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基于隐Markov模型的线谱检测技术研究

基于隐Markov模型的线谱检测技术研究

作者：王紫君哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

线谱特征是水声目标辐射噪声信号的主要特征之一，而在实际海洋环境中，由于减振降噪技术的应用使得水声目标辐射噪声强度和特征持续减弱，线谱特征越来越难以检测。本文围绕此问题，在频域中使用相干累加功率谱技术、空间谱估计技术提... 详细信息

线谱特征是水声目标辐射噪声信号的主要特征之一，而在实际海洋环境中，由于减振降噪技术的应用使得水声目标辐射噪声强度和特征持续减弱，线谱特征越来越难以检测。本文围绕此问题，在频域中使用相干累加功率谱技术、空间谱估计技术提高信噪比，在时频域中采用统计信号处理中的隐Markov模型对目标线谱进行先跟踪后检测，完成了对目标线谱起止时间以及有无目标的检测。本文主要研究内容如下:　　1、在舰船辐射噪声采集和频域处理方面，实现了舰船辐射噪声的仿真，并使用多项式拟合和经验模态分解拟合对其进行背景均衡。由于传统的周期图法和分段周期图法没有考虑相位信息，会产生实际的能量损失和检测误差，因此可以使用相位补偿方法提高增益。本文使用相位补偿法和其改进方法对功率谱进行估计，对比表明了该方法可提高处理增益。为了改善频率分辨率不高的问题，采用了空间谱估计的方法，如MUSIC法来估计频率。在频域线谱检测方面，根据统计理论，采用拉伊达准则和改进的拉伊达准则对线谱进行检测，改进的方法提高了检测性能。　　2、传统的时频图获取方法为短时傅里叶变换，但其频率分辨率较低，本文采用同步提取变换改善此问题，并分析两种方法的优劣。在时频域线谱跟踪方面，使用隐Markov模型中的Viterbi算法和前向后向算法进行跟踪，在单根线谱、多根线谱和有多普勒频移条件下，对两种算法进行了对比，结果表明两种算法均可有效的提高信噪比。针对Viterbi算法会出现数值下溢的问题，对Viterbi算法进行改进，成功解决此问题。通过仿真实验和实际海试验证了两种算法的可靠性与有效性。　　3、在时频图中，线谱可能不在所有观测时间存在，因此需要检测第三章所跟踪线谱在观测时间内的存在状态。本文采用序列检验原理对线谱的起止时间进行检测，确定在观测时间段目标的有无，完成对单根和多根线谱的检测。通过对仿真和实验数据处理，证明了隐Markov模型线谱检测的有效性。

关键词：隐Markov模型线谱检测同步提取变换相干累加

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基于人工智能的舰船目标分类与线谱检测

基于人工智能的舰船目标分类与线谱检测

作者：陈泊志哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着近年来人工智能技术的不断发展,越来越多的领域在人工智能技术的应用上都取得了重大的进展,例如人脸识别、车辆识别、语音处理、医疗图像识别等等。而在舰船辐射噪声的目标检测与识别领域中,研究热点也从基于传统的特征库的模糊匹... 详细信息

随着近年来人工智能技术的不断发展,越来越多的领域在人工智能技术的应用上都取得了重大的进展,例如人脸识别、车辆识别、语音处理、医疗图像识别等等。而在舰船辐射噪声的目标检测与识别领域中,研究热点也从基于传统的特征库的模糊匹配转向了基于人工智能的目标检测与识别。深度学习是人工智能技术中的一个新分支,并且离不开大数据的支持,而大数据正是舰船辐射噪声研究领域中的短板。因此,如何在小样本数据下应用深度学习技术取得较好的检测与识别效果是该领域的重难点。本文围绕舰船辐目标识别与线谱检测这一主题,主要进行了以下几个方面的工作:1.舰船辐射噪声的仿真建模与特征提取降噪。本文主要使用LOFAR谱图与DEMON谱分析谱图作为舰船辐射噪声的主要特征谱图,LOFAR谱图默认使用Welch法作为主要的功率谱分析手段,使用三种不同的滤波算法来估计DEMON谱特征中的连续谱背景干扰,达到DEMON谱连续谱与线谱分量分离的目的。通过建模编写程序生成仿真数据,使用仿真数据来对比三种滤波算法对DEMON谱的处理效果,并为后续的章节提供仿真数据与数据集支持。2.无监督学习与有监督学习相结合的融合分类识别模型研究。本文主要研究的无监督学习模型为主成分分析模型(PCA)、自编码器(AE)、深度置信网络(DNN);第二级为有监督学习的使用BP算法的MLP分类神经网络,经过预训练的无监督学习模型能够减小分类识别网络过拟合的可能性。首先通过仿真数据实验分析不同的特征输入与不同的融合分类模型的分类识别效果,然后再通过实际的两种船的数据验证仿真实验中提出的融合分类模型的有效性。3.基于图像识别的线谱检测方法研究。本文基于传统的图像处理方法与基于深度学习的图像处理方法提出了两种线谱检测方案,第一种为三阈值线谱检测方法,在仿真实验中与Canny算子的线谱检测方法进行了对比,试验结果表明,三阈值的线谱检测算法在无干扰的条件下拥有更好的检测性能,但当信号中存在白噪声干扰时,三阈值的线谱检测算法会出现弱线谱漏检与检测出假线谱的问题;第二种为SAM+YOLOV5+EIo U模型的线谱检测方法,仿真结果表明,该方法在无干扰的情况下时均表现良好,当信号存在白噪声干扰时,可以通过调整模型的置信度阈值来维持线谱检测率与线谱检测精确率的平衡。最终通过实际数据的实验表明,SAM+YOLOV5+EIoU模型具有辅助目标有无检测的潜力。

关键词：舰船辐射噪声 DEMON谱分析 LOFAR谱分析深度学习线谱检测

差分二次平均修正的频域相位补偿线谱检测方法

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兵工学报 2014年第10期35卷 1630-1637页

作者：戴文舒陈亚陈新华孙长瑜余华兵中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100190 海军驻无锡地区军事代表室江苏无锡214061

针对常规平均功率谱方法幅度平方后相位信息丢失造成检测性能损失问题,通过对观测数据分段进行快速傅里叶变换后的统计特性进行分析,提出了高斯噪声背景下检测未知线谱的频域相位补偿方法。采用蒙特卡洛法估计相位补偿因子,先进行差分... 详细信息

针对常规平均功率谱方法幅度平方后相位信息丢失造成检测性能损失问题,通过对观测数据分段进行快速傅里叶变换后的统计特性进行分析,提出了高斯噪声背景下检测未知线谱的频域相位补偿方法。采用蒙特卡洛法估计相位补偿因子,先进行差分法去除零星野值,然后使用二次平均(TPM)去除连续野值,最后使用估计的相位补偿因子均值构造广义似然比检验统计量实现检测。从理论上对比了广义平均周期图(AVGPR)法、广义功率谱(GPR)法及文中方法的检测性能。仿真结果表明,文中方法充分利用信号的相位信息,参数估计简单,相位补偿因子估计准确,在一定虚警概率下较AVGPR法的检测性能提高了接近5 dB左右。

关键词：声学快速傅里叶变换分析线谱检测频域相位补偿检验统计量功率谱

通过相位内插与补偿提高相干平均线谱检测性能

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声学学报 2015年第5期40卷 675-681页

作者：陈韶华郑伟付继伟中船重工集团公司第七一○研究所宜昌443003

针对现有基于相位补偿的相干平均检测方法相位补偿不准确引起线谱检测性能下降的问题,提出了一种改进的相干平均线谱检测方法。该方法在使用FFT估计分段长度不等于信号周期整数倍引起的各段信号之间的相位差时,采用频域三点插值获得精... 详细信息

针对现有基于相位补偿的相干平均检测方法相位补偿不准确引起线谱检测性能下降的问题,提出了一种改进的相干平均线谱检测方法。该方法在使用FFT估计分段长度不等于信号周期整数倍引起的各段信号之间的相位差时,采用频域三点插值获得精确相位差估计,在相干平均前对分段数据乘以一个复系数,以消除该相位差使相位同步。理论分析表明,改进方法能获得最大3.9dB的增益。通过计算机仿真比较了非相干的平均功率谱法、相干平均法、改进的相干平均法的检测性能,与理论分析基本一致,验证了改进方法有更强的线谱检测能力。

关键词：相干平均检测性能相位补偿线谱检测内插信号周期相位差相位同步

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一种基于瞬时相位方差加权的线谱检测器

电子与信息学报 2015年第7期37卷 1763-1768页

作者：郑恩明余华兵陈新华孙长瑜中国科学院声学研究所北京100190

针对水下目标未知线谱的检测问题,依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征,该文提出一种基于瞬时相位方差加权的线谱检测方法。该方法利用目标线谱频率单元对应瞬时相位比较稳定,背景噪声频率单元对应瞬时相位比较随机的特点,... 详细信息

针对水下目标未知线谱的检测问题,依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征,该文提出一种基于瞬时相位方差加权的线谱检测方法。该方法利用目标线谱频率单元对应瞬时相位比较稳定,背景噪声频率单元对应瞬时相位比较随机的特点,对各频率单元进行瞬时相位方差加权,可以进一步抑制背景噪声能量干扰,增强目标线谱检测信噪比(SNR)增益,实现对水下目标辐射噪声中未知线谱的检测。理论分析和实验结果表明:该方法可以较好地增强目标线谱能量、抑制噪声、提高信噪比,在抗复杂信道检测、识别领域具有良好的应用前景。

关键词：信息处理水下目标辐射噪声线谱检测瞬时相位方差

自适应Alpha-beta修正的线谱检测后置处理方法

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电子与信息学报 2014年第10期36卷 2419-2424页

作者：戴文舒陈新华孙长瑜余华兵中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100190

矩形包络的单频信号时域频率方差等于频域有效带宽,且频率方差为信噪比的函数,在信噪比下降时,线谱方位权值计算误差变大,频率方差线谱检测器丢失目标。传统Alpha-beta滤波的增益恒定,不能有效修正频率估计。该文提出后置处理方法,将每... 详细信息

矩形包络的单频信号时域频率方差等于频域有效带宽,且频率方差为信噪比的函数,在信噪比下降时,线谱方位权值计算误差变大,频率方差线谱检测器丢失目标。传统Alpha-beta滤波的增益恒定,不能有效修正频率估计。该文提出后置处理方法,将每个方位下多次求得的功率谱叠加后得到功率谱-频率曲线作为该方位下各频率对应的增益。当频率观测值对应的增益大时,新息在递推过程中占的比重大,当频率观测值对应的增益小时,预测值在递推过程中起的作用大,对滤波后频率估计值计算方差来修正方位谱输出。仿真和实验处理结果证明在低信噪比情况下,修正后的线谱检测后置处理算法抗干扰性强,能够实现弱线谱的提取,同时压低了干扰背景。

关键词：水声信号处理线谱检测频率方差 Alpha-beta滤波后置处理

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水声时变线谱检测的双稳态随机共振方法

系统工程与电子技术 2008年第1期30卷 28-31页

作者：董华玉玄兆林张晓兵海军工程大学兵器工程系湖北武汉430033

将双稳态随机共振系统应用于水声时变线谱信号的检测,提出了设计水声线谱检测系统可以利用的外在参数。分别在水听器端和声源端建立了时变线谱模型,考查了随机共振系统对水声环境的适应能力。实验发现在信噪比变化、声压起伏、线谱漂移... 详细信息

将双稳态随机共振系统应用于水声时变线谱信号的检测,提出了设计水声线谱检测系统可以利用的外在参数。分别在水听器端和声源端建立了时变线谱模型,考查了随机共振系统对水声环境的适应能力。实验发现在信噪比变化、声压起伏、线谱漂移等情况下,系统都能较好的工作。为水声领域新型线谱检测系统的设计提供了依据。

关键词：水声信号线谱检测随机共振数值仿真

窄带弱信号的线谱检测——相干累加频域批处理自适应线谱增强方法

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浙江大学学报（工学版） 2007年第12期41卷 2048-2051页

作者：刘辉涛丛卫华潘翔杭州应用声学研究所浙江杭州310012 浙江大学信息与通信工程研究所浙江杭州310027

为了提高声纳远程弱信号或强干扰背景下的线谱检测能力,提出了一种利用相干累加频域批处理(coher-ent addition and frequency domain batch,CAFB)自适应线谱增强技术实现窄带弱信号线谱检测的新方法.该方法将接收信号进行相干累加预处... 详细信息

为了提高声纳远程弱信号或强干扰背景下的线谱检测能力,提出了一种利用相干累加频域批处理(coher-ent addition and frequency domain batch,CAFB)自适应线谱增强技术实现窄带弱信号线谱检测的新方法.该方法将接收信号进行相干累加预处理,使输出信噪比获得提高.提取线谱采用时域自适应线谱增强方法(adaptive line en-hancement,ALE),无需独立的参考信号,自适应地与相关的正弦或窄带信号进行匹配,可以从加性宽带噪声背景中将正弦或窄带信号分离出来.同时将频域批处理方法引入时域自适应线谱增强算法,有效地减小了算法的计算量.仿真和湖试、海试试验结果表明,该方法提高了低信噪比条件下的弱信号线谱检测能力,在获得较高的检测处理增益的同时解决了实时处理的运算量问题,使工程应用得以实现.

关键词：相干累加频域批处理自适应线谱增强线谱检测声纳

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瞬时相关积分法及其在线谱检测中的应用

兵工学报 2011年第1期32卷 69-73页

作者：张光普梁国龙范展付进哈尔滨工程大学水声技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001

在Wigner-Vill变换的基础上,推导出一种线谱检测新方法———瞬时相关积分算法。文中阐述了瞬时积分法的基本原理,从理论上分析了在目标高速运动条件下该算法对线谱分量和噪声分量的影响,并且分析了该算法的处理增益,进行了仿真分析和... 详细信息

在Wigner-Vill变换的基础上,推导出一种线谱检测新方法———瞬时相关积分算法。文中阐述了瞬时积分法的基本原理,从理论上分析了在目标高速运动条件下该算法对线谱分量和噪声分量的影响,并且分析了该算法的处理增益,进行了仿真分析和湖上试验验证。试验结果表明瞬时积分相关算法能够有效地消除多普勒影响,消除交叉干扰项,可以广泛应用于对线谱信号的检测和估计。

关键词：信息处理技术线谱检测多普勒 Wigner-Vill变换