联合特征选择与改进集成学习模型的海底底质分类

针对侧扫声呐获取类型复杂的海底底质数据分类问题,提出联合特征选择与改进Stacking模型的数据自驱动分类方法。该方法首先在海底散射数据多域态特征的基础上采用ReliefF算法提取有效的低维度特征,然后将人工鱼群算法与Stacking模型结合形成改进集成学习分类器,完成海底底质分类。海上数据处理结果表明该方法可对多种海底底质类型进行分类,分类准确率、Kappa系数和F1-score分别达到85.55%,0.857和0.887,证明了该方法的有效性。      

基于Gammatone滤波器组时频谱和 卷积神经网络的海底底质分类*

为了有效利用海底底质信号完成海底底质的分类识别,本文提出一种将深度学习方法和底质信号相结合实现底质分类识别的方法。首先利用Gammatone滤波器组计算底质侧扫图像信号的时频谱,最后利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)对得到的时频谱进行分类识别完成底质分类。实验结果表明该方法的底质分类准确率平均达到97.64%,相对于其他方法,分类性能更加优越;同时利用该方法分类海试数据,结果证明该方法具有一定的泛化能力。本文研究结果对实际的海底底质分类具有一定参考意义。     

利用浅海声场干涉条纹反演海底参数方法研究

浅海频散特性导致声场在距离-频率平面形成干涉条纹,该干涉条纹蕴含着声源以及海底信息。本文通过降噪、滤波等方法,提取船舶辐射噪声干涉条纹中距离域干涉准周期、波导不变量以及去扩展衰减系数(不考虑扩展损失后接收到噪声级随距离的衰减程度)三种特征量的观测值,基于无限均匀沉积层海底模型,采用简正波计算程序理论计算上述三种特征量作为拷贝,提出一种以模拟退火法作为搜索寻优策略的新的匹配反演海底参数的方法。海试数据处理结果表明,该方法反演估计所得海底密度、声速、衰减系数三参数用于浅海负跃层条件下的声场预报效果比较良好。     

海底沉积物的声学方法分类

本文提出一种垂直入射声脉冲遥测海底表层沉积物类型的方法。一些作者已经指出,海底反射系数可以作为特征量用于识别沉积物类型。然而,回波信号的形状可能包含沉积物类型更多的信息。本文尝试从回波包络的形状提取分类特征量。作者在实验中采取了减少表面散射影响的措施,采用较高的频率(120kHz),突出了沉积物中声衰减系数对回波包络形状的作用,从而提取出一个与衰减系数相关联的分类特征量F。该特征量与海底反射系数、海底粗糙度无关,用计算机软件实现了分类器。对五类海底分类75次的成功率为77.3％。     

基于信号稀疏分解的水下回波分类

针对表面起伏不平的水下底质回波分类效果差的问题,提出一种新颖的基于信号稀疏分解理论的水下底质回波特征提取方法。本方法并不使用通用时频字典,而是针对回波分类这一中心任务直接采用回波训练样本集作为字典,将水下回波信号在该字典上进行稀疏分解,然后提取出回波信号的类别能量特征。对水下钴结壳等三类底质回波分类实验表明,基于信号稀疏分解的类别能量特征的fisher分布明显优于小波域模极大值边缘特征和奇异值特征,从而显著提高了水下回波的分类效果。研究结论:在回波特征提取阶段,采用回波样本作为信号表达字典是可行的,同时由回波样本字典引入的回波类别信息将有助于获取更优的回波特征。     

结合卷积神经网络的浅海有源探测信道匹配

信道匹配方法在有源探测领域是一种重要的提升检测信噪比的方法。针对非确知海底参数环境下的有源探测信道匹配问题,提出一种结合卷积神经网络进行信道匹配的算法。该算法基于海底参数扰动开展声场仿真生成卷积网络训练数据;首先通过分类网络将信号按照海底底质类型分类,在每个分类区间内采用单独的卷积网络反演海底参数;然后结合声场模型估计信道传递函数,进行信道匹配,从而在非确知环境下抑制多途影响,提升回波检测能力。仿真与实验结果表明,该算法能够在不确知海底环境条件下,有效估计信道传递函数,实现信道最优化匹配,在实验条件下可提高回波检测信噪比4 dB左右。相比传统方法,该算法可以在海底参数不确知条件下对低接收信噪比的信号实现信道匹配,同时不需要高信噪比的实验参考信号,有效提高了信道匹配方法的环境宽容性。      

两相流相空间多元图重心轨迹动力学特征

本文提出了一种新的混沌时间序列高维相空间多元图重心轨迹动力学特征提取方法. 在确定了最佳嵌入维数和延迟时间后, 将相空间中高维矢量点映射到二维平面的雷达图上, 相应地将相空间中高维矢量点变换为对应的几何多边形. 通过提取几何多边形的重心位置得到重心轨迹动力学演化特性, 并利用重心轨迹矩特征量区分不同性质的混沌时间序列. 在此基础上, 处理分析了气液两相流电导传感器动态信号, 发现高维相空间多元图重心轨迹矩特征量不仅可以辨识泡状流、段塞流和混状流, 而且为流型动力学演化机理提供了新的分析途径.     

典型深海声场频率-距离干涉结构分析及实验研究

基于射线理论分析了在典型深海情况下声源与接收水听器位于海水表层时声场频率-距离干涉结构,给出了直达声作用区与影区情况下声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式。数值仿真与实验结果表明:在直达声作用区内,由直达声与海面一次反射声形成声场干涉结构,频率域干涉周期为该两条声线到达时间差的倒数;在影区内,由声源-海底-接收器、声源-海面-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器和声源-海面-海底-海面-接收器四条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,分别随着声源深度、接收水听器深度的增大而减小,并与收发距离有关。本文给出的理论表达式可以较好的解释实验观测到的声场频率-距离干涉结构。     

射线理论下的浅海环境噪声场空间相干性分析及海底声学参数反演

基于射线理论,以简化海底模型为基础,获得了浅海噪声场空间相干性在频域上的表示方法,并用于海底声学参数反演。将风关海洋噪声看作分布在无限大平面上的点源,通过计算噪声场垂直方向上的能量分布,进一步获得空间两点噪声场频域相干性表达式。利用数值仿真验证了模型对于不同海底类型的敏感性。并结合噪声场空间两点的频域相干性海上实验数据,反演得到该处海域的底质类型,进一步获得海底声速、密度和声衰减系数。结果表明,反演得到的海底参数与实际情况符合较好,文中提出采用的这种计算方法能够有效的反映海底反射对于噪声场空间相干性的影响,并且可在一定程度上提高反演海底声学参数效率。      

浅海底质高光谱反射率测量系统的设计及应用

海底光谱反射率是光学浅水中太阳辐射传输的重要组成部分,影响着海水表面离水辐亮度的光谱特性,因此底质光谱信息的准确获取对于浅海遥感工作的开展至关重要。专门设计了一套海底光谱反射率测量系统填补了国际上在这方面的空白。采用可自由伸缩并旋转角度的参考白板贴近目标物测量,以消除探头到目标物之间水体吸收衰减的影响,双光路采集系统同步测量的设计避免了水下光场迅速变化对辐射测量的影响。于2018年9月3日—8日,用该系统在三亚珊瑚礁保护区进行原位海底反射率测量试验,测量对象包括珊瑚、海草、泥沙、沙滩等多种底质。各底质类型之间具有光谱可分性,具体表现为,在波长大于580 nm的长波段,浅海沙子底质与岸上沙滩光谱反射率特征差异明显,表明相对于空气中,水体和水中微藻介质的吸收散射作用严重影响着水下光谱辐射的测量,证实了空气中测量的目标光谱不可替代水中的结果。珊瑚和水草的光谱反射率特征主要区别在于海草反射率光谱在540~600 nm波段有一个宽反射峰,而珊瑚的典型特征是在575,600和650 nm附近有三个特征反射峰。此外,珊瑚、沙子和沙滩三种碳酸盐质底质在395,430,490和520 nm存在反射峰,485和585 nm处有一个小吸收峰,而海草则相反,在395,430,490和520 nm存在吸收峰,485和585 nm处显示反射峰。以上数据为将来利用底质反射率提取底栖物质组成信息奠定了基础,同时其结果也能够证实系统的可靠性和有效性。