艦船輻射噪聲模擬器設(shè)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(zhuǎn)和艦船運行產(chǎn)生并輻射到水中的噪聲，它是艦船最重要的聲學(xué)特征。艦船的輻射噪聲是被動式聲納設(shè)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(chǎn)生艦船輻射噪聲信號用于裝備設(shè)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(chǎn)生噪聲信號方式既可以保證安全，又能節(jié)約大量的資源。本文在分析艦船輻射噪聲頻譜特性的基礎(chǔ)上，綜合使用環(huán)境、技術(shù)特點、價格等因素，從工程應(yīng)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(shè)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(xù)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(yè)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(tǒng)噪聲和輔機噪聲，是強線譜和弱連續(xù)譜的迭加；螺旋槳噪聲是由螺旋槳轉(zhuǎn)動所產(chǎn)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(guī)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(jié)果。

艦船輻射噪聲功率譜中的連續(xù)譜反應(yīng)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(xù)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(tǒng)及螺旋槳有關(guān)，反應(yīng)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(guān)；各類恒速輔機振動及結(jié)構(gòu)共振引起的線譜諧波分量在幅度、頻率上是相對穩(wěn)定的高頻線譜，一般在1000Hz以下的頻域［3］。由于推進系統(tǒng)、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(chǎn)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(jù)具體艦船進行設(shè)置的參數(shù)。

2.3 艦船輻射噪聲連續(xù)譜模擬

艦船輻射噪聲是非平穩(wěn)隨機過程，可以用局部平穩(wěn)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(yīng)的FIR濾波器，即得到連續(xù)譜分量的模擬。常用的FIR濾波器的設(shè)計方法主要有：窗函數(shù)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(shè)計自適應(yīng)FIR數(shù)字濾波器。圖2顯示的是寬帶連續(xù)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(xù)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(xù)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(jù)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(shù)，m為葉片數(shù)，s為轉(zhuǎn)速，實際應(yīng)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(shè)計思路是在滿足指標要求的情況下，降低研制成本，提高設(shè)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(shù)；二是軟硬件模塊化設(shè)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(zé)模擬器主機參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)生各種噪聲信號、實錄噪聲數(shù)據(jù)分析和噪聲數(shù)據(jù)傳輸；控制模塊以單片機為核心，負責(zé)接收便攜式計算機傳來的噪聲數(shù)據(jù)，控制模擬主機工作；存儲模塊儲存噪聲數(shù)據(jù)；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊負責(zé)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬噪聲信號，匹配模塊負責(zé)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(chǎn)生噪聲：一是根據(jù)數(shù)據(jù)庫里已有的噪聲，調(diào)制聲源級并附加多普勒頻移后發(fā)射噪聲；二是根據(jù)實錄噪聲數(shù)據(jù)分析頻譜特性，模擬產(chǎn)生噪聲。在實際使用中，一般不連接計算機，計算機只負責(zé)將干擾器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)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(xiàn)場編制噪聲信號，現(xiàn)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(shè)計

模擬器的外場使用環(huán)境比較惡劣，因此采用計算機與模擬器主機分離的設(shè)計，以提高設(shè)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(shè)計

系統(tǒng)整體電路設(shè)計框圖如圖5所示，以單片機和FPGA芯片為核心，形成系統(tǒng)的控制電路和信號發(fā)生電路［8］。單片機實現(xiàn)模擬器主機的人機交互功能，F(xiàn)PGA受控于單片機，并能在自身時鐘控制下產(chǎn)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(zé)計算機與信號發(fā)生電路之間數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)、主機參數(shù)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(tǒng)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(jīng)過8分頻可以達到1.5MB／s的傳輸速度，完全滿足設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸需要。單片機通過USB接口接收來自計算機的數(shù)據(jù)，并通過包頭判斷該數(shù)據(jù)包是命令包還是數(shù)據(jù)包，若是命令包則對命令包進行解析，產(chǎn)生響應(yīng)命令，若為數(shù)據(jù)包，則通過FPGA將噪聲數(shù)據(jù)存儲到FLASH中。

4.1.2 信號發(fā)生電路

信號發(fā)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(shè)定。考慮到價格因素，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司XC2S100，其內(nèi)部集成了地址增一發(fā)生器、雙路地址選擇控制接口、數(shù)據(jù)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(fù)雜時序邏輯的設(shè)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(shù)據(jù)保護功能。DA模塊和功放部分可以根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)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(guān)電源，經(jīng)過多級穩(wěn)壓后直流＋5V輸出，這樣可以放在功放發(fā)射期間對主機電源的沖擊，另外，通過DC－DC模塊將數(shù)據(jù)、模擬部分完全隔開，減小數(shù)字電路的干擾。

4.2 軟件設(shè)計

軟件分為計算機部分和單片機部分。計算機部分負責(zé)人機交互界面，噪聲數(shù)據(jù)庫生成，錄音噪聲分析；單片機部分負責(zé)噪聲數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存、命令的解析，顯示屏的顯示、噪聲發(fā)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(fā)［9］。程序采用模塊化設(shè)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(lián)機狀態(tài)，否則進入脫機狀態(tài)。聯(lián)機狀態(tài)下可以進行噪聲數(shù)據(jù)庫管理、噪聲數(shù)據(jù)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(fā)射控制、噪聲種類頻段的選擇、噪聲數(shù)據(jù)的下載、發(fā)射換能器深度以及發(fā)射噪聲譜級顯示；脫機狀態(tài)下可以進行錄取噪聲譜分析、數(shù)據(jù)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(qū)動子程序和FPGA驅(qū)動子程序五部分，采用匯編編程，保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性［12］。

5 結(jié)語

艦船輻射噪聲的仿真和模擬一直是水聲領(lǐng)域的研究熱點，在水聲裝備的研制及部隊模擬訓(xùn)練方面發(fā)揮著重要的作用。本文在進行艦船輻射噪聲模擬器設(shè)計時，采用成熟仿真技術(shù)，模塊化的軟硬件電路，克服了傳統(tǒng)模擬技術(shù)價格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等不足，具有較強的實用性。

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