融合时频域特征的舰船识别方法及实验研究

文章提出了一种融合舰船辐射噪声时频域特征的识别方法,将舰船辐射噪声的线谱特征和线性预测倒谱特征作为输入,分别利用反向传播（Back Propagation,BP）神经网络进行训练、降维及初步判别,并采用加权投票方式,引入置信度算法和拒判机制实现决策级融合识别。实验结果表明,对比基于舰船单一特征的识别方法,利用舰船辐射噪声时频域特征的互补性进行融合识别,减小了单一识别方法误判对总识别率的影响,具有较强的鲁棒性,可有效提高对目标的识别率。     

嵌入注意力机制的卷积神经网络水声目标识别

针对低信噪比水声目标单一特征识别率低,稳健性差的问题,提出一种基于注意力机制和多尺度残差卷积神经网络（Multi-scale Residual CNN with Attention,MR-CNN-A）进行特征融合的识别方法。该方法根据多尺度卷积核与特征图形成多分辨率分析关系,并以此通过注意力机制实现优势特征权值提取与融合,从而提高模型在文中水声数据集上提取目标噪声特征和分类识别的稳健性与抗噪能力。开展了4类舰船噪声和海洋环境噪声的识别试验、水下和水面自主式水下航行器的识别试验,以及不同信噪比条件下目标噪声的识别试验。结果表明：对于文中所涉及的水声目标噪声和人工高斯白噪声干扰,该网络模型识别正确率明显高于支持矢量机与简单卷积神经网络,且对高斯白噪声的抑制能力远强于支持矢量机与简单卷积神经网络,稳健性好,模型复杂度小。     

基于DNN和改进K-means的船舶辐射噪声开集识别方法

为提高船舶噪声识别系统的性能,实现开集识别,提出了基于深度神经网络(Deep Neural Network, DNN)和改进K-means的船舶辐射噪声开集识别方法。首先,采用Welch功率谱估计方法提取船舶辐射噪声的特征;然后,设计并应用DNN模型进一步提取特征向量;最后,使用改进的K-means模型实现开集识别。在实测数据上进行了实验,结果表明,所提方法能实现船舶辐射噪声开集识别,对于实测数据的平均识别正确率为93.5%,较DNN+K-means++方法提高了6.2个百分点。对实测数据添加实验船发动机噪声或渔船噪声进行实验,结果表明,识别方法在其他船只噪声干扰下具有较好的鲁棒性。     

基于小波包和1(1/2)维谱的舰船辐射噪声频域特征提取及融合

舰船辐射噪声频域特征提取是舰船目标识别的关键技术之一。为提高舰船目标识别率 ,采用小波包和 112维谱对舰船辐射噪声进行多小波包空间调制谱和噪声谱特征提取及融合研究。并用提取的特征对五类舰船目标辐射噪声进行了分类识别实验 ,结果表明所提特征具有很好的分类识别效果     

基于改进小波阈值去噪的深度学习水下目标分类

由于海洋环境噪声复杂,噪声等级高,水下待识别目标信噪比低,从而造成了特征提取困难,目标识别率低的问题。基于此,文章提出了基于改进小波阈值的深度学习水下目标分类方法。此方法在传统小波阈值去噪的基础上提出了一种新的小波阈值函数,对于所采用的具体阈值将其与分解尺度相联系,从而实现降低背景噪声,提升水下目标分类识别率的目的。此方法对实测舰船辐射噪声信号进行小波分解,提取每一层的高频小波系数并对其进行处理;对处理完的信号再提取时频特征,最后将其输入后续的深度学习网络中。实验结果发现：在利用原有数据集情况下,利用基于改进小波阈值的深度学习进行水下目标的分类识别,采用卷积神经网络算法可达到88.56%的分类识别率。对前述实验结果进一步分析后,采用生成对抗网络的方法扩充数据样本,可达到96.673%的分类识别率。     

基于小波包和1(1/2)维谱的舰船辐射噪声频域特征提取及融合

舰船辐射噪声频域特征提取是舰船目标识别的关键技术之一。为提高舰船目标识别率，采用小波包和1 1/2维谱对舰船辐射噪声进行多小波包空间调制谱和噪声谱特征提取及融合研究。并用提取的特征对五类舰船目标辐射噪声进行了分类识别实验，结果表明所提特征具有很好的分类识别效果。     

基于模板匹配的舰船螺旋桨叶片数识别方法

针对在舰船辐射噪声DEMON线谱信噪比低时,传统使用的基于模型或专家系统的叶片数识别方法存在错误率高且识别结果不稳定的问题,提出了一种基于模板匹配的螺旋桨叶片数识别方法。该方法建立了不依赖于样本的模板库,设计了模板匹配算法和识别结果置信度算法,较好地解决了传统的叶片数识别技术所存在的数学模型失配或规则不全、样本不完善性等问题。对实测数据的分析表明,该方法明显降低了叶片数识别的错误率,使目标类型识别结果趋于稳定。     

基于VMD与共振稀疏分解的舰船辐射噪声窄带特征提取

为了获取实测舰船辐射噪声信号中有效的目标信息、提高低信噪比条件下目标信号的可分性,文章提出了结合变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)和共振稀疏分解(Resonance-based Sparsity Signal Decomposition,RSSD)的舰船辐射噪声信号特征提取方法。基于舰船辐射噪声信号具有一定的周期性而外界干扰具有随机性的特点,首先利用VMD自相关分析的方法重构信号,主要剔除带外噪声分量;然后采用RSSD算法基于信号共振属性的不同,进一步滤除带内噪声和瞬态干扰,实现对信号中周期性振荡成分的提取;最后提取信号的波形结构特征用于目标的分类识别。仿真信号与实测信号分析表明,该方法可以较好地滤除带内外噪声,增强舰船辐射噪声信号固有的窄带特征。多类舰船目标的分类实验结果表明,该方法可以有效提高低信噪比信号的可分性,有利于提高目标识别的性能。     

基于自相关特征的舰船大小识别方法

基于自相关处理方法,提出了一种利用舰船辐射噪声自相关曲线特征值对舰船大小进行识别的方法,并利用BP神经网络对两类海上实测舰船目标噪声信号进行了识别。实验结果表明,利用该方法对舰船目标大小具有较好的识别效果。该法与其他识别方法相比,在保证较高分类识别率的前提下,特征量提取方法简单,特征量维数少,运算量较低,更便于工程实现。     

基于小波包分解和PCA-Attention-LSTM的舰船辐射噪声识别技术

为了改进舰船辐射噪声分类系统的性能,进一步提高识别准确率,文章提出了一种基于多特征的小波包分解在长短期记忆(LongShort-TermMemory,LSTM)网络中分类的方法。该方法首先通过小波包分解技术,分频段提取舰船辐射噪声的多种特征,将提取的特征利用主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)进行数据降维,通过添加注意力机制(Attention Mechanism)算法的LSTM网络,对辐射噪声结果分类,提高了学习效率和识别准确率。为了更精细地提取特征,分频段提取了舰船辐射噪声的时频域特征、小波变换特征和梅尔倒谱系数等特征,并将分频段与不分频段的特征、多特征与单一特征、不同信噪比间的算法性能进行对比。实验结果表明,基于小波包分解和PCA-Attention-LSTM的模型可以有效地提高舰船辐射噪声分类的性能,是一种可行的分类方法。     

HHT与神经网络在舰船目标特征提取中的应用

目标识别一直是水声领域的关键技术之一。将高阶累积量用于希尔伯特变换特征提取中,通过对舰船目标辐射噪声信号进行采集,得到舰船目标噪声信号,进而提取目标辐射信号各阶模态的相邻平均瞬时频率比、相对标准差、中心频率、平均强度、高阶矩和高阶累积量等作为特征,最终利用BP神经网络来实现对两类舰船目标的分类识别。通过对实际舰船目标噪声进行识别,验证了该舰船目标识别系统具有较好的识别效果。     

干扰抑制门在线谱提取中的应用

由于舰船辐射噪声和海洋环境噪声的复杂性,直接从舰船辐射噪声解调信号中提取线谱比较困难。为了降低线谱提取过程中宽带噪声干扰的影响,设计了一个干扰抑制门。对单频输入信号和谐波输入信号的仿真,验证了抑制算法的有效性,同时对干扰抑制门的信噪比增益进行了统计分析。对实测舰船辐射噪声数据处理,结果表明干扰抑制门的应用能有效降低信号中的宽带干扰,为线谱提取提供便利。从线谱中提取的螺旋桨轴频可作为舰船目标分类和识别的特征量。干扰抑制门算法亦可用于线谱检测。     

高效移动端煤矸识别方法

针对传统轻量型卷积神经网络模型复杂度高，移动端识别速度慢，小样本数据集上训练、识别效果差的等问题，提出一种高效的改进后的移动端煤矸识别方法；分析卷积神经网络模型轻量化的方法，并从注意力机制、激活函数和分类头3个方面对MobileNetv3网络进行改进，通过模型量化压缩网络在移动端部署模型，分析改进网络量化前、后的空间存储容量，浮点运算次数，推理时间和识别准确率；在移动端煤矸识别实验装置中训练、部署和测试模型的识别效果。结果表明：改进后网络经过20次的训练后模型即收敛，收敛速度较快，训练和验证准确率均大于99%;改进后模型经量化压缩后模型存储容量较小，仅为原网络的24.64%,模型复杂度大幅度下降；移动端推理时间仅为77 ms,识别准确率达到99.7%;利用实验装置实时采集的煤和矸石图像的识别效果较好，识别方法可靠。     

基于听觉感知的不同航速稳态舰船噪声合成

声纳人员培训和人耳辨识舰船声实验中常需要完备的敌我舰船辐射噪声样本,但实录各国舰船噪声几乎是不可能的。因此,合成与真实水下声样本听觉感知相同的舰船辐射噪声十分必要。研究了舰船航速对其辐射噪声的影响及人耳听音的临界带通特性,通过已知的零散舰船噪声样本合成目标舰船在其它未知状态下的辐射噪声。采用临界带通滤波和线谱迭加方法,分别合成了目标舰船在低、中、高三种不同航速下的稳态辐射噪声。为了验证合成声的有效性,进行了主观评价实验,采用成对比较法验证了15组不同航速状态下的合成舰船噪声样本。结果表明,合成舰船噪声样本能够被人耳有效识别,准确率达93%。     

基于IVMD-RPE的船舶噪声信号去噪及特征提取方法

针对由于复杂环境条件下的船舶噪声信号识别度低的问题,提出了一种改进的变分模式分解(Improved Variational Mode Decomposition,IVMD)、反向排列熵(Reverse Permutation Entropy,RPE)、加权排列熵(Weighted Permutation Entropy,WPE)和能量比相结合的船舶噪声信号识别分类方法。该方法利用IVMD将信号分解为若干本征模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF);再利用RPE对IMF进行筛选,得到敏感IMF,实现去噪过程;最后计算IMF的WPE并与各个IMF的能量比构建特征向量,建立长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)进行识别分类。实验结果表明,与经验模态分解相比,文中提出的基于IVMD-RPE的船舶噪声信号去噪及特征提取方法能有效减少环境噪声的影响,提高信噪比,对船舶噪声目标信号识别分类的准确率更高。     

隐马尔可夫模型在舰船噪声目标识别中的应用

将Mel频率倒谱作为特征参数,实现了基于连续型隐马尔可夫模型的舰船辐射噪声目标识别。对五艘不同类别舰船的辐射噪声建立模型,并进行了识别实验。模型的状态数和高斯混合数分别确定为1和3,五艘舰船的平均识别率达到91．6％。利用两艘不同类型舰船的噪声分析了舰船的工况对识别结果的影响。     

舰船辐射噪声中鲸类联络叫声检测方法

鲸类联络叫声的频段与舰船辐射噪声频段的重叠,使其易被误检测为舰船噪声而被被动声纳接收,影响后续对被动声纳检测到的信号进行目标自主识别等信号处理的性能。针对鲸类联络叫声干扰目标识别等声纳信号后续处理的问题,提出舰船辐射噪声中鲸类联络叫声检测算法,为削除鲸类联络叫声干扰作准备,算法首先通过理论与实测数据分析得出舰船辐射噪声频谱分布的短时稳定性特征,进而采用中值滤波方法对舰船辐射噪声进行白化处理,利用三阶多项式相位信号对鲸类叫声建模,然后通过基于匹配滤波器的广义似然比检测方法,实现了舰船辐射噪声中鲸类信号的检测。经实测信号的实验验证,提出的算法适用于不同类型和工况的舰船;通过与其他三种检测方法的比较分析,算法在给定虚警率下可以取得较高的鲸类叫声检测率,检测结果优于其他三种方法。     

基于卷积神经网络和Transformer网络的鸟声识别

针对传统鸟声识别算法中特征提取方式单一、分类识别准确率低等问题,提出一种结合卷积神经网络和Transformer网络的鸟声识别方法。该方法综合考虑网络局部特征学习和全局上下文依赖性构造,从原始鸟声音频信号中提取短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform,STFT)语谱图特征,将其输入到卷积神经网络(ConvolutionalNeural Network,CNN)中提取局部频谱特征信息,同时提取鸟声信号的对数梅尔特征及一阶差分、二阶差分特征用于合成梅尔频率倒谱系数(Mel Frequency Cepstrum Coefficient,MFCC)混合特征向量,将其输入到Transformer网络中获取全局序列特征信息,最后融合所提取的特征可得到更丰富的鸟声特征参数,通过Softmax分类器得到鸟声识别结果。在Birdsdata和xeno-canto鸟声数据集上进行实验,平均识别准确率分别达到了97.81%和89.47%。实验结果表明该方法相较于其他现有的鸟声识别模型具有更高的识别准确率。     

基于集合经验模态分解的舰船辐射噪声能量分析

利用集合经验模态分解方法研究舰船辐射噪声的特征参数提取及分类,对预处理后三种不同类别舰船辐射噪声进行能量分析,讨论其高低频能量差特征参数。计算不同类别、一定样本数量的舰船辐射噪声高低频能量差发现,同类舰船高低频能量差基本处于同一水平,不同类型舰船高低频能量差存在明显差异。结果表明,利用集合经验模态分解方法提取的舰船辐射噪声特征参数对舰船类别具有较好的可分性。可为水下目标信号探测及识别提供参考。     

舰船异常噪声振动的识别和消除研究

噪声源识别是舰船振动噪声控制工程界的难题之一。以舰船异常噪声振动消除的实例为研究对象,从舰船异常噪声振动的形成,识别方法,控制途径等进行理论探讨和研究。首次提出了"参数法"和"频谱法"识别噪声源,并经实例验证,取得消除舰船异常噪声振动的工程应用效果,对提高舰船声隐身性能具有重要作用。