Page 125 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 张润海等： 深海垂直阵空时频域联合线谱增强方法 659

adaptive line enhancement (FALE) was introduced to transform time domain computation into frequency
domain computation. The problem of computational efficiency is solved by using fast Fourier transform (FFT).
Verified by simulation and sea test experiments, the joint processing method of CBF and ALE proposed in
this paper has higher computational efficiency, and can effectively remove the wide-band noise outside the line
spectrum and improve the signal-to-noise ratio. Thus, the target line spectrum signal can be extracted more
efficiently in the underwater acoustic environment with complex noise signals, and a more accurate detection
effect is obtained, which has a good application prospect in engineering.
Keywords: Vertical array; Beamforming; Adaptive line enhancement

应线谱增强器能够有效地在宽带噪声环境中降低
0 引言
背景噪声，提取出目标窄带信号，特别是在高斯白
在水下环境中，被动检测因为有着隐蔽性高的 噪声环境下，该方法能够在很低的信噪比下有效地
优越性而得到广泛运用。被动检测主要依靠舰船 提取出线谱信号，因此常被用于线谱检测中。其工
以及水下目标自身发出的辐射噪声来进行目标检 作原理是让信号经过基于某一准则的自适应滤波
测 [1] ，目标辐射噪声的功率谱一般呈现连续谱和线 器以达到线谱增强的效果。Khan 等 [8] 利用自适应
谱两种结构，线谱相较于连续谱而言更具备相位稳 线谱增强 (Adaptive line enhancement, ALE) 降低
定性，且线谱具有更高的强度，较易被检测 [2] 。单 了次声波的背景风噪声。王逸林等 [9] 提出一种时

一水听器无法满足低信噪比环境下的检测需求，为 空域联合的线谱增强滤波器提高了检测性能，但是
了提高水声环境信号的检测能力，常常将多个水听 没有考虑到自适应线谱增强器自身仍需要一定信
器组合成阵列。基于水听器阵列的波束形成处理 噪比的问题。金盛龙等 [10] 进行稀疏驱动 ALE 的前
方法能够获得由多个阵元带来的空间增益，从而有 处理来实现目标检测。ALE方法的研究多是在时域
效提高接收信号的信噪比，是水声信号处理的一个 上对信号进行处理，这就导致当自适应滤波器的滤
常用且有效的方式。常规波束形成 (Conventional 波阶数过大，也即滤波加权向量的长度过大时，其
beamforming, CBF)作为一种阵列运用中最典型的
所需的运算量也成倍增加，从而在实际运用中受到
波束形成方法，拥有计算简便快捷、在非相干噪声环
一定阻碍。一个好的提高计算效率的方式是将信
境下稳定性强等特点，在水声信号处理中得到广泛
号的处理域从时域转换到频域 [11−12] ，以此实现的
的应用，有着难以替代的普适性。本文的空域分析
频域自适应线谱增强 (Frequency domain adaptive
将基于 CBF 的方法进行。阵列信号处理已经有了
line enhancement, FALE) 的方法相比于传统时域
大量的相关研究，阵列空间方面的信息常被用于目
线谱增强来说能够提高计算效率。刘辉涛等 [13] 利
标的检测与定位之中。时洁等 [3] 利用垂直矢量阵，
用 FALE 的方法解决了运算量问题并且提高了低
基于压缩感知中的稀疏性理论提出了一种垂直矢
信噪比下的线谱检测能力。赵智姗 [14] 将匹配滤波
量阵聚焦波束形成的方法，得到了近场空间噪声源
器与 FALE 结合提高了常规匹配滤波器的检测性
的位置，并成功实现了噪声源的定位。杨益新 [4] 在
能。自适应线谱增强器的滤波优化准则对滤波效果
阵列的基础上研究了声呐的波束形成和高分辨目
有很大的影响，基于最小均方 (Least mean square,
标方位估计。陈韶华等 [5] 在阵列基础上构造声强向
量阵并研究了超增益波束形成和互谱声强检测，实 LMS) 准则的算法具有原理简单、参数收敛速度较
现对低频声源的检测和方位估计。这些都是在基于 快而且易于实现等特点，受到广泛的运用，常被用作
阵列的空域信号处理的研究。 自适应滤波器的基本准则 [15] 。本文提出一种将空
自适应滤波是近年来快速发展起来的信号处 时频域相联合的方法，采取先对信号进行空域滤波
理方法，它是在 Wiener 滤波、Kalman 滤波等线性 处理后进行 ALE的方式来实现目标线谱检测，通过
滤波基础上发展起来的一种最佳滤波方法 [6] ，由于 对自适应线谱增强器进行频域批处理，提高了计算
其可用于解决先验知识未知条件下的问题，因此在 效率。同时针对在强宽带干扰环境下 ALE 的效果
实际工程中有诸多应用。Widrow 等 [7] 提出的自适 进行了仿真与实验分析。