Page 129 - 《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 663

仿真模拟垂直阵接收不同方向入射的信号，水 步长取为 1/10tr[R] ，根据采样时间将滤波阶数设
下声速为 1500 m/s，阵元数为 32，为了减小旁瓣干 为 500，频域波束形成聚焦频段为 100∼200 Hz，分
扰，将阵元间隔设为 5 m，假设在 45 min 时间段内 别画出第45 min时刻CBF、CBF-ALE、CBF-FALE
有一水下声源持续发射频率为 144 Hz、160 Hz 的线 处理过后对应到达角的归一化频谱图 (图 5(a))。分
谱信号，其与垂直阵的水平距离最初约为 3437 m， 析可以看出 CBF 能够利用阵增益初步提高信噪比，
随后声源靠近垂直阵，最近点的距离约为 58 m，最 结合 ALE 和 FALE 后信噪比能够进一步提高，使
后远离垂直阵，在 45 min 时刻与垂直阵的距离约 用了重叠存储法后 FALE 几乎没有失真，其降噪效
为 5216 m，该距离变化情况与第 3 节实验部分分析 果与 ALE 相同，但在计算时间方面，ALE 用时为
的数据相同。另有一水面干扰船只，其宽带辐射噪 152.2665 s，FALE 用时为 64.1872 s，FALE 时间缩
声的频率范围为 100∼200 Hz，水下声源信号与水 短率为 57.85%。为了提高计算精确度，根据前述分
面干扰信号在线谱频点处的信干比为 20 dB，干扰 析提高滤波阶数为1500，画出此时频谱图(图5(b))。
船只先驶近后远离垂直阵。向线谱信号全频带加 能够看到归一化的频谱噪声幅度得到进一步降低，
入时域信噪比 −40 dB 的高斯白噪声作为环境背景 且增加滤波阶数利用了时间增益，160 Hz 线谱的
噪声，垂直阵接收信号由水下声源发射的线谱信 归一化幅度也得到了提高，此时 ALE 的计算时间
号与水面干扰船只发射的宽带干扰信号以及背景 为 253.0116 s，FALE 的计算时间只需要 68.4751 s，
噪声组成，且假设信号以理想的平面波形式入射。 FALE时间缩短率为 72.94%。通过仿真实验进一步
信号采样率为 1000 Hz，每段采样时间为 30 s，画 说明了增加滤波阶数后能够使计算精确度增加，同
出原始信号的时域图和频域图如图 4 所示。将收敛 时FALE的计算效率提升也更加明显。

500 15
10
ࣨए 0 ࣨए
5

-500 0
0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
௑ᫎ/s ᮠဋ/Hz
(a) ௑۫ηՂ (b) ᮠ۫ηՂ

图 4 原始信号的时域图和频域图
Fig. 4 Time domain diagram and frequency domain diagram of the original signal

1.0 1.0
CBF CBF
0.9 CBF-ALE 0.9 CBF-ALE
CBF-FALE CBF-FALE
0.8 0.8
0.7 0.7
ॆʷӑࣨए 0.5 ॆʷӑࣨए 0.5
0.6
0.6
0.4
0.4
0.3 0.3
0.2 0.2
0.1 0.1
0 0
100 120 140 160 180 200 100 120 140 160 180 200
ᮠဋ/Hz ᮠဋ/Hz
(a) ໚ฉ᫽஝ (L=500) (b) ໚ฉ᫽஝ (L=1500)
图 5 CBF、CBF-ALE、CBF-FALE 的到达角频谱图

Fig. 5 Angle of arrival spectrogram of CBF, CBF-ALE, CBF-FALE