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。     

基于小波包时频图特征和卷积神经网络的水声信号分类

水下声信号分类是水声学研究的一个重要方向。一个有效的特征提取和分类决策方法对水声信号分类技术至关重要。文章将鱼声、商船辐射噪声和风关噪声三类实测的水声信号在小波包分解的基础上提取时频图特征,并搭建了一个七层结构的卷积神经网络作为分类器。研究结果表明：三种水声信号的小波包时频图特征结合卷积神经网络在不同测试集可达到（98±1）%的总体准确率。因此,小波包时频图特征结合卷积神经网络的水声分类方法可望推广至更多水声信号分类。该研究结果可为水声信号的分类识别研究提供应用参考。     

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。     

小波包分形与支持向量机在水声目标识别中的应用研究

水声目标分类识别是公认的水声信号处理难题,船舶辐射噪声是一种非线性非平稳信号,具有一定的混沌特性,更好地认识船舶辐射噪声的非线性性质,有助于更好地寻找有效的水声目标检测及识别算法。为了解决水声目标的分类识别问题,提出了利用小波包分形和支持向量机组合进行水声目标识别。利用小波包分解得到目标辐射噪声不同频带内信号分形维数作为特征矢量,并输入到支持向量机实现目标分类,实验结果表明,小波包分形和支持向量机的结合有比较好的分类识别效果,有一定的实际应用价值。     

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。     

语音识别方法在水下目标识别中的应用

水下目标识别是潜艇在海战中,先敌发现并有效进行水声对抗的关键技术。然而,如何根据声纳接收到的舰船辐射噪声对三类目标进行分类识别是长期困扰人们的问题。研究了四种语音识别中常用的方法——线性预测系数（LPC）,线性预测倒谱系数（LPCC）,美尔倒谱系数（MFCC）和最小均方无失真响应（MVDR）,在水下目标识别中的应用效果,并比较了这四种方法在无噪声情况下的识别概率,以及在不同信噪比下的识别概率,并通过比较找到在无噪声和有噪声情况下的最佳方法。实验表明,在无噪声的情况下,MFCC方法总体识别率最高,第一类目标MFCC方法的识别率最高,第二类目标MFCC和MVDR方法识别率相似,好于其他两者,第三类目标MVDR方法识别率最高。在加入噪声的情况下,MVDR方法对三类目标的识别和抗噪声性能明显好于其余三者。     

基于卷积神经网络的水下多目标方位估计方法

针对水下多目标方位估计问题,提出了一种利用卷积神经网络模型对目标声源进行方位估计的方法。该方法使用不等强度的声源数据进行训练并使用焦点损失函数作为训练损失函数。通过对阵列接收到的信号进行特征提取,使用焦点损失函数指导卷积神经网络训练,最终利用训练好的卷积神经网络模型进行目标方位估计。对不同模型参数的训练进行对比,结果表明所训练的卷积神经网络模型在较低信噪比条件下也能正确估计弱目标的方位。试验结果表明,与采用二元交叉熵损失函数的卷积神经网络模型相比,该方法对弱目标的方位估计能力更强,提高了方位估计的准确率。     

复合基神经网络在水声目标分类识别中的应用

本文根据不同神经网络的分类特点，提出将径向基函数网络和多层感知器网络复合构成复合基网络，用于水声信号的分类识别，试验表明，该网络的分类能力及对未来训练目标的适应性优于ＢＰ网和ＲＢＦ网。     

结合多尺度卷积网络和双端注意力机制的水声目标识别

水声目标识别是被动声呐系统的主要应用之一。为了进一步提升小样本条件下水下目标的识别率,文章提出一种基于多尺度卷积和双端注意力机制相融合的方法。首先,提取梅尔倒谱系数,色度谱和计算谱对比度等特征,建立基于多类别特征子集的三维聚合特征。其次,采用多尺度卷积滤波器算子构造多分辨率卷积神经网络,以更好地适应三维聚合特征的时频结构。另外,采用双端注意力模型捕获样本的全局依赖和局部特性。采用基于指数加权的对数交叉熵函数作为损失函数,提升样本数较少类别的识别率。实验结果表明,该方法在ShipsEar数据上的平均识别率为95.5%,取得了较好的分类效果。     

一种基于VGGish神经网络的水声目标识别方法

水声目标智能识别是水声装备智能化的重要组成部分,深度学习则是实现水声目标智能识别的重要技术手段之一。当前水声目标智能识别经常面临数据集较小带来的训练样本量不足的情况,针对小数据集识别中存在的因过拟合导致模型泛化能力不足,以及输入的水声信号二维谱图样式不统一的问题,文章提出了一种基于VGGish神经网络模型的水声目标识别方法。该方法以VGGish网络作为特征提取器,并在VGGish网络前部加入了信号预处理模块,同时设计了一种基于传统机器学习算法的联合分类器,通过以上措施解决了过拟合问题和二维谱图样式不统一问题。实验结果显示,该方法应用在ShipsEar数据集上得到了94.397%的识别准确率,高于传统预训练-微调法得到的最高90.977%的准确率,并且在相同条件下该方法的模型训练耗时仅为传统预训练-微调方法的0.5%左右,有效提高了识别准确率和模型训练速度。     

基于提升小波变换的MFCC在目标识别中的应用

水下环境噪声对被动声呐目标的分类识别影响显著,为了提高水声信号识别系统对环境噪声的鲁棒性,采用提升小波变换方法提取MFCC特征,对水下被动声呐目标进行分类和识别。仿真实验表明,与传统MFCC和小波变换的MFCC相比,在信噪比相近的情况下,提升小波变换方法提取MFCC具有识别率较高、对噪声鲁棒性较好的显著优点。     

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。     

水下目标识别的1/3倍频程掩蔽谱方法

在对现有水下目标噪声信号分布研究的基础上,基于声学分析中的1/3倍频程分析和入耳的听觉掩蔽效应,提出了1/3倍频程掩蔽谱特征提取方法,并对水下目标辐射噪声进行了特征提取和特征分析.结果表明,不同类的目标,其主频范围有其固定的区域.Ⅰ类目标的主频一般在100Hz附近,Ⅱ类目标的主频一般在100Hz和200Hz附近,Ⅲ类目...     

一种有效降维的特征选择方法及其在水声目标识别中的应用

为在保证目标识别准确率基础上进行有效特征降维,文章以目标识别准确率为特征选择准则,提出一种支持向量机递归特征消除（Support Vector Machine Recursive Feature Elimination,SVM-RFE）快速筛选出部分优质特征子集与猫群算法（Cat Swarm Algorithm,CSO）迭代寻优结合的特征选择方法,并将该方法应用于水声目标识别的特征选择。实验数据处理结果表明：相比SVM-RFE和CSO特征选择算法,文中提出的方法在平均特征维数降低8%的基础上,平均目标识别率提高了1.88%,能够实现有效降维的目的。该方法对判断特征是否适合用于特定的目标识别也有一定应用价值。     

Acoustic Emission Recognition Based on a Two-Streams Convolutional Neural Network

The Convolutional Neural Network (CNN) is a widely used deep neural network. Compared with the shallow neural network, the CNN network has better performance and faster computing in some image recognition tasks. It can effectively avoid the problem that network training falls into local extremes. At present, CNN has been applied in many different fields, including fault diagnosis, and it has improved the level and efficiency of fault diagnosis. In this paper, a two-streams convolutional neural network (TCNN) model is proposed. Based on the short-time Fourier transform (STFT) spectral and Mel Frequency Cepstrum Coefficient (MFCC) input characteristics of two-streams acoustic emission (AE) signals, an AE signal processing and classification system is constructed and compared with the traditional recognition methods of AE signals and traditional CNN networks. The experimental results illustrate the effectiveness of the proposed model. Compared with single-stream convolutional neural network and a simple Long Short-Term Memory (LSTM) network, the performance of TCNN which combines spatial and temporal features is greatly improved, and the accuracy rate can reach 100% on the current database, which is 12% higher than that of single-stream neural network.     

A Rub-Impact Recognition Method Based on Improved Convolutional Neural Network

Based on the theory of modal acoustic emission (AE), when the convolutional neural network (CNN) is used to identify rotor rub-impact faults, the training data has a small sample size, and the AE sound segment belongs to a single channel signal with less pixel-level information and strong local correlation. Due to the convolutional pooling operations of CNN, coarse-grained and edge information are lost, and the top-level information dimension in CNN network is low, which can easily lead to overfitting. To solve the above problems, we first propose the use of sound spectrograms and their differential features to construct multi-channel image input features suitable for CNN and fully exploit the intrinsic characteristics of the sound spectra. Then, the traditional CNN network structure is improved, and the outputs of all convolutional layers are connected as one layer constitutes a fused feature that contains information at each layer, and is input into the network’s fully connected layer for classification and identification. Experiments indicate that the improved CNN recognition algorithm has significantly improved recognition rate compared with CNN and dynamical neural network (DNN) algorithms.     

基于均值特征和改进深度神经网络的说话人识别算法

为提高神经网络在说话人识别应用中的识别性能,提出基于高斯增值矩阵特征和改进深度卷积神经网络的说话人识别算法。算法首先通过最大后验概率提取基于梅尔频率倒谱系数（Mel Frequency Cepstrum Coefficient,MFCC）特征的高斯均值矩阵,并对特征进行噪声适应性补偿,以增强信号的帧间关联和说话人特征信息,然后采用改进的深度卷积神经网络进一步对准帧间信息,以提高说话人识别特征对背景噪声的适应性。实验结果表明,相比于高斯混合模型-通用背景模型等识别框架及传统MFCC等特征,该算法可取得更高的识别准确率和最小的识别均方误差。     

目标噪声响度特征提取技术研究

考虑声纳员听音判型过程中,目标噪声的响度变化是其判型的重要依据,计算目标噪声信号的响度,提取其响度特征,基于响度特征对三类目标进行分类识别。设计神经网络分类器,实测数据验证了基于响度的目标特征提取方法是有效的,并分析了响度特征和能量特征的区别,说明了三类目标噪声响度特征较能量特征分布的集中度好,有利于提高分类识别的正确概率。     

水下航行器声隐身性能快速评估研究

针对传统水下航行器声隐身性能评估方法计算时间长、实时性不强的缺点,将评估由数值计算问题变为基于多传感器信息融合的模式识别问题来解决。通过将RBF神经网络模型和LVQ神经网络模型相结合,提出了基于组合神经网络的水下航行器声隐身性能快速评估模型。利用加速度传感器测得壳体表面振动信息,抽取分析频段内每个频带的功率作为特征向量,通过组合神经网络模型进行识别分类,快速评估出航行器当前的声隐身状态。并利用水下双层加肋圆柱壳体模拟航行器舱段缩比模型,进行了水下声学试验,验证了方法的实时性和有效性。该评估方法计算速度快、评估正确率较高、通用性较强,可很好地应用于各类水下结构的声学状态评估。     

基于融合特征的短语音汉语声调自动识别方法

提出一种基于韵律特征(基频、时长)和梅尔倒谱系数(Mel-Frequency Cepstral Coefficient,MFCC)特征的融合特征进行短语音汉语声调识别的方法,旨在利用两种特征的优势提高短语音汉语声调识别率。该融合特征包括7个根据不同模型得到的韵律特征和统计参数以及4个从每个音段的梅尔倒谱系数计算得来的对数化后验概率,使用高斯混合模型表示4个声调的倒谱特征的分布。实验分两步:第一步,将基于韵律特征和倒谱特征的分类器在决策阶段混合起来进行声调分类,分别赋予两个分类器权重,计算倒谱特征和韵律特征在声调分类任务中的权重;第二步,将基于字的韵律特征和基于帧的倒谱特征结合起来生成融合特征的超向量,使用融合特征进行汉语声调识别,根据准确率、未加权平均召回率(Unweigted Average Recall,UAR)和科恩卡帕(Cohen’s Kappa)系数3个指标,比较并评估5种分类器(两种设置的高斯混合模型,后向传播神经网络,支持向量机和卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN))在不平衡数据集上的分类效果。实验结果表明:(1)倒谱特征方法能够提高汉语声调的识别率,该特征在总体分类任务中的权重为0.11;(2)基于融合特征的深度学习(CNN)方法对声调的识别率最高,为87.6%,与高斯混合模型的基线系统相比,提高了5.87%。该研究证明了倒谱特征法能够提供与韵律特征法互补的信息,从而提高短语音汉语声调识别率;同时,该方法可以运用到韵律检测和副语言信息检测等相关研究中。