论文总字数：33813字

摘 要

多途阵列信号仿真是水声信号处理的一个研究重点，这一问题的研究有重要的理论和现实意义。多途阵列信号仿真由舰船辐射噪声产生模块、水声多途信道模块、海洋环境噪声产生模块和仿真信号验证四个模块构成。论文分析了舰船辐射噪声的频谱和组成成分，建立了舰船辐射噪声的数学模型，讨论了窗口法和频率采样法两类滤波器设计方法，实现了舰船辐射噪声的仿真。讨论了水声信道的多径效应，利用虚源法计算了多途传输时延。分析了海洋环境噪声的特性，给出软件产生环境噪声的方法。由水听器附近环境噪声和经过水声多途信道传输的辐射噪声信号的叠加形成得到了阵列信号。利用经典的波达方向估计方法——常规波束形成，估计目标方位，验证了产生的阵列信号的正确性。利用相关函数估计阵元间相对时延和多途时延的，验证了产生的多途阵列信号的正确性。

关键词：舰船辐射噪声，连续谱，线谱，多径效应，波达方向估计

Abstract

Multi-path array signal simulation is a research focus of underwater acoustic signal processing. The research of this problem has important theoretical and practical significance. The multi-path array signal simulation consists of four modules: ship radiation noise generation module, underwater acoustic multi-channel module, marine environmental noise generation module and simulation signal verification. The paper analyzes the spectrum and composition of ship radiation noise, establishes the mathematical model of ship radiation noise, discusses two kinds of FIR filter design methods, such as window method and frequency sampling method, and realizes the simulation of ship radiation noise. The multipath effect of the underwater acoustic channel is discussed, and the multipath transmission delay is calculated by the virtual source method. The characteristics of the marine environmental noise are analyzed, and the method of generating ambient noise by software is given. The array signal is obtained by superposition of environmental noise near the hydrophone and radiation noise signals transmitted through the underwater acoustic multichannel. The classical direction of arrival estimation method, delay addition method, is used to estimate the target orientation, and the correctness of the generated array signal is verified. Using the correlation function to estimate the relative delay between the array elements and the multi-path delay, the correctness of the generated multi-path array signal is verified.

Keywords: Ship radiation noise, Continuum, Line spectrum, Multipath effect, DOA estimation

目 录

摘要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究概况 1

1.3 论文结构 3

2 舰船辐射噪声特性分析与建模 4

2.1 舰船辐射噪声主要成分 4

2.1.1 机械噪声 4

2.1.2 螺旋桨噪声 4

2.1.3 水动力噪声 5

2.2 舰船辐射噪声的频谱特性 6

2.3 舰船辐射噪声的数学模型 6

2.4 舰船辐射噪声的仿真原理 7

2.4.1 窗口设计法 7

2.4.2 频率采样法 9

2.4.3 确定噪声强度 11

2.5 本章小结 12

3 多径效应及海洋环境噪声 14

3.1 多径效应 14

3.1.1 多径效应的产生原因 14

3.1.2 基本假设 14

3.1.3 应用虚源法计算时延 15

3.2 海洋环境噪声 16

3.3 本章小结 17

4 阵列信号的建模 18

4.1 阵列信号的数学模型 18

4.2 本章小结 19

5 验证方法及原理 20

5.1 常规波束形成及其原理 20

5.2 相关函数法及其原理 21

5.3 本章小结 22

6 仿真测试 23

6.1舰船辐射噪声仿真 23

6.2 多途信道仿真 25

6.3 海洋环境噪声仿真 27

6.4 常规波束形成验证 28

6.5 本章小结 30

7 总结与展望 31

7.1 总结 31

7.2 展望 31

参考文献 32

致 谢 34

1 绪论

1.1 研究背景

水声信号相较其他信号具有更加复杂的时域特征和频域特征，水声信号的仿真具有丰富的实际意义，比如在军事对抗演习中，舰船、潜艇等水面或水下目标因其较大的体积、较强的攻击能力，往往会成为重点打击的对象。如果演习方采用真实的舰艇作为靶船，势必会大大提升演习活动的经济成本。引入的实物多作为一次性的标靶，不能多次使用，实物的生产和部署又需要大量时间，进一步限制了演习的频率和规模，难以获得详实的数据，这就要求研究人员设计出一种更为经济便捷的方案替代实物演习。实际上，军事对抗中对目标舰船的搜索方法通常是分析目标舰船产生的噪声，进而确定目标舰船的类型、方位。根据这种方法，可以采用软件仿真产生的水声信号代替舰船航行过程中产生的噪声。舰船噪声的仿真效果取决于选取的参数能否较好地刻画真实的舰船噪声的频率、振幅、信噪比和方差等数学特征。实际的舰船噪声在水下的传播过程中，噪声会向各个方向扩散，部分噪声在海面或海底会进行一次或多次反射，这些经过反射的噪声会和直接送达水听器的噪声混杂在一起，导致实际接收的信号是复杂的多途信号，与理想情况大不相同，在对舰船噪声进行仿真时，这些经过反射的噪声产生的影响也要纳入考虑，进一步提高了确定噪声源方位的难度。另一方面，海洋环境下水听器的故障率较高，如果采用单一的水听器接收噪声，得到的信号可能失真，效果不够理想，所以实际情况中使用多个水听器接收噪声，提高了仿真系统的可靠性，处理对象从单一水听器接收的信号变成阵列信号。软件仿真将舰艇噪声抽象为数学表达式，噪声的频率、振幅、信噪比和方差等数学特征以参数的形式呈现在数学表达式中，可以根据舰艇类型进行调整，借助软件仿真，能够以较低的成本实现多个水听器构成的阵列。另一方面，实物演习往往对海况有着较为严格的要求，然而海况受气候影响，通常难以准确预测，可以将海洋环境一并纳入仿真系统，描述海洋环境的海底深度、压强和折射率等参数可以根据实际情况进行设定，使得演习活动不再对环境有过多的依赖，修改参数即可快速实现海况的变更，这为多次实验获得详实数据提供了可能。

1.2 研究概况

水声目标辐射噪声主要由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声构成。辐射噪声的数学模型分解为连续谱、线谱和包络谱三个部分，这类经典模型称为三参数模型。一般采用将高斯白噪声通过特定响应函数的滤波器从而获取辐射噪声的方法，通过递归求解系数，生成对应的滤波器^[1]。

水声信道受环境条件的影响，在不同的时间尺度上呈现动态。现有的水声信道建模方法可以分为三类：基于波传播理论的信道建模、经验信道建模和统计信道建模^[2]。与后两种方法相比，基于波传播理论的模型的精度最高。然而，它是一种用于固定几何形状和环境描述的确定性方法，因此不能适应随机环境中信道变化的情况。利用在不同水域环境下的测量数据，工程师建立了经验模型，将传输损失和环境噪音水平与水温、盐度、值、地面风速、降雨率和海况^[3]等水环境参数联系起来。考虑到声传播特性和周围的声环境是相关的。经验模型参数通常是通过基于现场测量值的曲线拟合来计算的。

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