基于被动声呐音频信号的水中目标识别综述

基于被动声呐音频信号的水中目标识别是当前水下无人探测领域的重要技术难题,在军事和民用领域都应用广泛.本文从数据处理和识别方法两个层面系统阐述基于被动声呐信号进行水中目标识别的方法和流程.在数据处理方面,从基于被动声呐信号的水中目标识别基本流程、被动声呐音频信号分析的数理基础及其特征提取三个方面概述被动声呐信号处理的基本原理.在识别方法层面,全面分析基于机器学习算法的水中目标识别方法,并聚焦以深度学习算法为核心的水中目标识别研究.本文从有监督学习、无监督学习、自监督学习等多种学习范式对当前研究进展进行系统性的总结分析,并从算法的标签数据需求、鲁棒性、可扩展性与适应性等多个维度分析这些方法的优缺点.同时,还总结该领域中较为广泛使用的公开数据集,并分析公开数据集应具备的基本要素.最后,通过对水中目标识别过程的论述,总结目前基于被动声呐音频信号的水中目标自动识别算法存在的困难与挑战,并对该领域未来的发展方向进行展望.

加权有向关联网络构建与表征的水中目标远距离检测

水中目标的远距离检测是海洋防御体系的关键技术之一,对国防及民用领域均具有十分重要的作用。然而,目前尚缺乏行之有效的水中目标远距离检测方法,特别是目标先验信息未知的情况下变的愈加困难。为解决这一问题,提出一种新的方法—加权有向关联网络。通过矢量声信号到加权有向关联网络的映射,将信号检测问题转化为网络拓扑的表征,并通过对网络拓扑的特性分析及特征提取,实现无目标先验信息下的水中目标远距离检测。并通过仿真与实测数据对所提出的方法进行验证。研究结果表明:与现有的窄带互谱检测、冒泡熵等方法相比,所提方法能够检测到更低信噪比的水中目标,实现了无需目标先验信息的水中目标远距离检测;该方法的应用具有一定的实际意义和应用前景,可以为海洋防御和民用领域的水下目标检测提供有效的技术支撑。

等值反磁通瞬变电磁法对水中目标体探测的试验研究

等值反磁通瞬变电磁法是针对传统瞬变电磁法存在浅层探测盲区这一缺点而提出来的一种新方法,该方法对浅层低阻体的探测具有明显优势。介绍了等值反磁通瞬变电磁方法原理、此次实验所用仪器设备以及浅水域等值反磁通瞬变电磁法的探测过程,通过在渤海海域中对水中目标体进行电磁探测方法试验,分析了不同埋深、不同材质和不同采集参数的电磁异常响应特征,结果表明:采用等值反磁通瞬变电磁法能够克服一次场干扰,从而精细识别水中浅层目标体。试验结果显示:采用小线圈探测能够识别水中5 m内较薄的金属目标体,探测其他较大目标体可根据缩比公式进行推算。该试验可为水中目标体电磁探测提供相应的采集参数等基础参考资料。

基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟

水中声波传播速度较快且衰减较慢,声波传播路径会受到水体的折射和反射影响,导致水中目标声学的频率响应和衰减特性存在较大差异。为提升传统水中目标声学参数数值模拟方法的综合性能,提出一种基于参数修正的水中目标声学参数数值模拟方法。在频率和临界频带转换的基础上,计算水中目标声学特性响度值;根据频谱响应对总响应度加权积分结果,利用K-均值聚类方法修正水中目标声学特征参数。采用拉氏算法建立矩阵方程,将含有阻尼的弹性结构振动方程进行离散化处理,提高数值模拟计算算力。利用有限元构建前置处理模块、有限元分析计算模块、后置处理模块,完成水中目标声学参数的数值模拟。仿真实验结果表明,与传统方法相比,所提方法的数值模拟精度较高,模拟效果更好,具有较强的实用性。

基于3DS MAX建模的水中目标目标强度计算

本文提出基于 3DSMAX建模的水中目标目标强度 (TS)计算方法。给出利用 3DSMAX对水中目标建模后从图形交换DXF文件提取目标信息 ,再用得到的信息结合板块元方法计算水中目标目标强度 (TS)的算法。为水中复杂目标目标强度的计算提供了一种简易方法。

基于声强向量法和声压梯度法的水中目标定向

本文论述了适合于水雷引信的基于声强向量法和声压梯度法对水中目标的特定部位 ,特别是辐射低频线谱分量的主机和辅机部位定向的方法 ,并对它们的定向原理以及在海洋环境噪声干扰场情况下的误差特性进行了分析。

水中目标联合压差及时延的二元阵定位方法

针对引信在实现近距快速定位时声传感器阵列体积大的问题,提出了联合压差和时延的二元阵定位方法。二元阵定位方法采用分帧处理和广义相关法将声压差和声时差模型相结合,确定平面目标位置,随着弹丸的转动,也能判定垂直平分线上的目标位置。试验结果表明,该方法在较低混响下可获得较好的定位结果,在满足引信近距探测高灵敏度、快速响应要求基础上,有效减小了阵列体积。

水中目标回波脉冲包络起伏特征研究

水中目标散射声信号中蕴含了目标外形、结构、材质等物理属性信息,如何表征和提取这些属性信息一直是水中目标散射声信号分类与识别研究关注的焦点之一。为此,文章提出并研究了与水中目标属性信息相关联的散射声信号包络起伏特征,分析了该特征与目标外形、结构等物理属性间的内在关联及其形成机理,建立了相应的特征表征模型,并开展了理论仿真分析和模型实验验证研究。研究结果表明:体目标回波的脉冲包络起伏极值频率随入射声波的载频增加而增加,这体现了体目标的属性;Bench Mark模型的回波脉冲包络起伏频率与目标方位角密切相关,其中艏艉方向最大,正横方位最小。

基于Dempster-Shafer证据推理的水中目标多特征融合识别技术

多特征融合是将各种信息以某种优化准则组合起来,产生对观测目标的一致性解释和描述,从而形成比单一信息源更精取、更完整的估计和判决;文章重点研究了Dempster-Shafer证据理论,讨论了它的可应用性,在此基础上把决策融合策略与模糊自适应共振(FART)神经网络、所获取的特征知识相结合,实现了对三类目标的分类识别,实验表明通过决策融合后可使识别率比原来提高2%左右,提高了识别的可靠性,显示了该方法在实现水中目标识别上的重要应用前景。

水下爆炸作用下水中目标抗毁伤特征计算研究

以某水中目标为研究对象,采用数值计算方法对其在反制武器攻击下的毁伤情况进行研究。首先,对仿真方法的正确性进行验证,保证计算方法的正确性;其次,假定水中目标受到灭雷弹攻击,建立水中目标的仿真计算模型,采用ABAQUS显式动力学方法计算方法,以灭雷弹毁伤半径、水中目标本身抗炸指标设计计算工况,以壳体破裂为判据,对水中目标受到灭雷弹攻击的毁伤情况以及抗水中爆炸的毁伤情况进行了数值仿真计算。结果表明:壳体内部是否装药对损伤影响很大,壳体内部没有填充物的情况下,水中目标抵抗炸雷弹攻击的能力比较弱;爆炸方位对毁伤效果存在一定的影响,侧面起爆对目标结构毁伤程度大于后方起爆。

基于磁场数据的水中目标航迹解算方法

针对近场水中目标航迹态势感知问题,提出一种基于磁场测量数据的航迹解算方法.根据水中目标特性,分别建立了相应的运动模型和信号模型;在目标航迹接近传感器测量点过程中的不同阶段,将航迹解算问题等效扩展为状态空间内的参数估计问题,构建了基于解析粗估计-批量数据航迹起点回归-卡尔曼滤波实时递推的三级级联结构航迹解算方法.该方法仅需要目标的三轴磁场测量数据即可完成其航迹解算,相比基于声学测量的航迹解算方法具有实施简单,成本低以及近场定位精度较高的优势.分别通过仿真实验对比和实测数据验证表明了本文方法的有效性.

国外水中目标激光探测技术概况

国外研究水下探测目标激光成象的识别技术已有30多年,近5年来开始实用。本文介绍水中目标激光成象识别技术的特点,综述这一技术近来的发展现状。最后,简述这一领域的未来技术发展。

基于扰动压力与速度测量水中目标航向与航速的新方法

从不可压理想定常流动的伯努利方程出发,依据水中航行体对水中某点的扰动压力与扰动速度的相关性,提出了基于水中航行体对水中一点的扰动压力与扰动速度测量该航行体的航行速度与航向的新方法。船模实验表明,该方法能较准确地测量出水中航行体的航向与运动速度,航向测量误差在5%以内,速度测量误差在20%以内,说明该方法具有实际应用前景。

水中目标特性及探测剖析

从水中目标识别的系统环节出发,分析了水中目标固有的内在特性及其与环境水体相互作用的外在特性,探讨了与水中目标识别相关的水声物理场特性和目标处于动态海洋环境场时的特性,以及识别水中目标的多种方式,展望了水中目标特性研究的应用领域,指出水中目标特性的延拓是水声学及相关交叉学科发展的学术推动力和以后发展的方向。

一种增强水中目标辐射谐波信号的方法

本文研究了一种基于一维高阶累积量对角切片归一化的自适应谐波信号谱增强新方法(1-D FOCDSBAHSE),该方法在低信噪比情况下,仍具有较强的抑制高斯有色噪声能力,从而克服了传统的自适应线谱增强方法(ALE)的缺点;理论分析与仿真结果均说明了新方法的有效性。

水中目标自由场声辐射特性还原及远场声辐射热区识别

获取水中目标的声特性对目标识别和分析十分重要。为解决水中目标声特性测试中自由场条件难以实现的问题,消除结构表面能量流对远场声辐射热区识别的干扰,提出结合基于边界元自由场还原技术和表面贡献法的声场分离技术,实现水中近场非自由场环境中获取水中目标的声特性和识别远场声辐射热区。数值模拟结果表明:非自由环境下基于边界元的声场还原方法还原得到的声场声压、声功率等特性,与直接在自由场获取的结果基本相同;进一步利用表面贡献法过滤掉循环于振动结构表面的能量流,能够在近场识别远场辐射热区。该方法突破了测试环境限制,可大幅降低测试费用,具有一定的工程应用价值。

基于垂直声强流的水中目标深度分类方法

现有的基于声场干涉结构特征的目标深度分类方法的频率适用范围有限,仅适用于目标线谱频率激发前2阶简正波的情况。针对上述问题,该文提出基于匹配场处理的目标深度分类算法,该算法将垂直复声强无功分量作为匹配量进行目标深度的匹配估计,利用目标深度的粗略估计结果辅助进行目标深度的二元分类。算法适用于线谱频率激发前3阶简正波的情况,有效拓展了算法的频率适用范围。仿真结果验证了算法的可行性和稳健性。该文分析了环境失配情况对算法性能的影响。所提算法具有较高的准确性和稳健性。

一种水中目标深度估计和运动状态跟踪方法

建立水下目标深度估计模型,采用LMS自适应时延估计算法来估计时延,并用可变步长方法及sinc函数内插法提高估计精度;建立水下目标运动状态跟踪模型,采用基于方位时延的扩展卡尔曼滤波算法来估算水下目标运动状态信息;通过消声水池、湖泊和仿真试验,表明该方法有效可行。

基于声干涉特征匹配的水中目标运动分析研究

针对水中目标运动分析问题,提出一种基于目标辐射声场距离-频率谱干涉条纹特征匹配分析的目标运动要素估计方法。以目标初距和目标瞬距为循环观测因子,结合两方位-两距离目标运动要素计算方法,获取当前假设下目标距离特征量和目标方位计算值;依据目标辐射噪声时间-频率谱干涉结构计算的目标距离特征量信息,构造距离特征量匹配代价因子,实现目标运动解要素。仿真数据与试验数据验证结果表明:该方法在绘制的目标运动要素解空间可视化分布图中,可有效估计目标初距、航向和航速信息,显著改善目标运动参数的估计速度和精度。

水中目标二维亮点分布研究

众所周知，水中目标声散射近场具有时-空分布特性，它的特性可用目标的时间（即距离）-方位二维亮点分布来描述。本文介绍了这一基于声信道理论的原理。结合海试结果，讨论了几种主要目标声散射的机理及它们在目标二维亮点图中的表征。最后，给出了目标二维亮点分布的物理模型。