基于深度学习的水声被动目标识别研究综述

被动声呐通过接收目标自身发出的辐射噪声信号进行目标探测。水声目标识别通过分析水声信号来判别目标个体,是水声工程领域的重点研究方向。深度学习作为近年来各领域的研究热点,其在水声目标识别领域中的应用引起了学者的广泛关注。该文以水声目标识别的步骤框架为切入,介绍了典型深度网络模型;总结出了深度学习在水声目标识别领域中的两大内涵:围绕时频谱、梅尔倒谱系数等特征调研了近几年深度学习作为分类器的关键问题以及研究进展,围绕数据增强、数据降噪等信号处理手段调研了近几年深度学习作为信号处理工具的关键问题以及研究进展;并从数据驱动、特征驱动、模型驱动3个方面对该领域的发展趋势进行展望,旨在推动水声目标识别领域的发展。

冬季冲绳海域地形及黑潮对声传播的影响

冲绳海域地形复杂且冬季存在较强的黑潮海洋锋,利用数值实验研究斜坡地形和海洋锋同时存在时由浅海至深海的声传播特性。海洋模式数值预报环境数据表明,分布于冲绳海槽斜坡上方的海洋锋导致该海域上层水体声速存在水平变化,纬度越高,水平变化越大。利用抛物方程声场模型计算声传播损失,通过简正模态分析存在表面声道的环境中声能量分布,利用声线轨迹图解释海底斜坡和海洋锋对声传播的影响。结果表明:声源频率低于表面声道截止频率时,声传播主要受海底地形影响;声源频率高于表面声道截止频率时,位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播,部分声能量从表面声道泄漏沿斜坡向深海传播,位于表面声道深度以下的声源激发的声能量主要沿斜坡向深海传播,斜坡地形导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区,海洋锋的存在可导致表面声道传播损失变化明显,影响程度与声源深度有关。

海洋环境适应性保障技术研究进展

原位观测是海洋环境观监测与安全保障的基础手段,对提升海洋环境时空变化规律的认识和数值预报水平起着至关重要的作用。但是实施基于原位观测的海洋环境保障措施存在覆盖范围有限、观测成本高昂,以及非常时期实施困难等问题。随着海洋强国战略的深入推进,未来国家海洋利益空间将不断拓展,海洋环境保障的立体性、复杂性、未知性将不断增强,这对系统化、信息化、智能化的海洋环境保障提出了更高要求。当前有效解决方案之一是通过实施环境适应性保障对有限的原位观测资源布局进行优化设计,最大化海洋环境观测网建设效益。本文系统介绍了美国海军在海洋环境适应性保障建设方面的成果与经验,通过海上试验展现了实施海洋环境适应性保障措施的必要性和优越性,随后梳理了高分辨率海洋水文环境数值模拟技术、海洋水文环境适应性观测敏感区诊断技术、无人移动平台协同组网观测技术及无人移动平台观测资料同化技术等海洋环境适应性保障建设涉及的关键技术及其发展现状,最后总结了我国在海洋环境适应性保障建设方面的研究进展。作为一项复杂的系统工程,海洋环境适应性保障将有助于颠覆传统海洋环境保障模式,牵引我国海洋环境保障装备发展,推动相关研究领域理论和技术进步,对我国海洋环境保障体系建设产生深远影响。

水声目标探测和识别融合技术发展综述

水下空间的主动权竞争越来越激烈,针对复杂的海洋环境和多样的目标类型,现有水面水下单平台单传感器探测能力有限、稳定性差,很难满足未来对水声目标的准确探测和识别需求。随着水下探测手段增加以及多源信息融合技术的迅速发展,研究基于融合理论的水声目标探测与识别技术,可实现对水声目标更准确的状态估计和属性判别,进而提高水下探测预警能力。本文首先对现有水面水下探测传感器和平台进行了简要介绍,在此基础上,讨论了水声目标立体观测系统的网络组成和结构特点,并给出一种跨域异构水声目标立体探测系统设计设想,根据现有融合结构给出了基于多信息源的水声目标融合功能框架;然后根据水声融合探测技术的具体应用,分别论述和分析了基于目标信号级和非目标信号级融合检测方法,基于时空特征、运动特征和海洋物理场的融合定位方法,以及基于经典非线性滤波、数据关联和随机集理论的水声目标跟踪方法;最后重点总结了水下目标的各物理场特征,并针对水声识别中普遍存在的目标信息不确定性问题,归纳了基于Bayes理论、D-S证据理论和深度学习算法的三类典型的融合识别方法及框架。指出了基于信息融合的水声目标探测和识别技术所具有的优势和前景,并分析了水下立体观测网络、融合结构、融合探测和识别算法以及工程应用等方面面临的问题和挑战。

海洋-声学耦合模式捕捉水声环境不确定性

考虑到海洋环境的时空变化对水声环境不确定性的影响,建立了海洋-声学耦合数值模式,实现了并行计算。该模式将声学计算纳入到运动的海洋中,从而实现了对水声环境的动态预报和估计。同时,采用集合预报方法对典型断面的温度垂直结构、实验海区声速剖面和传播损失进行预报,并给出了声速剖面的预报误差、不同深度与频率下,传播损失90%的概率区间以及声速、传播损失、声呐作用距离的不确定性直方图。结果反映了海洋时空变化对水声环境不确定性的影响,量化了水声环境中不确定性的大小。实验结果表明该方法可以刻画海洋动态变化引起的水声环境不确定性,并对其进行了量化和描述。

基于潜标测量的海洋环境噪声谱特性分析

利用海洋环境噪声测量潜标系统对南海典型海域开展了为期3个月的海洋环境噪声测量，16通道海洋环境噪声测量系统每小时测量两分钟噪声信号。数据处理结果表明，800～5000Hz范围内，噪声谱与风速相关性最好，且风速越大相关性越好，噪声谱与风速的相关性好于与浪高的相关性。风关噪声谱级在海水中部基本不随接收深度发生变化，但由于测量水听器阵长度未能覆盖整个水深，因此未给出海面和海底处谱级变化规律。在400Hz以上的高频段整个风速范围内噪声谱级都随风速发生变化，且噪声谱级与对数风速具有很好的线性关系。

海洋—声学耦合过程不确定性快速预报

针对海洋声速空间非均匀和时变条件下的声场不确定性快速预报问题,根据海洋-声学耦合模式预报声速场时空变化过程,获取声速垂直结构不确定性分布规律,提出经验正交函数-随机多项式展开方法,以降低不确定参数维度,得到声场不确定性分布.数值计算表明该方法在保证同等精度的同时可大幅减少计算量,相比常规随机多项式展开方法计算效率可提高2个数量级,且计算量不随声速剖面复杂程度变化而改变.经海上实验验证,结果表明该方法可实现环境不确定性条件下的声场及其不确定性的快速预报。

一种微型矢量水听器姿态测量系统

矢量水听器姿态校正的通常做法是将姿态测量系统捷联安装在声纳平台上,这种方案无法准确测量矢量水听器的姿态变化。针对这个问题,设计了一种微型姿态测量系统,并将其捷联封装在矢量水听器内部。系统采用MEMS陀螺测量角速度,用毕卡迭代算法解四元数姿态更新方程。用MEMS加速度计和磁力计分别测量重力方向和磁北方向,再使用扩展卡尔曼滤波对解算姿态角进行实时校正。经测试,该系统横滚角和俯仰角的静态误差小于0.2°,航向角的静态误差小于0.8°。摇摆实验中,横滚角和俯仰角的动态相对误差小于2.9%,航向角的动态相对误差小于3.6%。海上试验结果证明该姿态测量系统应用于矢量水听器可明显提高目标方位估计的精度。

基于PC硬件加速的三维数据场直接体可视化

在科学计算可视化中,由于直接体可视化技术能够反映数据场内部的信息,所以它已经成为近年来研究的重点。通过应用三维纹理和可编程显卡的片段着色器(FragmentShader)技术,在当前主流PC机上,实现了带有完整Phone光照阴影效果的三维数据场直接体可视化。仿真结果表明该方法在医学和军事学的三维数据场可视化中,能够实时生成高质量的体可视化图像。

基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计

针对声矢量传感器姿态变化难以准确测量导致目标测向精度低的现状,设计一种微型MEMS姿态传感器,并将其封装在声矢量传感器内部,实现基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计。首先根据声矢量传感器姿态测量与校正原理,采用四元数姿态解算方法及扩展卡尔曼滤波器设计MEMS姿态传感器,并对其进行姿态精度测试;然后基于MEMS姿态传感器进行声矢量传感器样机设计、制作、参数测试;最后对样机进行了海上实验,结果表明,通过姿态校正后声矢量传感器目标方位估计精度与GPS推算方位精度一致,验证了利用MEMS姿态传感器设计声矢量传感器的可行性。

水平不变海洋声道中WKBZ简正波方法的并行算法

并行算法是解决大数据量运算耗时过久的重要途径,在PC机群上实现并行算法是一种低成本、高效率的解决方案。首先介绍了计算机机群系统,在此基础上,建立了基于LINUX和MPI的PC机群实验环境,实现了WKBZ简正波方法并行计算,并利用建立的试验平台,对并行算法进行了测试,比较了并行WKBZ简正波计算和串行WKBZ简正波计算耗时的差异。根据理论研究和实际测试的结果,总结了利用PC机群系统进行并行WKBZ运算的可行性,得出了一些有意义的结论。

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验

为评估基于单矢量水听器的方位估计能力,在黄海海域对矢量水听器进行实验。矢量水听器吊放于接收船尾部,采用平均声强器和复声强器方位估计方法,并提出以概率密度值最大的方位角作为目标方位估计值的具体处理准则,对恒定方向、匀速行驶的目标船方位进行估计,并求出两种方法的方位估计误差。结果表明,水听器布放深度10 m时,对正横距离为0.42 km的航速10 kn的目标船,平均声强器方法的水平方位角估计误差18?,极角估计误差为5?,可以在离目标船最远1.17 km处估计其方位;复声强法的水平方位角估计误差为13?,极角估计误差为8?,可以在离目标船最远2.35 km处估计其方位。在有接收船的噪声干扰情况下,复声强器比平均声强器方法估计的方位更准确,可以对更远处的噪声源进行方位估计。

海底散射模型对浅海混响的影响研究

对于混响预报,散射强度是一个相当重要的物理量。在波束位移射线简正波理论的基础上推导了浅海混响模型,仿真比较了负跃层浅海情况四种海底散射模型对应的混响衰减曲线,结果表明海底散射模型对浅海混响的影响较为显著。

基于图像扩散去噪的距离特征量提取研究

距离特征量反映了目标运动过程中的距离变化率,该观测量可由目标辐射噪声LOFAR谱图的干涉条纹中提取得到。低信噪比情况下,由于噪声的影响,干涉条纹特征会变模糊,提取的距离特征量值精度会降低。为提高提取精度,提出了一种边缘定向增强型扩散方程去噪方法,对LOFAR谱图进行处理,使条纹特征更加明显。迭代次数对扩散方程去噪效果影响很大,根据相关性原理,提出了一种迭代次数选择方法。为了使条纹特征更加易于区分,提出了一种基于区域分割的图像二值化方法。数值模拟实验和海试数据处理结果表明,LOFAR谱图经过处理后,提取出的距离特征量精度明显提高。

基于集群的水声宽带波形预报系统设计与实现

水声宽带波形预报是水下声信息传输的重要环节,是实现传感器信号级仿真的关键技术。首先介绍了基于波束位移射线简正波(BDRM)理论的频域宽带模型,引入宽带模型频域近似展开技术,提高模型计算速度;然后基于集群的高性能并行计算技术,提出宽带模型并行算法,实现快速准确的宽带信号波形预报;最后,以曙光高性能并行平台为开发基础,构建基于集群的水声宽带波形预报系统,并对系统组成、体系结构和并行算法框架进行了分析和设计。

海洋水声环境敏感区诊断与适应性观测研究进展

传统的海洋水声环境观测通常是局部区域范围内短时间的有限观测,非常时期观测平台在作战海区实施系统观测十分困难,如何利用适当的观测方式获取有效的观测数据来提高观测效率是目前亟需解决的问题。该文介绍了海洋声学敏感区诊断与适应性观测概念,总结了相关研究进展,该项工作有助于改进目前传统的观测系统设计,提高观测网建设效益,根据敏感区分布特点建立移动的补充观测系统开展适应性观测,从而发展我国新型的海洋观测体系,为改善海洋水声环境预报质量提供技术支撑。

螺旋桨空化噪声连续谱仿真算法

螺旋桨空化噪声连续谱由大量空泡随机崩溃所辐射噪声叠加而成。据此,考虑到空泡初始崩溃时刻的随机性和各空泡辐射噪声频谱的相似性,对四种情况空化辐射噪声连续谱特性分别进行了理论分析表明,可依据空泡半径和初始崩溃时间的统计性质,采用蒙特卡罗方法对空化噪声连续谱波形进行仿真建模,模型参数为空泡半径期望值、差异度和随机度,分别相应于确定辐射噪声的基准波形、各空泡噪声频谱相似程度和大量空泡的随机崩溃过程。该方法输入参数物理意义明确,控制简单,能较好地仿真空化噪声连续谱的特性,仿真结果与理论分析吻合较好。

基于CUDA的三维数据场航路规划方法

针对数据量庞大、复杂的三维数据场环境下航路规划速度偏低的问题,提出一种基于统一计算设备架构(CUDA)的三维数据场航路规划方法。该方法以三维水下声场为威胁模型,水下航行的潜艇为背景,运用CUDA对大规模数据场环境下对航路进行规划,对可并行计算部分与CUDA进行计算,仿真结果证明该方法可以提高规划速率、优化初始航路。

Monte-Carlo方法在浅海声速不确定性研究中的应用仿真

采用Monte-Carlo方法捕捉浅海中声速剖面的不确定性,模拟真实海洋环境中的声速剖面,并将模拟得到的声速剖面输入波束位移射线简正波(BDRM)声场预报模型中,得到声传播损失,再对结果进行统计分析,得到声传播损失的概率分布图,并提出用传播损失期望值作为预报值,提高了声场预报的精度。最后,利用声纳优质因子(FOM)导出声纳作用距离概率分布图,为声纳作用距离的预报提供了概率的依据。

海洋温度场稳定性与可预报性研究

海洋温度场具有强烈的时空易变性,带有典型的混沌特征,研究其稳定性对改善温度场可预报性具有重要意义。以混沌理论为支撑,改进最大Lyapunov指数算法,基于POM数值模式预报的温度时序为试验样本,研究了东中国海范围内的海洋温度场混沌稳定性分区和特征,并在此基础上针对混沌强弱区做添加观测试验,研究了基于稳定性分区的温度场可预报性。仿真结果表明,在混沌强烈区添加观测相比较弱区对改进预报效果更显著,对混沌强烈区添加观测整体上可以降低预报温度均方根误差0.2~0.7℃左右,证实了在该区域加强观测能在一定程度上改善温度场的可预报性。