动态概率卷积神经网络在雷达回波外推中的应用

雷达回波外推方法已广泛应用于短时强降水临近预报中.针对传统雷达回波外推方法未充分利用海量历史气象数据从而导致预报准确度不高的问题,提出了一个基于动态概率卷积神经网络(dynamic probability convolutional neural network,DPCNN)的雷达回波外推模型.该模型在卷积神经网络的基础上增加动态概率计算层,对不同的雷达回波输入序列计算对应的概率卷积核,并用于后续的外推计算中,使得网络在预测阶段仍然能够根据不同的输入序列作出相应的概率调整,从而增强了外推结果与已知序列的关联.经某局部地区短时强降水外推实验,从外推图像、CSI指数、FAR指数、POD指数四个方面验证了该模型的有效性.     

基于卷积神经网络的雷达回波外推方法

雷达回波外推技术目前被广泛应用于临近预报中。针对传统雷达回波外推方法存在外推时效较短,对雷达资料数据利用率不高的问题,采取深度学习的方法,提出了一种基于输入的动态卷积神经网络（DCNN-I）模型。根据相邻时刻的雷达回波图像之间相关性强的特点,该网络模型中增加了动态子网络和概率预测层,建立了卷积核与输入图像的映射关系,使卷积核在网络测试阶段仍然能够根据输入雷达回波图像的不同而变化,增强了预测图像与输入图像之间的关联。以南京、杭州、厦门三地的雷达数据为样本进行实验,实验结果表明,与传统的雷达回波外推方法相比,所提方法能够获得更高的预测图像准确率,并且有效延长外推时效。     

基于卷积神经网络的天气雷达回波外推模型

常用天气雷达回波外推方法建立的天气雷达回波外推模型,设置编码器和预测器长度和步长偏小,导致模型外推预测天气精度低,于是提出基于卷积神经网络的天气雷达回波外推模型.转换雷达图像数据集坐标,计算天气变化粒子的经纬度值,修正天气变化粒子距离地面高度,预处理天气雷达图像数据;将卷积神经网络分为正向传播和反向传播两种,分别训练卷积神经网络数据传播过程;采用卷积层和采样层交替布置的方式,设置编码器和预测器长度和步长,建立天气雷达回波外推模型预测天气.实验结果表明:对比三组天气雷达回波外推模型,所设计模型具有较高的外推预测精度.     

基于卷积门循环单元和气象雷达图像的临近降水预报

现有的深度神经网络预测模型主要是通过学习单一高度下的雷达回波图像序列的特征预测未来时间段回波序列.然而,这种模型并不能直接预测目标站点未来一段时间内的降水量.鉴于此,提出了一种基于卷积门循环单元(Con-volutional Gated Recurrent Unit,ConvGRU)神经网络的临近降水预报模型.对目标站点不同高度的雷达回波图像做卷积,同一高度的卷积图像通过GRU(Gated Recurrent Unit)学习云团运动过程中的时序特征,将不同高度时序图像的学习特征聚合到全连接层中进行训练,输出目标站点未来1h～2h的降水量.实验分析表明,该模型在未来1h～2h的降水预报中取得了较好的预报精度.     

对抗型长短期记忆网络的雷达回波外推算法

目的 雷达回波外推是进行短临降水预测的一种重要方法,相较于传统的数值天气预报方法能够实现更快、更准确的预测。基于卷积长短期记忆网络（convolutional long short-term memory network,ConvLSTM）的回波外推算法的效果优于其他的深度学习外推算法,但是忽略了普通卷积运算在面对局部变化特征时的局限性,并且在外推过程中将损失函数简单定义为均方误差（mean squared error,MSE）,忽略了外推图像与原始图像的分布相似性,容易导致信息丢失。为解决以上不足,提出了一种基于对抗型光流长短期记忆网络（deep convolutional generative adversarial flow based long short-term memory network,DCF-LSTM）的回波外推算法。方法 首先,采用光流追踪局部特征的方式改进ConvLSTM,突破了一般卷积核面对局部变化特征的限制。然后,以光流长短期记忆网络（flow based long short-term memory network, FLSTM）作为基本模块构建外推模型。最后,引入对抗网络,与外推模型组成端到端的博弈系统DCF-LSTM,两者交替训练实现外推图像分布向原图像分布的拟合。结果 在4种不同的反射率强度下进行了消融研究,并与3种主流的气象业务算法进行了对比。实验结果表明,DCF-LSTM在所有评价指标中表现最优,尤其在反射率为35 dBZ的条件下。结论 由实验结果可知,引入光流法能够使模型具有更好的抗畸变性,引入深度卷积生成对抗网络（deep convolutional generative adversarial network,DCGAN）判别模块能进一步增加结果的准确性。本文提出的DCF-LSTM回波外推算法相比于其他算法,雷达外推准确率获得了进一步提升。     

基于卷积神经网络的雷达目标检测方法

雷达目标检测近年来一直是雷达信号处理中的重要任务,在探测监控等安全领域中有非常重要的作用;针对传统恒虚警目标检测方法存在的环境适应能力较弱、复杂地形环境下雷达虚警数量急剧上升等问题,提出一种基于卷积神经网络的雷达目标检测方法;以雷达回波信号数据处理后得到的距离-多普勒图像作为模型的训练集和测试集,设计基于FasterR-CNN结构的雷达目标检测模型,训练模型并将测试结果与传统恒虚警目标检测算法结果相比较,所设计的模型提升了雷达目标检测正确率并较大地减少了虚警数量,这表明将卷积神经网络应用于雷达回波信号的处理任务中是可行的。     

基于双通道测量的FMCW雷达手势识别方法

文章提出一种基于调频连续波雷达(FMCW)的双通道卷积神经网络(CNN)手势识别方法.首先利用FMCW雷达分别对不同手势动作进行探测,收集到回波数据,然后对原始回波数据进行预处理,获取两个接收通道手势动作的时频谱.最后将生成的图像输入到双通道CNN中,进行手势特征提取和特征融合.实验结果表明,基于一个发射通道二个接收通...     

面向降雨预报的雷达回波预测序列外推方法

雷达回波外推方法广泛应用于降雨预报中。针对雷达回波中的预测精度不够高的问题,提出了一种基于循环神经网络的深度学习模型DIPredRNN。该模型通过引入空间和通道的双注意力机制,将长时间的时间信息和通道信息结合起来,提高了时间记忆的长期依赖;通过引入隐藏状态和输入的交互框架,保留了更多的特征,提高了时间记忆的短期依赖。该模型在HKO-7数据集和四川数据集上同经典模型以及诸多先进模型进行实验对比,该模型从外推图像、MSE、SSIM、CSI-30～50 dbz多个指标对比中都取得最佳效果。实验证明了DIPredRNN提高了雷达回波预测效果,拥有先进的性能。     

基于ConvLSTM的改进雷达回波外推方法研究

海上大风及其引发的次生灾害是导致海洋气象灾害的主要因素;雷达观测数据是临近预报主要参考数据之一,准确的雷达外推数据对于提升海上强对流大风临近预报能力极为关键;面向海上大风预报需求和大风天气雷达回波特征,从输入数据格式和损失函数两方面对ConvLSTM进行改进,在损失函数中增加观测真实值作为系数提高强回波影响,构建了基于自编码的ConvLSTM网络,利用4年的沧州历史雷达回波数据对其进行训练,得到了可基于历史1 h雷达数据预测未来1 h雷达回波的雷达回波外推模型;测试集及个例检验结果表明,改进模型在强回波预测方面具备更好效果。     

基于反卷积特征提取的深度卷积神经网络学习

在深度卷积神经网络的学习过程中,卷积核的初始值通常是随机赋值的.另外,基于梯度下降法的网络参数学习法通常会导致梯度弥散现象.鉴于此,提出一种基于反卷积特征提取的深度卷积神经网络学习方法.首先,采用无监督两层堆叠反卷积神经网络从原始图像中学习得到特征映射矩阵;然后,将该特征映射矩阵作为深度卷积神经网络的卷积核,对原始图像进行逐层卷积和池化操作;最后,采用附加动量系数的小批次随机梯度下降法对深度卷积网络微调以避免梯度弥散问题.在MNIST、CIFAR-10和CIFAR-100数据集上的实验结果表明,所提出方法可有效提高图像分类精度.