辐射噪声的包络谱中提取轴频和叶频对应的线谱来对目标进行检测，识别以及分类 船舶辐射噪声的调制包络谱用一组形状相同、重复周期也相同的高斯脉冲随机过程进行模拟，单独的高斯型脉冲序列的形状表示为：（）（）（）相邻脉冲之间的间隔 取决于调制的特性，如果轴频周期为 ，则轴频调制 ，对于叶频调制，为叶片数 其中 ，为各个脉冲间隔 船舶辐射噪声仿真由以上原理可知，船舶辐射噪声信号主要与排水量，船舶的航行速度以及螺旋桨的转速和叶片数等因素有关 且民用船只螺旋桨的转速一般在 ，舰船的航速一般在 节 如表 所示，分别对航速，排水量，螺旋桨转速不同的以下 种船型在非均匀调制下进行仿真表 不同船舶辐射噪声仿真参数船舶类型螺旋桨叶片数螺旋桨转速（）船速 节排水量 巡洋舰 渔船 客船 高斯白噪声信号通过 方法产生，其具体公式如下 高斯白噪声的概率分布直方图和功率谱分别如图 和图 所示 （）（），（）其中，和 是相互独立且服从 （，）的随机数云南民族大学学报（自然科学版）第 卷图 高斯白噪声率分布直方图图 高斯白噪声功率谱然后文中根据船舶辐射噪声连续谱的特性对 滤波器进行设计，滤波器的阶数 ，采样频率 利用 函数将产生的高斯白噪声信号通过按照船舶辐射噪声特性设计的 滤波器得到连续谱仿真图巡洋舰作为一种军用舰船，其体积规模比一般的民用船舶大，且内部机械构造较为复杂，所以声源级普遍比普通的民用船舶的声源级偏高 而巡洋舰的螺旋桨叶片数和转速分别为 和 ，所以巡洋舰线谱的基频为 ，个谐波分量为、巡洋舰的连续谱和线谱仿真图分别如图，图 所示图 巡洋舰连续谱仿真图图 巡洋舰线谱仿真图螺旋桨产生的空化噪声和唱音是渔船水下辐射噪声的主要来源 渔船的螺旋桨叶片数和转速分别为 和 ，所以渔船线谱的基频为 ，个谐波分量为 、渔船的连续谱和线谱仿真图分别如图 ，图 所示除螺旋桨噪声外，来自柴油机的主机噪声以及由发电机和空调等设备构成的辅机噪声是客船机械噪声的主要来源 客船的螺旋桨叶片数和转速分别为 和 ，所以客船线谱的基频为 ，个谐波分量为 、客船的连续谱和线谱仿真图分别如图 ，图 所示图 渔船连续谱仿真图图 渔船线谱仿真图第 期赵雨佳，邢传玺，姜佳圆，等：基于 滤波器的船舶辐射噪声仿真图 客船连续谱仿真图图 客船线谱仿真图由图 、图 、图 观察可知，船舶辐射噪声的连续谱在低于和高于谱峰所在频率时分别以 和 左右的斜率上升和下降 虽然连续谱的形状大致相同，但是谱峰值因船型而异 且船速和排水量大的船舶的功率谱级也相对较大由图 、图、图观察可知，一般线谱的强度比连续谱的强度高 ，不同的螺旋桨转速对应的螺旋桨“唱音”产生的线谱频率也不同，且谐波分量和螺旋桨叶片数与螺旋桨转速的乘积成正比在调制谱仿真中，轴频设置为 ，取值分别为 、，设置调制深度为 调制谱仿真结果如图 所示 最后将 种船型调制后的连续谱的信号同线谱分量进行叠加，得到完整的船舶辐射噪声信号 图 、图 、图 分别为巡洋舰、渔船、客船辐射噪声的仿真结果图 调制包络谱仿真图 巡洋舰辐射噪声图 渔船辐射噪声图 客船辐射噪声 结语船舶辐射噪声作为众多噪声源作用的结果，含有丰富的特征信息 但是船舶辐射噪声在实际测量中因为外界因素的的影响会耗费大量的人力，物力和财力 针对以上问题对巡洋舰、渔船、客船 种船型辐射噪声的构成和特性进行了研究和仿真分析 仿真结果表明，不同类型的船舶因为在排水量，航速，螺旋桨转速，轴频特性等方面的差异，连续谱的谱峰值，谱峰处的频率和线谱分量也不相同 且航速和排水量越大的船舶，其辐云南民族大学学报（自然科学版）第 卷射噪声信号的功率谱级越大 在螺旋桨叶片数相同的情况下，螺旋桨转速越快，线谱的谐波分量也越大 此外船舶辐射噪声是一个受海洋声学信道和目标自身特征影响的随机过程 这为以后利用船舶水下辐射噪声进行目标识别，定位和分类都提供了主要的依据参考文献：吴耀文，邢传玺，张东玉，等 基于 的低频水声信号去噪处理方法 云南民族大学学报（自然科学版），（）：向龙凤，孙超，李明杨 非均匀海洋环境噪声中的匹配场处理舰船辐射噪声级估计方法 声学学报，（）：陈志勇，杨燕明，文洪涛，等 海面干涉对船舶水下辐射噪声测量的影响及其消减方法 声学学报，（）：孙军平，蒋国健，林建恒 船舶噪声实测分析与仿真 年中国声学学会全国声学学术会议论文集，：郑援，胡成军，宋汝刚 船舶航行辐射噪声信号仿真 信号处理，（）：温璇璇 基于高阶统计量的舰船辐射噪声包络特征提取 哈尔滨：哈尔滨工程大学，（）邢传玺，吴耀文，岳露露，等 基于鲁棒主成分分析的低频水声信号降噪方法 云南民族大学学报（自然科学版），（）：孙军平，杨军，林建恒，等 船舶水下辐射噪声信号理论模型及仿真 物理学报，（）：刘伯胜，黄益旺，陈文剑，等 水声学原理 版 北京：科学出版社，薛睿超，杨燕明，黄二辉，等 远海船舶噪声分布初步研究 声学技术，（）：，（）：周冬跃，林海全，张洪林，等 采用窗函数法进行数字信号截短的优化算法 电子技术应用，（）：王起 示波器数据处理方法研究及其逻辑电路实现 成都：电子科技大学，张维，曹振宁，尚岭 舰船辐射噪声模拟与实现方法 水雷战与舰船防护，（）：程玉胜，王森，丁超，等 解调带宽对船舶辐射噪声调制谱的影响 声学学报，（）：程玉胜，马凯，邱家兴，等 船舶侧斜螺旋桨空化噪声调制谱模型 声学学报，（）：，（，）：，：；（责任编辑梁志茂）第 期赵雨佳，邢传玺，姜佳圆，等：基于 滤波器的船舶辐射噪声仿真