检索结果-内蒙古大学图书馆

声学学报 2025年第2期50卷 475-485页

作者：赖凯刘雄厚杨益新西北工业大学航海学院西安710072 陕西水下信息技术重点实验室西安710072 汉江国家实验室武汉430061

针对水下慢速小目标已有跟踪轨迹特征性能不优、信息冗余而导致分类识别性能不佳的问题,提出了利用改进支持向量数据描述(ISVDD)和递归特征消除(RFE)的ISVDD-RFE轨迹特征选择方法。首先,所提方法选择单分类SVDD以适配小目标分类识别所... 详细信息

针对水下慢速小目标已有跟踪轨迹特征性能不优、信息冗余而导致分类识别性能不佳的问题,提出了利用改进支持向量数据描述(ISVDD)和递归特征消除(RFE)的ISVDD-RFE轨迹特征选择方法。首先,所提方法选择单分类SVDD以适配小目标分类识别所面临的小样本、类不平衡问题,通过逐步递归消除实现小目标的轨迹特征优选;其次,为提升SVDD-RFE轨迹特征选择能力,从递归效率、相关性和稳健性三个方面改善递归过程;最后,为克服SVDD缺乏全局信息的固有缺陷,从特征区分性和特征态势两方面评估所选轨迹特征,提升整体分类识别性能。实测数据处理结果表明,采用所提方法进行轨迹特征选择后,蛙人目标的精确率从93.8%提升至94.9%,召回率从84.7%提升至91.1%;无人水下航行器目标的精确率从89.0%提升至94.7%,召回率从83.1%提升至85.2%;小目标平均分类准确率从87.7%提升至91.5%。在小样本、类不平衡条件下,所提方法具有优于传统方法的性能。

关键词：水下慢速小目标分类识别轨迹特征特征选择支持向量数据描述递归特征消除

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基于轨迹泊松多伯努利混合滤波器的浅海匹配场连续跟踪方法

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物理学报 2023年第18期72卷 283-296页

作者：周玉媛孙超谢磊西北工业大学航海学院西安710072 西北工业大学陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

匹配场跟踪方法依据模糊度函数时间序列中声源位置移动的连续性和伪峰位置的无序性,可实现水下声源轨迹跟踪.然而,受到浅海空时起伏波导环境和声源复杂运动场景的双重影响,已有匹配场跟踪方法易出现轨迹中断、交叉混叠和虚假轨迹等现象... 详细信息

匹配场跟踪方法依据模糊度函数时间序列中声源位置移动的连续性和伪峰位置的无序性,可实现水下声源轨迹跟踪.然而,受到浅海空时起伏波导环境和声源复杂运动场景的双重影响,已有匹配场跟踪方法易出现轨迹中断、交叉混叠和虚假轨迹等现象,导致不连续的轨迹跟踪结果.针对这一问题,本文基于轨迹泊松多伯努利混合滤波器,利用模糊度函数中峰值位置距离似然和峰值幅度似然的一致性,提出一种匹配场连续跟踪方法.该方法应用于SWellEx-96实验数据并由线性规划准则度量跟踪性能,结果表明:相比已有匹配场跟踪和基于随机有限集的多目标跟踪方法,所提方法实现了两个水下运动声源轨迹连续跟踪,其中,轨迹状态随机有限集的建模方式以及在轨迹空间内执行预测和更新步骤,可以防止在未持续发声且数量未知的声源跟踪过程中出现轨迹中断和混叠现象;结合模糊度函数峰值位置和幅度信息执行数据关联步骤,可抑制虚假轨迹.

关键词：浅海波导匹配场跟踪未持续发声场景连续轨迹

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浅海环境中用于目标深度属性判别的线谱起伏特征量分析

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物理学报 2024年第13期73卷 175-189页

作者：邓玉鑫刘雄厚杨益新西北工业大学航海学院西安710072 陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

浅海环境中目标辐射线谱的起伏特征可用于水面、水下目标深度属性判别.已有研究未给出表征水面、水下线谱起伏差异的物理量性质,导致利用不同物理量进行目标深度属性判别时性能不佳.针对这一问题,本文从声源深度起伏所导致的线谱起伏出... 详细信息

浅海环境中目标辐射线谱的起伏特征可用于水面、水下目标深度属性判别.已有研究未给出表征水面、水下线谱起伏差异的物理量性质,导致利用不同物理量进行目标深度属性判别时性能不佳.针对这一问题,本文从声源深度起伏所导致的线谱起伏出发,采用微分方法与统计方法对线谱起伏规律进行分析,研究了线谱起伏产生的物理机理,得到了适合用于水面、水下目标深度属性判别的物理量.首先,分别推导了复声压实部、声功率与声压幅值关于声源深度的导数关系式,得到了以上三种物理量在声源深度起伏时的起伏大小;其次,利用仿真实验数据从接收深度、声源水平距离、线谱频率等层面对理论推导进行验证,并对线谱的归一化起伏特征进行了分析.最后,利用海试数据验证了相关结论.结果表明,当声源的深度起伏时,水面、水下线谱的起伏差异源自各阶模态的相互作用.声源频率、声源水平距离、接收深度三种因素决定了模态间相互作用的性质.声压幅值适用于构建目标深度属性判别特征量,可用于表征低频线谱的强度起伏差异.数值仿真和海试数据处理结果表明,相较于声压实部和声功率,利用声压幅值构建的归一化水面、水下目标深度属性判别特征量具有更优性能.

关键词：线谱起伏深度属性判别浅海环境简正波

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浅海内孤立波动态传播过程中声波模态强度起伏规律

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物理学报 2022年第2期71卷 135-147页

作者：李沁然孙超谢磊西北工业大学航海学院西安710072 陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

内孤立波是一种常见于浅海海域的非线性内波,具有振幅大、周期短和流速强等特点,它通过扰动水体中的温盐分布使声速剖面产生明显的距离依赖性,进而影响水下声传播特性.内波自生成后通常以1 m/s量级的速度传播,运动的内波使声传播路径上... 详细信息

内孤立波是一种常见于浅海海域的非线性内波,具有振幅大、周期短和流速强等特点,它通过扰动水体中的温盐分布使声速剖面产生明显的距离依赖性,进而影响水下声传播特性.内波自生成后通常以1 m/s量级的速度传播,运动的内波使声传播路径上的声波模态能量在空间和时间上剧烈起伏.本文定义模态强度为模态系数模值(模态幅度)的平方,并用其衡量各阶模态所含声能量的大小.文中基于耦合简正波理论,推导了内波运动时声波模态强度起伏的表达式,将模态强度表征为振荡项和趋势项的线性叠加.以往的工作大多局限于单独从时域或频域研究内波运动时声波模态强度的时变规律,本文则结合短时傅里叶变换在时频平面上揭示了模态强度的起伏机理.理论推导和数值仿真均表明内孤立波使各阶声波模态之间发生能量交换,即模态耦合.内波的动态传播进一步引起模态干涉,这种干涉效应表现为模态强度中的振荡项并使模态强度随时间快速起伏.受模态剥离效应(不同阶模态之间衰减系数的差异)的影响,趋势项的幅度随时间不断变化,进而对模态干涉引起的振荡叠加了时变的偏置.模态强度的整体走势和振荡项中各频率分量振幅的时变特征均与模态衰减密切相关.同时,本文使用深度积分声强作为总接收声场强度的度量,研究了内波运动时模态强度起伏对接收阵位置处声能量的影响.结果表明,能量较大且起伏剧烈的模态强度将主导总接收声强的变化.

关键词：声传播内孤立波模态耦合声场起伏

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利用海底弹射区角度-距离干涉结构特征实现声源深度估计

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物理学报 2022年第18期71卷 226-235页

作者：朱启轩孙超刘雄厚西北工业大学航海学院西安710072 陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

被动声呐探测位于深海海底弹射区的声源时空时采样能力有限,且声呐接收信噪比较低,导致声源深度估计方法性能较差.针对这一问题,本文基于射线模型推导了干涉结构峰值条纹关于声源位置的理论表达式,提出一种基于角度-距离干涉结构峰值特... 详细信息

被动声呐探测位于深海海底弹射区的声源时空时采样能力有限,且声呐接收信噪比较低,导致声源深度估计方法性能较差.针对这一问题,本文基于射线模型推导了干涉结构峰值条纹关于声源位置的理论表达式,提出一种基于角度-距离干涉结构峰值特性的声源深度估计方法,该方法包括利用峰值条纹起伏特性估计声源深度和干涉结构重构两个部分.在低信噪比条件下,被噪声淹没的峰值条纹会重现于重构后的干涉结构,使得声源深度估计方法可以适用于海底弹射区的低信噪比环境.该方法同时结合阵列空时累积增益和干涉结构的图像低秩特性.通过典型深海波导蒙特卡罗仿真实验验证,该方法可在低信噪比条件下对海底弹射区声源的深度进行较为准确的估计.

关键词：海底弹射区角度-距离干涉结构声源深度估计低信噪比

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抵消Wigner-Ville分布交叉项的窄带运动声源无源测速

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声学学报 2021年第6期46卷 973-982页

作者：张博轩杨益新郭西京西北工业大学航海学院西安710072 陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

利用声波的多普勒频移可以对窄带运动声源进行单传感器无源测速,其性能很大程度上取决于能否精确地估计出声波的瞬时频率.Wigner-Ville分布虽然时频分辨率高,但存在交叉项干扰,很少被直接用于瞬时频率估计。对此,提出了抵消Wigner-Vill... 详细信息

利用声波的多普勒频移可以对窄带运动声源进行单传感器无源测速,其性能很大程度上取决于能否精确地估计出声波的瞬时频率.Wigner-Ville分布虽然时频分辨率高,但存在交叉项干扰,很少被直接用于瞬时频率估计。对此,提出了抵消Wigner-Ville分布交叉项的单传感器窄带声源无源测速方法。利用交叉项与声源速度的关系构造一个抵消项,引入到Wigner-Ville分布中,通过对声源速度估计值进行迭代更新,使抵消项与交叉项相位相反,从而约掉交叉项。经实测噪声数据验证,对一辆以6.07 m/s匀速运动的卡车(信噪比约为29 dB)测速误差为0.1 m/s,运行时间为4.6 s,对一架以28.90 m/s匀速运动的直升机(信噪比约为16 dB)测速误差为0.46 m/s,运行时间为1.2 s,均优于匹配Wigner变换和多普勒线性调频小波变换测速方法.

关键词：交叉项 Wigner变换多普勒频移瞬时频率估计线性调频小波时频分辨率测速方法运动声源

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利用跟踪轨迹特征和SVDD-SVM联合分类器的水下慢速小目标分类方法

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声学学报 2023年第4期48卷 646-655页

作者：刘雄厚时荣伟杨益新西北工业大学航海学院西安710072 陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

针对蛙人、无人水下航行器(UUV)等慢速小目标分类识别所面临的小样本、类不平衡问题,提出了利用轨迹特征、支持向量数据描述(SVDD)与支持向量机(SVM)的联合分类方法。该方法将水下慢速小目标类型简化为蛙人、UUV、其他3类,利用跟踪轨迹... 详细信息

针对蛙人、无人水下航行器(UUV)等慢速小目标分类识别所面临的小样本、类不平衡问题,提出了利用轨迹特征、支持向量数据描述(SVDD)与支持向量机(SVM)的联合分类方法。该方法将水下慢速小目标类型简化为蛙人、UUV、其他3类,利用跟踪轨迹特征设计多维特征量,构建SVDD-SVM联合分类器获得分类结果。具体为,针对小样本问题,采用参数维度小、训练数据量要求低的SVDD、SVM作为分类器的基本单元。针对类不平衡问题,使用2个并联的单分类SVDD和1个与两者串联的二分类SVM设计联合分类器,同时为联合分类器的输出设计投票机制保证分类结果的稳健性。实测数据处理结果表明,所提SVDD-SVM联合分类器对蛙人目标的平均召回率可达86%,平均精确率可达87%;对UUV目标的平均召回率可达85%,平均精确率可达86%。所提方法在小样本、类不平衡条件下具有优于传统方法的分类准确性和稳健性。

关键词：轨迹特征目标分类水下小目标支持向量机支持向量数据描述

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强干扰下空间抗混叠宽带波达方位估计

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声学学报 2023年第6期48卷 1154-1163页

作者：虞梦苓杨龙杨益新西北工业大学航海学院西安710072 陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

提出了基于改进频率差分(FD)技术的空间抗混叠波达方位(DOA)估计方法,实现了阵元稀疏排布,即在阵元间距远大于入射信号波长时,存在栅瓣模糊情况下多水下声学目标的方位估计。首先,确定目标方位角度搜索范围,建立阵列信号处理模型,对宽... 详细信息

提出了基于改进频率差分(FD)技术的空间抗混叠波达方位(DOA)估计方法,实现了阵元稀疏排布,即在阵元间距远大于入射信号波长时,存在栅瓣模糊情况下多水下声学目标的方位估计。首先,确定目标方位角度搜索范围,建立阵列信号处理模型,对宽带信号不同频率成分之间进行频率差分处理,从而降低信号频率以满足阵元稀疏排布阵列的空间奈奎斯特采样要求。然后,基于投影子空间正交性检验(TOPS)算法构建一个对角变换矩阵,利用对角酉变换矩阵正交性直接对阵列流形进行频率差分处理,使其频率差分处理输出的信号个数与输入信号个数相等。最后,进一步推导频率差分域等效目标方位与真实入射信号角度等价的条件,并基于该等价条件进行频率筛选,最终获得无模糊的空间方位谱结果。经仿真实验验证,所提算法在信噪比为-10~20 dB范围内,估计结果均方根误差低于0.1°,有效抑制了栅瓣且受干扰强度影响较小。经海试数据验证,所提算法可以有效估计出目标方位,并避免空间混叠项干扰。所提空间抗混叠波达方位估计方法能够有效抑制栅瓣模糊,提高目标方位估计精度,且在强干扰条件下仍具有较好的角度估计性能。

关键词：波达方向抗混叠方法频率差分技术子空间

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量测噪声不确定情况下的水下多目标稳健方位跟踪

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声学学报 2023年第4期48卷 605-617页

作者：张博轩杨益新侯翔昊西北工业大学航海学院西安710072 陕西省水下信息技术重点实验室西安710072

提出了使用Sage-Husa算法估计量测噪声的集势化概率假设密度(CPHD)滤波方位跟踪方法,实现了量测噪声不确定情况下多水下声学目标的稳健方位跟踪。首先,将水下目标方位的变化建模为Singer模型,利用传统目标方位估计方法的结果作为量测值... 详细信息

提出了使用Sage-Husa算法估计量测噪声的集势化概率假设密度(CPHD)滤波方位跟踪方法,实现了量测噪声不确定情况下多水下声学目标的稳健方位跟踪。首先,将水下目标方位的变化建模为Singer模型,利用传统目标方位估计方法的结果作为量测值,将方位估计误差看作量测噪声,建立了方位量测模型。然后,给出了CPHD滤波水下多目标方位跟踪算法,该算法利用上一时刻的方位跟踪结果和目标方位变化模型预测目标方位,并利用量测值和量测模型对预测值进行更新得到方位跟踪结果。最后,考虑到量测噪声方差为决定跟踪性能的重要参数,利用改进的Sage-Husa算法在跟踪过程中实时自适应地估计不确定量测噪声的方差,从而实现了多目标的稳健方位跟踪。经海试数据验证,所提出算法将目标方位测量的平均最优子模式分配(OSPA)误差从10°以上降低至2°,显著提高了方位测量精度。所提水下多目标稳健方位跟踪方法能够有效提高量测噪声不确定情况下的方位跟踪性能。

关键词：多目标跟踪方位跟踪自适应噪声估计噪声稳健目标跟踪

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浅海负跃层中利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别

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物理学报 2022年第13期71卷 227-238页

作者：李晓彬孙超刘雄厚西北工业大学航海学院西安710072 西北工业大学陕西省水下信息技术重点实验室西安710072 西北工业大学海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室西安710072

针对浅海负跃层波导中的声源深度判别问题,通过研究不同深度声源信号到达接收阵的简正波结构特征,提出了一种利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别方法.该方法利用浅海负跃层中主导简正波类型由声源深度决定这一先验信息,根据峰值... 详细信息

针对浅海负跃层波导中的声源深度判别问题,通过研究不同深度声源信号到达接收阵的简正波结构特征,提出了一种利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别方法.该方法利用浅海负跃层中主导简正波类型由声源深度决定这一先验信息,根据峰值迁移曲线中互相关时延在0时刻的位置进行声源深度判别.首先,利用垂直线列阵波束输出与单阵元接收信号做互相关处理,得到互相关时延—俯仰角输出二维图.然后,在图中提取不同时延上角度维峰值,根据时延小于等于0、大于0的情况对所提取的峰值点进行分段线性拟合,得到互相关输出峰值迁移曲线.最后,以曲线位于互相关时延为0时的位置进行声源深度判断.理论分析表明,曲线受波导中声速随深度变化的影响较小,互相关时延0时刻位置的判别阈值由低阶简正波决定,区分声源深度的区间由跃层的位置和厚度决定,且跃层上下声速差越大越有利于声源深度判别.仿真实验和海试数据分析结果表明,该方法可有效进行声源深度判别,并且无需模态分离、声源相对接收阵移动、精确声速剖面测量等前提条件.

关键词：浅海负跃层峰值迁移曲线深度判别简正波

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