CN111651871B - 一种基于混沌摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法，通过数值仿真，对该系统在船舶主机振动频率的隐藏和伪装效果进行了验证，当机组主信号经船体辐射达到某一给定阈值时，通过调整作用在混沌摆上的主动激励强度和频率，使整个隔振系统响应表现为混沌摆的振动特征，形成具有连续谱分量和伪装频率的混沌耦合信号。利用海洋环境的随机性特点和混沌行为对随机状态的敏感性原理，隐藏并伪装船舶推进轴系的主机振动信号等关键信息。

Description

一种基于混沌摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法

技术领域

本发明涉及船舶机械安全保障技术领域，特别涉及一种基于混沌 摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法。

背景技术

船舶设备的噪声主要来源于螺旋桨、操纵装置、主辅机等引起的 机械设备振动，这些周期振动信号通常包含明显的旋转机械固有特征 和工作频率，通过数据处理和技术解析能够轻易地反映出舰船推进轴 系的主机信息。该信号通过船体不断向水中辐射，在船体周围形成一 个强大的声源，这种信号易被敌方在多领域部署的声呐等多种设备的 探测和搜索，从而暴露我方舰艇的具体参数和技术指标，严重影响船 舶特别是水下舰艇的战斗力，在战时甚至遭到敌方武器有针对性地打 击，其后果不堪设想。因此主机振动信号在复杂环境下，特别是强电 磁干扰下的隐蔽性能关系到舰艇的生存能力。而目前，现有的技术手 段尚无法做到低频的主机信号完全消除，因此振动信号的隐藏伪装技 术可作为一种保护舰船关键信息的被动防御手段，降低舰船被敌侦测 后的进一步识别和破解风险，延误并误导敌方作战指挥系统，提高其 作战生存能力。由于西方发达国家的技术封锁，国内舰艇水下噪声控 制起步较晚，无论船舶隔振系统的动力学基础理论研究还是装备制造 领域，我国的隔振技术和隐藏性能与世界先进水平还存在很大的差距， 而掌握该技术对舰船特别是水下舰艇的隐蔽性能至关重要。

目前，工程上针对船舶推进轴系工作产生的振动信号主要通过转 子的高精度动平衡技术、机组隔振装置(单层隔振、双层隔振、浮筏 隔振等)、低噪音技术(电力推进、船体外形设计等)，材料消声技术 (消声瓦、消声涂层等)等手段来抑制由旋转机械设备产生信号的振 动水平，降低主要频率分量的幅值，实现被动减振降噪。这些方法虽 能在一定程度上减少信号的辐射强度，降低被船舶侦测的风险，但目 前的技术在背景噪声较低时仍无法达到良好的静音和隐藏效果，特别 是水下舰艇在远洋和深海区域航行时，经船体辐射的机组运行信号往 往具有较高的信噪比，易被截获并存在泄露装备关键信息的风险。另 外，海浪的激励形式具有明显的不确定性，在海洋或武器强冲击激励 下，机组的隔振装置的减振降噪效果将受到严重挑战，在战时等极端 航行条件下容易导致控制失效而出现频率放大。而现有的技术手段尚 未提出在控制失效时如何保护舰船设备关键信息的有效防御方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基 于混沌摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法，提出的主机 振动信号伪装方法可以作为保护舰船作战安全的一种被动防御手 段，利用海洋环境的随机性特点和混沌行为对随机状态的敏感性原 理，隐藏并伪装船舶推进轴系的主机振动信号等关键信息。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于混沌摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法，包 括以下步骤；

建立具有混沌摆结构的浮筏隔振系统模型：

由轻质连杆和质量集中摆锤构成混沌摆结构，将该结构安装于中 间筏体中部，混沌摆结构上方为上层隔振器，下方为下层隔振器，并 使其具有周向运动自由度，同时考虑隔振系统的纵向振动，形成混沌 摆—浮筏耦合系统，此时混沌摆—浮筏耦合系统的动力学模型和通过 如下能量函数描述；

系统的动能：

势能：

考虑上层隔振器、下层隔振器和混沌摆运动中的阻尼影响，且阻尼系 数分别为c_i,c_f,c₀，混沌摆—浮筏耦合系统的耗散函数D可表示为：

通过作用于摆结构上的主动力F和转动频率Ω₀调整系统的耦合响应， 此时混沌摆—浮筏耦合系统的广义力Q_θ表示为：

Q_θ＝Flcos(Ω₀t) (4)

上述式(1)—(4)中，J表示摆绕轴线的转动惯量，m₀为摆的质量， l为摆的长度，g表示重力加速度，中间层筏体质量为m_f，基础运动 位移为s(t)，t为响应演化时间；筏体上安装的第i个机组的质量表示 为m_i，其绕轴线旋转的质量偏心距为e_i，轴系转速为Ω；采用隔振系 统纵向运动坐标和摆结构的旋转角度为系统的广义坐标q＝{y_i,y_f,θ}， 其中y_i表示第i个机组的位移，y_f为中间筏体运动位移，θ是摆的旋转 角度；

将上述式(1)—(4)代入Lagrange方程：

可得具有非线性混沌摆的单机组隔振系统动力学模型：

考虑到船舶航行时的随机工况，引入作用在伐体上的随机激励和 基础运动，并为使分析具有一般性，通过对式(6)无量纲化后，具有混 沌摆结构的浮筏隔振系统随机运动方程可表示为：

其中，W(t)表示作用在船体的随机激励，σ为激励强度；

θ分别表示转子、筏体和摆的无量纲幅值；f、f_s、f₀分别为无量纲下 转子工作频率、基础周期激励频率和摆的激励频率；/>

为上层隔振器 阻尼比；K_n、C_n分别是下层隔振器与上层隔振器刚度和阻尼的比值； C_n0为摆与上层隔振器阻尼的比值；n、n0分别表示筏体质量与转子和 摆的质量比；E为无量纲偏心距，/>

为摆的激励幅值，G为摆的无量 纲重力，A为船体基础周期运动幅值，τ为无量纲时间；

所述的式(7)反映了在随机激励下具有摆结构的隔振系统耦合 动力学模型。

所述的摆结构设计中其质量通常可取为筏体质量的千分之一，即 n＝1000；同时，施加于摆的周向激励幅

取为0.165。

所述的式(7)具体为：

当f₀＝0时，即式(7)表现为不含混沌摆的隔振系统，通过对该 动力学模型的数值仿真，可以看出：此时，在噪声工况下，系统响应 的频谱中包含明显的主机周期振动信号，且幅值较大，该信号的特征 能够直接反映出主机组旋转机械的工作频率，在船舶航行情况下，以 该频率为代表的机组固有特征和工作状态极易通过船体传递到海洋 中，而轻易被敌方识别。

此时，若运行安装在筏体上的混沌摆系统f₀＝1.65，主机振动信号 频率f＝0.25，则迅速隐藏在耦合信号中，摆的非线性特征形成伪装频 率成分f_p＝0.16；

在此结构状态下，通过对式(7)的数值仿真，可以发现该响应 信号表现为混沌序列，对微小扰动具有响应敏感性特征，因而，在海 洋工作环境中，从机理上无法通过对该信号的逆处理而解析原始频率 分量，从而实现关键信号的隐藏和伪装。

本发明的有益效果：

本发明通过数值仿真，对该系统在船舶主机振动频率的隐藏和伪 装效果进行了验证。研究表明：当机组主信号经船体辐射达到某一给 定阈值时(该阈值可根据船舶所在海洋背景噪声的强度确定)，通过 调整作用在混沌摆上的主动激励强度和频率，使系统响应表现为混沌 摆的振动特征，形成具有连续谱分量和伪装频率的混沌耦合信号。此 时，该信号在海洋环境即使被探测也无法准确地解析和破译。在分析 中，该混沌摆结构的质量仅约为隔振层质量的千分之一，因此本发明 为船舶振动信号的隐藏伪装提供了可靠的方法，而且在实际工程中便 于实现对混沌摆的安装和控制。

本发明与传统的对通信信号直接加密方法具有本质的区别：首 先，本方法利用混沌响应的内秉随机性和连续谱特征，在其动力学 结构的框架下能始终保持有限范围内的小幅振动，且表现的连续谱 无法通过传统降噪提高信噪比；其次，由于混沌对初始状态敏感的 基本特征，使得在没有精确获得的船舶运行状态信息的条件下，耦 合信号在机理上无法解析。同时，由于海洋环境的随机性，这种运 行状态信息并不可获取和预测，也就是没有传统的加密密钥，因而 从根本上杜绝了密钥的丢失引起的信号破解；最后，由于摆与主机 系统的耦合振动，其非线性特性改变了响应信号的频谱分布，产生 的响应并非简单的信号合成和叠加，因而不存在原始信号分离的可 能。而耦合信号在产生时本身就具有伪装频率特性，并不是后续附 加，故也无法通过逆处理而解析原始频率成分。

附图说明

图1为具有混沌摆的主机隔振系统结构示意图。

图2为主机振动频率的主机振动信号频率隐藏和伪装效果对比 示意图。

图3为主机振动频率的伪装频率成分隐藏和伪装效果对比示意 图。

图4为主机振动频率的响应敏感性特征隐藏和伪装效果对比示 意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明利用非线性随机动力学的混沌理论，在原有隔振系统的基 础上，设计一个能产生可控响应的小型混沌摆结构，并将其与船舶主 机系统耦合起来，形成具有连续谱分量和对随机状态敏感的响应信号， 以改变原始信号的主频率成分。通过对摆结构的参数控制，使响应的 谱分量呈现出任意给定的频率成分，从而实现船舶推进轴系旋转机械 关键信号的隐藏和伪装。本发明可适用于不同隔振策略(多层隔振、 浮筏隔振等)，原理可通过如下建模过程和仿真结果说明。

如图1所示的混沌摆—浮筏耦合系统模型，为保证结构对称性， 混沌摆安装于中间筏体的中部，并使其具有周向运动自由度。

此时系统的动力学模型和通过如下能量函数描述：

系统的动能：

势能：

考虑上层隔振器、下层隔振器和混沌摆运动中的阻尼影响，且阻尼系 数分别为c_i,c_f,c₀，混沌摆—浮筏耦合系统的耗散函数D可表示为：

通过作用于摆结构上的主动力F和转动频率Ω₀调整系统的耦合响应， 此时混沌摆—浮筏耦合系统的广义力Q_θ表示为：

Q_θ＝Flcos(Ω₀t) (11)

上述式(1)—(4)中，J表示摆绕轴线的转动惯量，m₀为摆的质量， l为摆的长度，g表示重力加速度，中间层筏体质量为m_f，基础运动 位移为s(t)，t为响应演化时间；筏体上安装的第i个机组的质量表示 为m_i，其绕轴线旋转的质量偏心距为e_i，轴系转速为Ω；采用隔振系 统纵向运动坐标和摆结构的旋转角度为系统的广义坐标q＝{y_i,y_f,θ}， 其中y_i表示第i个机组的位移，y_f为中间筏体运动位移，θ是摆的旋转 角度；

不失一般性，建模中以具有一个负载机组的筏体情况为例(多机 组情况的建模和原理与之类似)，将上述式(1)—(4)代入Lagrange方 程：

可得具有非线性混沌摆的单机组隔振系统动力学模型：

考虑到船舶航行时的随机工况，引入作用在伐体上的随机激励和 基础运动，并为使分析具有一般性，通过对式(6)无量纲化后，具有混 沌摆结构的浮筏隔振系统随机运动方程可表示为：

其中，W(t)表示作用在船体的随机激励，σ为激励强度；

θ分别表示转子、筏体和摆的无量纲幅值；f、f_s、f₀分别为无量纲下 转子工作频率、基础周期激励频率和摆的激励频率；/>

为上层隔振器 阻尼比；K_n、C_n分别是下层隔振器与上层隔振器刚度和阻尼的比值； C_n0为摆与上层隔振器阻尼的比值；n、n0分别表示筏体质量与转子和 摆的质量比；E为无量纲偏心距，/>

为摆的激励幅值，G为摆的无量 纲重力，A为船体基础周期运动幅值，τ为无量纲时间。

上式(7)反映了在随机激励下具有混沌摆结构的浮筏隔振系统 耦合动力学模型。为最大程度地减小摆对个整个系统振动幅值的影响， 在摆结构设计中其质量通常可取为筏体质量的千分之一，即n＝1000； 同时，施加于摆的周向激励幅

取为0.165。为了展示该混沌摆结构对 机组信号的隐藏效果，本例中设置机组主轴工作频率f＝0.25。通过调 整摆的激振频率，使摆的运动表现为混沌响应，并通过与隔振系统的 结构耦合，使得整个系统形成具有连续谱分量和对随机状态敏感的响 应信号。通过对上述模型的数值模拟，具体分析过程如下：

当f₀＝0时，即式(7)表现为不含混沌摆的隔振系统。通过对该 动力学模型的数值仿真，可以看出：此时，在噪声工况下，系统响应 的频谱中包含明显的主机周期振动信号(附图2中的f＝0.25)，且幅 值较大。该信号的特征能够直接反映出主机组旋转机械的工作频率， 在船舶航行情况下，以该频率为代表的机组固有特征和工作状态极易 通过船体传递到海洋中，而轻易被敌方识别。

此时，若运行安装在筏体上的混沌摆系统(即式(7)中f₀＝1.65)， 主机振动信号频率(附图2中的f＝0.25)则迅速隐藏在耦合信号中， 并由于摆的非线性特征形成伪装频率成分(附3中的f_p＝0.16)。在应 用中，还可通过对摆的结构和参数主动控制和调整，生成任意给定的 伪装频率成分。

在此结构状态下，通过对式(7)的数值仿真，可以发现该响应 信号表现为混沌序列，对微小扰动具有响应敏感性特征(附图4)。因 而，在海洋工作环境中，从机理上无法通过对该信号的逆处理而解析 原始频率分量，从而实现关键信号的隐藏和伪装。

如图2图3图4所示：说明：图中显示了在随机工况下具有混沌 摆装置的耦合系统对船舶主机振动频率的隐藏和伪装效果对比。在本 例中无量纲主机组工作频率为f＝0.25，施加混沌摆装置后的伪装频率 为f_p＝0.16。

工程实现中可通过一个可施加主动控制幅值和频率的周向运动 的小型摆结构来实现，进一步还可以根据所提出的机理改变摆的形式， 以实现相似效果。

Claims (3)

1.一种基于混沌摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法，其特征在于，包括以下步骤；

建立具有混沌摆结构的浮筏隔振系统模型：

由轻质连杆和质量集中摆锤构成混沌摆结构，将该结构安装于中间筏体中部，混沌摆结构上方为上层隔振器，下方为下层隔振器，并使其具有周向运动自由度，同时考虑隔振系统的纵向振动，形成混沌摆—浮筏耦合系统，此时混沌摆—浮筏耦合系统的动力学模型和通过如下能量函数描述；

系统的动能：

势能：

考虑上层隔振器、下层隔振器和混沌摆运动中的阻尼影响，且阻尼系数分别为c_i,c_f,c₀，混沌摆—浮筏耦合系统的耗散函数D可表示为：

通过作用于摆结构上的主动力F和转动频率Ω₀调整系统的耦合响应，此时混沌摆—浮筏耦合系统的广义力Q_θ表示为：

Q_θ＝Fl cos(Ω₀t) (4)

上述式(1)—(4)中，J表示摆绕轴线的转动惯量，m₀为摆的质量，l为摆的长度，g表示重力加速度，中间层筏体质量为m_f，基础运动位移为s(t)，t为响应演化时间；筏体上安装的第i个机组的质量表示为m_i，其绕轴线旋转的质量偏心距为e_i，轴系转速为Ω；采用隔振系统纵向运动坐标和摆结构的旋转角度为系统的广义坐标q＝{y_i,y_f,θ}，其中y_i表示第i个机组的位移，y_f为中间筏体运动位移，θ是摆的旋转角度；

将上述式(1)—(4)代入Lagrange方程：

可得具有非线性混沌摆的单机组隔振系统动力学模型：

考虑到船舶航行时的随机工况，引入作用在伐体上的随机激励和基础运动，并为使分析具有一般性，通过对式(6)无量纲化后，具有混沌摆结构的浮筏隔振系统随机运动方程可表示为：

其中，W(t)表示作用在船体的随机激励，σ为激励强度；

θ分别表示转子、筏体和摆的无量纲幅值；f、f_s、f₀分别为无量纲下转子工作频率、基础周期激励频率和摆的激励频率；ζ为上层隔振器阻尼比；K_n、C_n分别是下层隔振器与上层隔振器刚度和阻尼的比值；C_n0为摆与上层隔振器阻尼的比值；n、n0分别表示筏体质量与转子和摆的质量比；E为无量纲偏心距，

为摆的激励幅值，G为摆的无量纲重力，A为船体基础周期运动幅值，τ为无量纲时间；

所述的式(7)反映了在随机激励下具有混沌摆结构的浮筏隔振系统耦合动力学模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于混沌摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法，其特征在于，所述的摆结构设计中其质量通常可取为筏体质量的千分之一，即n＝1000；同时，施加于摆的周向激励幅

取为0.165。

3.根据权利要求1所述的一种基于混沌摆结构对船舶周期振动信号的隐藏和伪装方法，其特征在于，所述的式(7)具体分析过程如下：

当f₀＝0时，即式(7)表现为不含混沌摆的隔振系统，通过对该动力学模型的数值仿真，可以看出：此时，在噪声工况下，系统响应的频谱中包含明显的主机周期振动信号，且幅值较大，该信号的特征能够直接反映出主机组旋转机械的工作频率，在船舶航行情况下，以该频率为代表的机组固有特征和工作状态极易通过船体传递到海洋中，而轻易被敌方识别；

此时，若运行安装在筏体上的混沌摆系统f₀＝1.65，主机振动信号频率f＝0.25，则迅速隐藏在耦合信号中，摆的非线性特征形成伪装频率成分f_p＝0.16；

在此结构状态下，通过对式(7)的数值仿真，可以发现该响应信号表现为混沌序列，对微小扰动具有响应敏感性特征，因而，在海洋工作环境中，从机理上无法通过对该信号的逆处理而解析原始频率分量，从而实现关键信号的隐藏和伪装。

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