【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，属于信号处理领域。
技术介绍
1、在海洋研究中，水声技术是获取水下信息的最主要手段。而舰船在运动过程中产生的辐射噪声信号，蕴含着重要的特征信息，因此对舰船噪声的研究亦是海洋技术中的关键方向。在此类研究中，需要大量实测或仿真数据对信号处理算法的设计进行验证与测试。与实测数据相比，首先仿真数据的获取成本更低，能够方便快捷地获取大批量的数据，解决实测数据不足的问题；其次使用仿真数据，便于控制变量，更容易获得不同参数下的数据；另外由于仿真参数预先可知，更利于对信号处理算法的参数进行校准或搭建具有标签的大型数据集。而宽带调制噪声又是舰船辐射噪声中最主要的组成部分，是舰船噪声中仿真要求最高的一部分，因此对宽带调制噪声仿真方法的研究具有现实意义和良好的应用前景。
2、在现有的宽带调制噪声仿真方法中，一方面往往假设目标处于平稳的运动状态中，仿真得到的宽带调制信号在时域上不产生变化；另一方面，宽带调制信号一般直接由宽带连续谱和包络调制谱的简单相乘得到。但在实际情况和算法研究中，往往会出现舰船机动，即其螺旋桨轴频发生变化的场景。仿真舰船目标的螺旋桨轴频的变化，会造成舰船航速、加速度的变化。而舰船螺旋桨转速、航速、加速度的变化，则会进一步带来宽带连续谱的谱级变化和谱峰移动、包络调制谱的调制深度变化。并且在不同频率的噪声频域上，调制深度亦会有一定的移动。传统的宽带调制噪声仿真方法无法满足上述的舰船机动状态下的种种特征，不能有效地反映出目标机动造成的宽带调制噪声的整体变化趋势。>
技术实现思路
1、专利技术目的：为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提出一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，通过计算更符合实际的螺旋桨转速与舰船航速、加速度之间的关系模型，并采用分频带调制的方式，有效建立具备机动特征的更为精细的舰船辐射噪声的宽带调制谱模型。该方法首先设定舰船目标的基本参数、仿真时间段内的螺旋桨转速；然后建立螺旋桨转速与舰船航速之间的能量累积模型，计算出该时间段内的舰船航速、加速度的时间序列；再根据舰船的基本参数、螺旋桨转速和舰船航速、加速度，得到舰船宽带调制噪声的分频带宽带连续谱分量和各频带下的包络调制谱分量；最后根据各频带的上述分量，叠加得到舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真信号序列。
2、技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，该仿真方法包括以下步骤：
3、第一步：设定仿真舰船目标的基本参数，包括其最大航行速度vmax、螺旋桨最大转速rmax和舰船排水量m。
4、第二步：设定仿真时间段内仿真舰船目标的螺旋桨转速的时间序列rt＝{r[1],r[2],…,r[t]}，其中任一时刻t的螺旋桨转速r[t]为小于最大转速rmax的非负数，单位为转/分钟，t为仿真时刻序号，t为仿真信号序列的长度。
5、第三步：根据舰船航行的物理模型建立仿真目标的能量累积模型，得到螺旋桨转速与舰船实时航速、加速度之间的关系式，从而由仿真舰船目标的螺旋桨转速的时间序列rt得到实时航速的时间序列vt＝{v[1],v[2],…,v[t]}和加速度的时间序列at＝{a[1],a[2],…,a[t]}，其中v[t]和a[t]分别为t时刻的实时航速及加速度，方法如下：
6、由式(1)计算仿真舰船目标在t时刻的实时航速v[t]：
7、
8、其中，系数k1、k2为正数，用于调节单位时间内一定螺旋桨转速提供的动能。系数k1、k2之间的关系满足式(2)：
9、
10、在仿真时间间隔为t0时，由式(3)计算仿真舰船目标在t时刻的加速度a[t]：
11、
12、第四步：对仿真舰船目标的宽带调制噪声的分频带连续谱分量的时间序列nt的计算方法如下：
13、由式(4)计算100hz以上的噪声总声级ls[t]：
14、
15、由式(5)计算仿真舰船噪声连续谱分量谱峰的对应频率fm[t]：
16、
17、构造巴特沃思滤波器进行成型滤波，滤波器参数设置为：通带截止频率wpl取(fm[t]-30hz)，wph取(fm[t]+30hz)，通带截止频率wsl取fm[t]/2，wsh取8000hz，通带波纹rp取3db，阻带衰减rs取6db。对巴特沃思滤波器的分子系数b乘以从而得到成型滤波器。最后将单位方差的高斯白噪声通过该成型滤波器，以采样率fs获得仿真舰船目标的宽带调制噪声连续谱分量时间序列nt＝{n[1],n[2],…,n[t·fs]}，其中n[i]为采样点i的宽带调制噪声连续谱分量。
18、第五步：在宽带调制噪声的频域范围内，构造p个通带首尾相接的带通滤波器。将仿真舰船目标的宽带调制噪声连续谱分量nt依次通过这p个带通滤波器，获得分频带的宽带连续谱分量的时间序列集合其中，为通过第p个带通滤波器得到的第p个频带的宽带连续谱分量的时间序列。
19、第六步：对仿真舰船目标的宽带调制噪声的包络调制谱分量的时间序列计算方法如下：
20、由式(6)计算t时刻第q个调制谱在第p个分频带的调制深度
21、
22、其中，fq[t]为t时刻第q个调制谱的频率，λq、μq为该调制谱对应的调制深度系数，πp为第p个分频带的调节系数，α、β、γ为与螺旋桨转速、舰船航行速度和加速度相关的调节系数。
23、由式(7)计算仿真舰船目标在t时刻第p个分频带，以采样率fs获得采样点i的非均匀宽带调制噪声包络调制谱分量mp[i]：
24、
25、其中，n为轴频及其谐波的线谱总数，f[t]为t时刻的螺旋桨轴频，为初相。
26、第七步：通过在采样点i在第p个分频带的仿真舰船目标的宽带调制噪声的连续谱分量np[i]、包络调制谱mp[i]，由式(8)叠加计算得到机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真信号序列s[i]：
27、
28、有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益技术效果：
29、在现有的宽带调制噪声仿真方法中，一方面往往设定目标处于平稳的运动状态中，仿真得到在时域上不产生变化的宽带调制信号；另一方面，宽带调制信号一般通过宽带连续谱和包络调制谱的简单相乘得到。传统的宽带调制噪声仿真方法不能有效地反映出目标机动造成的宽带调制噪声的整体变化趋势。本专利技术采用的仿真方法，首先通过舰船航行的物理模型建立仿真目标的能量累积模型，得到螺旋桨转速与舰船实时航速、加速度之间的关系式，符合实际物理意义；然后在宽带连续谱和包络调制谱的生成过程中，设置了与实时的螺旋桨转速、舰船航速、加速度相关的参数，有效反映舰船的机动特征；最后以分频带的形式，对不同频率的调制深度进行动态的调整，再加以叠加计算，更贴合实际情况。
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1.一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：该仿真方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第一步中，设定仿真舰船目标的基本参数，包括其最大航行速度vmax、螺旋桨最大转速Rmax和舰船排水量m。
3.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第二步中，设定仿真时间段内仿真舰船目标的螺旋桨转速的时间序列RT＝{R[1]，R[2]，...，R[T]}，其中，任一时刻t的螺旋桨转速R[t]为小于最大转速Rmax的非负数，单位为转/分钟，t为仿真时刻序号，T为仿真信号序列的长度。
4.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第三步中，根据舰船航行的物理模型建立仿真目标的能量累积模型，得到螺旋桨转速与舰船实时航速、加速度之间的关系式，从而由仿真舰船目标的螺旋桨转速的时间序列RT得到实时航速的时间序列vT＝{v[1]，v[2]，...，v[T]}和加速度的时间序列aT＝{a[1]，a[2]，...，
5.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第四步中，对仿真舰船目标的宽带调制噪声的分频带连续谱分量的时间序列nT的计算方法如下：
6.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第五步中，在宽带调制噪声的频域范围内，构造P个通带首尾相接的带通滤波器。将仿真舰船目标的宽带调制噪声连续谱分量nT依次通过这P个带通滤波器，获得分频带的宽带连续谱分量的时间序列集合其中，为通过第p个带通滤波器得到的第p个频带的宽带连续谱分量的时间序列，p取值范围为1到P。
7.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第六步中，对仿真舰船目标的宽带调制噪声的包络调制谱分量的时间序列计算方法如下：
8.根据权利要求7所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第七步中，通过在采样点i在第p个分频带的仿真舰船目标的宽带调制噪声的连续谱分量np[i]、包络调制谱mp[i]，由式(8)叠加计算得到机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真信号序列s[i]：
...【技术特征摘要】
1.一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：该仿真方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第一步中，设定仿真舰船目标的基本参数，包括其最大航行速度vmax、螺旋桨最大转速rmax和舰船排水量m。
3.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第二步中，设定仿真时间段内仿真舰船目标的螺旋桨转速的时间序列rt＝{r[1]，r[2]，...，r[t]}，其中，任一时刻t的螺旋桨转速r[t]为小于最大转速rmax的非负数，单位为转/分钟，t为仿真时刻序号，t为仿真信号序列的长度。
4.根据权利要求1所述的一种舰船机动状态下非均匀宽带调制噪声仿真方法，其特征在于：在第三步中，根据舰船航行的物理模型建立仿真目标的能量累积模型，得到螺旋桨转速与舰船实时航速、加速度之间的关系式，从而由仿真舰船目标的螺旋桨转速的时间序列rt得到实时航速的时间序列vt＝{v[1]，v[2]，...，v[t]}和加速度的时间序列at＝{a[1]，a[2]，...，a[t]}，其中，v[t]和a[t]分别为t时刻...
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