舰船辐射噪声波形重构研究

    0 引言

    舰船辐射噪声特性的重构与模拟技术是水中目标特性研究的重要分支, 一直受到世界各国的关注。早在上世纪 40 年代末, 美国就投入了大量的人力、物力对二战中各种舰船的声特性进行了反复的测量和研究。

    在实验室对舰船的辐射噪声进行全频段的实物物理模拟和换能器输出电特性的模拟, 为舰船目标信号的检测与处理研究、舰船目标特征识别研究提供了便利, 在缩短研制周期、减少海试次数、节约研制经费等方面经济效益显著, 为更先进的探测技术研究提供了依据。

    近年来, 人们对舰艇辐射噪声的各种特征进行了大量的研究工作, 对不同的目标特征有了更为深入和全面的认识, 在需要时能够给出尽可能全面的目标特征。但在对舰船辐射噪声进行重构和模拟时, 有一些具体的问题需要解决, 例如,如何连续产生既有所要求的振幅概率分布, 又有规定的功率谱形状的随机序列; 如何产生所希望的包含有目标特征信息的声信号。

    本文给出了连续产生具有一定振幅概率分布和规定功率谱的伪随机序列的方法, 由于采用逐点时间滑动的卷积算法, 保证了任意位置的一段任意长度的样本都具有规定的功率谱形状。

    文章还给出了用于校正发射换能器频响不平影响的校正算法。研究了水声换能器输出的电特性模拟, 为水声接收机系统的性能模拟研究提供了一个便利可行的方法。

    1 舰船辐射噪声连续谱分量对应的时域波形重构

    用计算机模拟的方法, 连续产生具有一定的功率谱形状和振幅分布的随机信号有较大的难度[1-2]。文献[1]介绍了一种在通用计算机上产生同时具有规定的振幅概率分布和功率谱形状的伪随机序列的方法, 即快速傅里叶变换(Fast Fou-rier Transform，FFT) -CT 法, 用该方法只能得到样本点数 N 等于 2 的整数幂的序列, 使序列长度受到限制, 无法连续产生, 同时截取结果序列的一部分将改变原序列的排序方式, 从而严重破坏其谱特性。为了连续产生具有规定功率谱形状的随机序列, 多使用窄带信号相加的方法, 由于窄带信号的带宽不可能任意变窄, 使分割的个数受到限制, 所以实际上并不能对功率谱形状进行任意设定。本文采用以下方法产生对应于舰船连续谱分量的时域信号。

    算法的基本思想：构造一个线性系统, 具有与要求的舰船辐射噪声频谱形状相同的频率响应;输入高斯白噪声, 使之通过频率响应为H(ω)的系统, 即产生功率谱为|H(ω)|2的高斯噪声[3]。

    根据线性系统理论[4], 如果输入序列 x(n)是一平稳随机信号的取样序列, 通过一单位冲击响应 h(n)的线性系统后, 仍然是一平稳随机信号。