艦船輻射噪聲模擬器設計＊

曹占啟 陳寶柱

（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

艦船的輻射噪聲是由艦船上機械運轉和艦船運行產生并輻射到水中的噪聲，它是艦船最重要的聲學特征。艦船的輻射噪聲是被動式聲納設備的信息來源，可用于對艦船目標進行探測、定向、定位、跟蹤和識別等。在水聲裝備的研制、仿真、試驗中［1］，往往需要產生艦船輻射噪聲信號用于裝備設計驗證和性能檢驗，相對于實際進行海上航行試驗，通過模擬器產生噪聲信號方式既可以保證安全，又能節約大量的資源。本文在分析艦船輻射噪聲頻譜特性的基礎上，綜合使用環境、技術特點、價格等因素，從工程應用的角度提出了一種以FPGA和單片機為控制核心的模擬器軟硬件設計方案。

2 艦船輻射噪聲模型

2.1 艦船輻射噪聲的來源及特性

圖1 典型艦船輻射噪聲頻譜曲線

艦船輻射噪聲信號的頻譜是由連續譜和離散譜疊加而成的混合譜［2］，如圖1所示，通常主要由機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三部分疊加而成。機械噪聲指航行或作業艦船上的各種機械振動通過船體向水中輻射而形成的噪聲，包括推進系統噪聲和輔機噪聲，是強線譜和弱連續譜的迭加；螺旋槳噪聲是由螺旋槳轉動所產生的噪聲，包括螺旋槳空化噪聲和螺旋槳葉片振動噪聲；水動力噪聲由不規則的、起伏的海流流過運動船只表面而形成，它是水流動力作用于艦船的結果。

艦船輻射噪聲功率譜中的連續譜反應噪聲信號中隨機信號的能量分布。大量的測試和分析表明，艦船噪聲的連續譜存在一峰值，其頻率的上限因艦船的類型而異，但都在200Hz～400Hz［2］，當頻率低于譜峰頻率的上限時，頻率隨著頻率的增高較平直，它占有輻射噪聲的絕大部分能量。功率譜中的線譜與艦船的輔機、推進系統及螺旋槳有關，反應噪聲信號的周期性噪聲部分的能量分布，它們多分布在低頻，而且不同艦船的噪聲頻譜的頻率和幅值并不相同，這些線譜成為識別艦船的主要特征。

2.2 艦船輻射噪聲線譜模擬

由螺旋槳引起的軸頻，葉片頻及其諧波的線譜頻率通常在100Hz以下，與目標的航速有關；各類恒速輔機振動及結構共振引起的線譜諧波分量在幅度、頻率上是相對穩定的高頻線譜，一般在1000Hz以下的頻域［3］。由于推進系統、螺旋槳及輔機引起的線譜噪聲具有周期性的特點，所以可以用周期信號做線譜模型。線譜分量可通過產生一系列正弦信號來模擬［4］：

其中，ni為第i階諧波組包含的諧波分量，每一組諧波有獨立的隨機漂移相位φi（t）、fi和ain是能夠根據具體艦船進行設置的參數。

2.3 艦船輻射噪聲連續譜模擬

艦船輻射噪聲是非平穩隨機過程，可以用局部平穩過程來擬合［5］。將高斯白噪聲信號通過滿足噪聲頻譜特性要求的特定頻率響應的FIR濾波器，即得到連續譜分量的模擬。常用的FIR濾波器的設計方法主要有：窗函數法、頻率抽樣法、最佳一致逼近法和最小二乘法等［6］，本文采用基于最小二乘方法設計自適應FIR數字濾波器。圖2顯示的是寬帶連續噪聲功率譜，低頻部分以3dB／oct上升，高頻部分以6dB／oct下降［7］。

圖2 寬帶連續噪聲功率譜

圖3 艦船輻射噪聲功率譜

2.4 艦船輻射噪聲合成

圖3是艦船輻射噪聲功率譜圖。其中，連續譜由白噪聲通過特定濾波器獲得，頻率范圍為0～3000Hz；線譜根據實際船的速度變化按照公式（1）獲得，線譜頻率取f＝nms，n為諧波次數，m為葉片數，s為轉速，實際應用中線譜通常取3～5個［2］，圖3顯示低頻部分有5個線譜分量。

3 輻射噪聲模擬器工作原理

艦船輻射噪聲模擬的設計思路是在滿足指標要求的情況下，降低研制成本，提高設備可靠性。本文從兩個方面進行考慮：一是盡量采用成熟技術；二是軟硬件模塊化設計。艦船輻射噪聲模擬器組成框圖如圖4所示，主要有便攜式計算機、模擬器主機、承重電纜和寬帶換能器四部分組成。便攜式計算機負責模擬器主機參數設置、產生各種噪聲信號、實錄噪聲數據分析和噪聲數據傳輸；控制模塊以單片機為核心，負責接收便攜式計算機傳來的噪聲數據，控制模擬主機工作；存儲模塊儲存噪聲數據；數模轉換模塊負責將數字信號轉換為模擬噪聲信號，匹配模塊負責輸入輸出阻抗匹配和信號隔離。艦船輻射噪聲模擬器可以通過兩種方式模擬產生噪聲：一是根據數據庫里已有的噪聲，調制聲源級并附加多普勒頻移后發射噪聲；二是根據實錄噪聲數據分析頻譜特性，模擬產生噪聲。在實際使用中，一般不連接計算機，計算機只負責將干擾器數據庫中的數據發送到模擬器主機既可以模擬器主機脫離，當要進行實時可編程操作時，計算機現場編制噪聲信號，現場控制模擬器主機工作。

圖4 艦船輻射噪聲模擬器工作原理

4 噪聲模擬器的整體設計

模擬器的外場使用環境比較惡劣，因此采用計算機與模擬器主機分離的設計，以提高設備的可靠性。計算機可采用筆記本或者平板電腦，這樣既可以有效避免計算機電磁輻射對微弱模擬輸出信號干擾，又有利于外場操作使用。

4.1 電路設計

系統整體電路設計框圖如圖5所示，以單片機和FPGA芯片為核心，形成系統的控制電路和信號發生電路［8］。單片機實現模擬器主機的人機交互功能，FPGA受控于單片機，并能在自身時鐘控制下產生噪聲信號。

圖5 艦船輻射噪聲模擬器主機框圖

4.1.1 控制電路

模擬器主機控制電路以單片機為核心，負責計算機與信號發生電路之間數據的中轉、主機參數的控制。單片機采用Atmel公司的8位低功耗COMS微控制器ATmega8。由于串口通信速度慢，使用不方便，本系統采用單片機中斷和串行傳輸通信方式模擬USB通信，單片使用12MHz外接晶振，經過8分頻可以達到1.5MB／s的傳輸速度，完全滿足設備數據傳輸需要。單片機通過USB接口接收來自計算機的數據，并通過包頭判斷該數據包是命令包還是數據包，若是命令包則對命令包進行解析，產生響應命令，若為數據包，則通過FPGA將噪聲數據存儲到FLASH中。

4.1.2 信號發生電路

信號發生電路主要由FPGA、FLASH、DA和功放組成。FPGA用來提供FLASH地址尋址功能、單片機訪問FLASH的時序及采樣率的設定。考慮到價格因素，FPGA采用Xilinx公司XC2S100，其內部集成了地址增一發生器、雙路地址選擇控制接口、數據緩存器、D／A邏輯控制接口、顯示控制器、時序控制器等，非常適合復雜時序邏輯的設計。FLASH采用SAMSUNG公司的NANDFLASH芯片K9F8G08，存儲容量為8Gbit，它以頁為單位進行讀寫，以塊為單位擦除，具有硬件數據保護功能。DA模塊和功放部分可以根據數模轉換精度和噪聲譜級要求進行選擇。

4.1.3 電源電路

模擬器主機采用220V交流輸入，以減少電源體積，采用開關電源，經過多級穩壓后直流＋5V輸出，這樣可以放在功放發射期間對主機電源的沖擊，另外，通過DC－DC模塊將數據、模擬部分完全隔開，減小數字電路的干擾。

4.2 軟件設計

軟件分為計算機部分和單片機部分。計算機部分負責人機交互界面，噪聲數據庫生成，錄音噪聲分析；單片機部分負責噪聲數據的轉存、命令的解析，顯示屏的顯示、噪聲發射控制等。

4.2.1 計算機軟件

計算機軟件采用NI公司的虛擬儀器編程軟件Lab－Window／CVI進行開發［9］。程序采用模塊化設計，保證軟件有較強的可移植性、可維修性和可擴充性。圖6顯示的計算機部分的軟件流程。軟件開始運行之前，是需要進行模擬器主機與計算機之間的串口連接，串口連接線采用直連線，進入主控界面之后，軟件將會自動查詢模擬器主機連接的串口，查詢到串口連接主機后將直接進入聯機狀態，否則進入脫機狀態。聯機狀態下可以進行噪聲數據庫管理、噪聲數據下載以及主機控制操作，主機控制操作包括輻射噪聲信號的發射控制、噪聲種類頻段的選擇、噪聲數據的下載、發射換能器深度以及發射噪聲譜級顯示；脫機狀態下可以進行錄取噪聲譜分析、數據庫管理。

圖6 計算機軟件流程圖

4.2.2 單片機軟件

單片機軟件分為通信子程序，輸入子程序，顯示子程序，A／D驅動子程序和FPGA驅動子程序五部分，采用匯編編程，保證了系統的實時性和穩定性［12］。

5 結語

艦船輻射噪聲的仿真和模擬一直是水聲領域的研究熱點，在水聲裝備的研制及部隊模擬訓練方面發揮著重要的作用。本文在進行艦船輻射噪聲模擬器設計時，采用成熟仿真技術，模塊化的軟硬件電路，克服了傳統模擬技術價格高、結構復雜、可靠性差等不足，具有較強的實用性。

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