Page 291 - 应用声学2019年第4期
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第 38 卷 第 4 期 郑援等： 船舶辐射噪声信号仿真及评价 751
仿真度的数值评价，以判定仿真信号是否达到了逼
0 引言 真度要求。为检验该方法的实际效能，本文利用实
测船舶辐射噪声信号进行了试验验证。
船舶辐射噪声仿真信号被广泛应用于水下目
标模拟信号源生成、目标识别算法研究、声呐训练
1 船舶辐射噪声信号的重构仿真
模拟设备研制等领域，以满足需要不同类型船舶噪
声信号进行检验、测试、训练的技术需求。在这类应 对船舶辐射噪声进行重构仿真 [7−9] ，就是针对
用中，仿真信号通常作为信源信号使用，要求尽可 某实测的船舶辐射噪声信号，分析其噪声特征并利
能体现相对稳定的船舶辐射噪声的信号特征，不考 用得到的噪声特征进行船舶辐射噪声信号的仿真。
虑偶然出现的各种瞬态噪声因素，也不必考虑信道 这样的仿真信号，由于特性贴近真实目标，并可通过
传递函数的影响，后两者将按照具体应用需求用于 后续信号处理生成满足不同应用要求的信号，例如
实际接收信号的生成。也就是说，船舶辐射噪声的 具有不同信噪比、速度特征的该船舶辐射噪声信号
信号仿真应尽可能全面地体现特定船舶辐射噪声 等，因而用途非常广泛。
的信号特征，以便达到具体应用对逼真度的要求 [1] 。 船舶辐射噪声信号的仿真通常采用公式 (1) 描
为此，在仿真过程中，技术参数需要不断进行调整直 述的经典时域波形模型 [10−12] ，将船舶辐射噪声表
到仿真信号满足要求，而这种调整最重要的依据就 征为一种具有多种噪声成分的宽带随机信号，即：
是对所生成仿真信号的仿真度评价结果，仿真与评
价通常交替进行。因此，对船舶辐射噪声仿真信号 s(t) = |1 + a(t)|g x (t) + g l (t) , (1)
进行评价，是调整仿真参数和判定仿真信号是否达 式(1)中，a(t)为对应螺旋桨调制特征的周期调制波
到要求的必要步骤。 形；g x (t) 为对应宽带连续谱的时域波形；g l (t) 为对
船舶辐射噪声信号的仿真主要进行时域上的 应线谱的时域波形。
信号处理，通过增量式的仿真过程，逐步实现所需信 显然，该模型很好地表征了船舶辐射噪声信号
号特征；而船舶辐射噪声仿真信号的评价，利用各种 最基本的构成，且与信道传递函数无关，符合本文仅
谱分析技术提取评价指标并进行量化计算，则是常 针对信号本身进行重构仿真的技术需求。因而，本
用的手段 [2−4] 。此外，人耳的听觉感受作为船舶辐 文在进行船舶辐射噪声信号的重构仿真时沿用了
射噪声的重要特征之一 [5−7] ，在信号仿真时用于调 该基本模型，这样信号仿真的重点就在于基于实测
整调制深度等不易体现在谱特征中、但对听测逼真 信号的连续谱、调制谱和线谱信号仿真。
度有较大影响的特征参数；在评价仿真信号时，则以
听觉特征参数的形式影响仿真度的计算结果。 1.1 连续谱信号仿真
船舶辐射噪声信号的仿真有两种方式，一种是 连续谱信号仿真常用的方法是：针对给定连
依据给定的信号特征进行合成；另一种是仿照实测 续谱特征进行有限脉冲响应 (Finite impulse re-
的船舶辐射噪声信号进行重构。后者由于依据了真 sponse, FIR) 滤波器设计，再将高斯白噪声通过该
实有效的样本，所以仿真信号评价时具有客观参照， 滤波器，得到具有指定连续谱特性的时域宽带噪声
因而更能够达到仿真度的要求。由此，本文从信号 信号 [6,8,10,12] 。因而，连续谱信号仿真的关键在于
特征重构的角度，给出一套对实测船舶辐射噪声信 FIR 滤波器的具体设计方法。已有的 FIR 滤波器设
号进行重构仿真及仿真度评价的方法。在进行信号 计方法包括：利用谱峰频率、谱峰频率处的声压谱
的仿真时，该方法从高斯白噪声信号开始，通过信号 级、频谱的上升斜率、频谱的下降斜率4个参数描述
处理逐步将其变换为具有实测信号特征的非高斯 船舶噪声连续谱曲线并完成FIR滤波器设计 [11] ，适
有色噪声信号，仿真过程中综合考虑了船舶辐射噪 用于对仿真效率要求高、对仿真精细度不做特殊要
声信号的听觉、连续谱、调制谱和线谱特征。由于是 求的应用场景；按照实测船舶噪声信号连续谱分布，
基于实测信号的重构仿真，所以在对仿真信号进行 设计高阶数 FIR 滤波器 [8] ，或者依据人耳临界带生
评价时，仅对实测船舶辐射噪声信号工作频带内的 成多个窄带滤波器、然后加权求和的方法 [7] ，适用
上述特征进行提取和量化，并通过计算船舶辐射噪 于对音色的仿真要求高、对仿真效率要求不高的应
声的实测信号与仿真信号之间的相似度，给出信号 用场景等。
