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利用海底反射时延结构的深海海底反射区目标距离深度估计方法

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声学学报 2024年第4期49卷 627-635页

作者：谢其宸迟骋张博黄海宁中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

针对收发深度关系未知时利用时延差进行距离深度估计可能会出现伪源的问题,提出了一种利用4个时延差直接进行距离深度估计的方法。该方法通过分析4条多径间4个时延差的关系,利用伪源与真实位置间同种时延差的差异,构造模糊平面进行定位... 详细信息

针对收发深度关系未知时利用时延差进行距离深度估计可能会出现伪源的问题,提出了一种利用4个时延差直接进行距离深度估计的方法。该方法通过分析4条多径间4个时延差的关系,利用伪源与真实位置间同种时延差的差异,构造模糊平面进行定位,无需判断收发深度关系即可排除伪源,且在单水听器上即可实现。仿真实验与误差分析验证了该方法的有效性,海试结果表明,该方法在两个不同深度的单水听器上均成功实现了对11.0~16.5 km目标的距离深度估计,距离和深度的均方根误差分别小于1.1 km和54 m。

关键词：深海海底反射区多径时延结构距离估计深度估计

基于改进SSD的合成孔径声纳图像感兴趣小目标检测方法

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电子学报 2024年第3期52卷 762-771页

作者：李宝奇黄海宁刘纪元刘正君韦琳哲中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

轻量化目标检测模型SSD-MV3(Single Shot Detection-MobileNet V3)因输入图像尺寸限制无法直接检测高分辨率大尺寸合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar,SAS)图像中感兴趣小目标.为此,本文提出了一种新的目标检测方法HRSSD(High Resol... 详细信息

轻量化目标检测模型SSD-MV3(Single Shot Detection-MobileNet V3)因输入图像尺寸限制无法直接检测高分辨率大尺寸合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar,SAS)图像中感兴趣小目标.为此,本文提出了一种新的目标检测方法HRSSD(High Resolution Single Shot Detection),该方法通过冗余切割确保SSD-MV3输入图像尺寸的规范以及感兴趣小目标的完整,并利用二次非极大值抑制保证检测结果的唯一.此外,提出了一种尺度、空间和通道注意力机制联合的特征提取模块,并利用该模块重新设计了SSD-MV3的基础网络和附加特征提取网络,记作SSD-MV3P(Single Shot Detection-MobileNet V3 Pro),使得SSD-MV3P能更有效的感知感兴趣小目标特征信息.实验结果表明,在感兴趣小目标检测数据集SST(Sonar Small Targets)上,SSD-MV3P的平均检测精度(mean Average Precision,mAP)比SSD-MV3提升4.39%.HRSSD实现了高分辨率大尺寸SAS图像感兴趣小目标的检测,并且保证了同一位置上检测结果的完整性和唯一性.

关键词：合成孔径声纳感兴趣小目标检测轻量化目标检测模型注意力机制二次非极大值抑制

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联合线谱增强与深度神经网络的水声目标识别

声学学报 2024年第4期49卷 656-663页

作者：于学洋迟骋李淑秋李德瑞中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190

为强化水声目标特征,提高使用深度神经网络识别水声目标的准确率,提出了一种联合线谱增强与深度神经网络的水声目标识别方法。该方法采用窄带信息增强,将自适应线谱增强滤波器与VGGish神经网络级联,水声信号经过线谱增强后输入网络提取... 详细信息

为强化水声目标特征,提高使用深度神经网络识别水声目标的准确率,提出了一种联合线谱增强与深度神经网络的水声目标识别方法。该方法采用窄带信息增强,将自适应线谱增强滤波器与VGGish神经网络级联,水声信号经过线谱增强后输入网络提取深度特征,之后使用分类器分类。使用实测水声数据集进行测试,对网络提取的水声数据的深度特征集进行主成分分析并降维,使高维深度特征可视化,结果表明线谱增强后得到的深度特征集的紧致性明显提高。该方法在测试数据集上能够实现94.83%的识别准确率,与未进行线谱增强的情况相比提升了5.48%,同时在低信噪比情况下稳定性更好。

关键词：水声目标识别线谱增强神经网络深度特征

结合偏航校正的合成孔径声呐大测绘带运动补偿方法

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声学学报 2024年第4期49卷 709-718页

作者：陈世平任露露张鹏飞王朋迟骋刘纪元中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

传统基于频域补偿相位的运动补偿方法难以校正姿态误差造成的波束照射方向偏转,因此提出了一种基于偏航校正的合成孔径声呐大测绘带运动补偿方法。首先,利用时延的距离空变特性校正时延估计野值,提高估计精度和稳健性;其次,通过在后向... 详细信息

传统基于频域补偿相位的运动补偿方法难以校正姿态误差造成的波束照射方向偏转,因此提出了一种基于偏航校正的合成孔径声呐大测绘带运动补偿方法。首先,利用时延的距离空变特性校正时延估计野值,提高估计精度和稳健性;其次,通过在后向投影算法的成像过程中对实孔径成像网格进行旋转来校正偏航造成的波束照射方向偏转;最后,通过分段二维轨迹估计和分段成像克服运动误差的距离空变特性,实现大测绘带运动补偿。仿真结果表明,所提方法能够有效抑制偏航误差导致的点目标图像主瓣展宽、旁瓣升高和模糊现象。实验结果表明,相比于参考方法,所提方法在小偏航角和大偏航角条件下均显著提高了成像质量,有效校正了偏航造成的运动误差,实现了大测绘带精确成像。

关键词：合成孔径声呐运动补偿偏航校正后向投影算法

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冰下非高斯噪声下的范数约束波束形成方法

声学学报 2024年第2期49卷 286-297页

作者：吕玉娇黄海宁张扬帆迟骋中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

为解决冰下环境中噪声模型失配导致方位估计误差较大的问题,提出了一种基于范数约束的波束形成方法。该方法通过对接收信号进行范数约束来优化数据协方差矩阵,克服非高斯噪声带来的模型失配问题,提升方位估计的准确率。信号范数约束的... 详细信息

为解决冰下环境中噪声模型失配导致方位估计误差较大的问题,提出了一种基于范数约束的波束形成方法。该方法通过对接收信号进行范数约束来优化数据协方差矩阵,克服非高斯噪声带来的模型失配问题,提升方位估计的准确率。信号范数约束的性能分析表明,范数约束可有效抑制非高斯噪声。仿真及试验结果表明,在冰下环境中对接收信号进行范数约束后再实施波束形成可有效提高方位估计结果的准确度和稳定性。

关键词：冰下探测方位估计范数约束对称α稳定分布冲激噪声

基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强

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哈尔滨工程大学学报 2024年第7期45卷 1273-1279页

作者：崔小斌李淑秋李宇李子高孙飞虎迟骋金盛龙王冠群中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

双曲调频信号是主动声呐中常用的多普勒不敏感信号。在实际使用中,由于信道变化和混响影响,目标回波较弱。针对水下航行器主动声呐探测性能下降问题,本文提出基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强方法。该方法对目标回波和干扰... 详细信息

双曲调频信号是主动声呐中常用的多普勒不敏感信号。在实际使用中,由于信道变化和混响影响,目标回波较弱。针对水下航行器主动声呐探测性能下降问题,本文提出基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强方法。该方法对目标回波和干扰信号的基矩阵分别定义,将发射信号的时频图作为目标回波的频率信息矩阵,对目标回波的时间信息矩阵做出约束,迭代处理完成目标回波的增强,获得较高增益的匹配回波检测结果。数值仿真和海上试验结果表明:本文方法与传统匹配滤波方法相比,其峰均比值提高了2 dB以上,提高了回波检测结果。

关键词：主动声呐水下探测混响噪声非负矩阵分解双曲调频信号回波增强目标检测

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声呐图像水下目标识别综述与展望

电子与信息学报 2024年第5期46卷 1742-1760页

作者：黄海宁李宝奇刘纪元刘正君韦琳哲赵爽中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

随着海洋资源开发和水下作业的增加,声呐图像水下目标识别已成为热门研究领域。该文全面回顾了该领域的现状和未来趋势。首先,强调了声呐图像水下目标识别的背景和重要性,指出水下环境复杂和样本稀缺增加了任务难度。其次,深入探讨了典... 详细信息

随着海洋资源开发和水下作业的增加,声呐图像水下目标识别已成为热门研究领域。该文全面回顾了该领域的现状和未来趋势。首先,强调了声呐图像水下目标识别的背景和重要性,指出水下环境复杂和样本稀缺增加了任务难度。其次,深入探讨了典型的成像声呐技术,包括前视声呐、侧扫声呐、合成孔径声呐、多波束测深仪、干涉合成孔径声呐和前视三维声呐等。接下来,系统地审视了二维和三维声呐图像水下目标识别方法,比较了不同算法的优劣,还讨论了声呐图像序列的关联识别方法。最后,总结了当前领域的主要挑战,展望了未来研究方向,旨在促进水下声呐目标识别领域的发展。

关键词：声呐图像目标识别深度学习合成孔径声呐前视三维声呐目标识别

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深海远程正交多载波水声通信簇约束无导频扩频解扩

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声学学报 2024年第4期49卷 753-763页

作者：李德瑞王巍李宇李淑秋于学洋中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190

针对深海远程水声通信,提出了一种基于信道先验的簇约束无导频扩频解扩算法。该算法利用深海远程声道轴通信信道结构随时间缓变特性,将序列检测提取的簇区域信息作为无导频信道估计算法中无导频扩频解扩的约束信息,对信道区域与非信道... 详细信息

针对深海远程水声通信,提出了一种基于信道先验的簇约束无导频扩频解扩算法。该算法利用深海远程声道轴通信信道结构随时间缓变特性,将序列检测提取的簇区域信息作为无导频信道估计算法中无导频扩频解扩的约束信息,对信道区域与非信道区域进行区分,充分利用信道结构信息和扩频码正交性对接收信号进行解扩。实测信道仿真和海试结果表明,在深海远程声道轴信道条件下,所提算法性能优于传统信道均衡解扩结果,相较于无导频信道估计方法,所提算法可以在不进行后续迭代信道均衡的情况下得到最优结果,在降低算法计算复杂度的同时,平均误码率降低1~2个数量级。

关键词：水声通信正交频分复用扩频簇约束

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频率−波数域处理的线谱目标增强检测

声学学报 2024年第4期49卷 647-655页

作者：王冠群黄海宁迟骋张舒然鞠东豪中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京100190 中国船舶工业系统工程研究院北京100036

针对复杂水下环境中的弱线谱目标检测问题,提出了一种基于频率−波数域处理的增强检测方法。该方法利用线谱目标的时空相干特性,构建适配于均匀线列阵处理的频率−波数域二维联合滤波器,通过自适应迭代方式实现对线谱目标的二维增强;在此... 详细信息

针对复杂水下环境中的弱线谱目标检测问题,提出了一种基于频率−波数域处理的增强检测方法。该方法利用线谱目标的时空相干特性,构建适配于均匀线列阵处理的频率−波数域二维联合滤波器,通过自适应迭代方式实现对线谱目标的二维增强;在此基础上,将频率−波数域的主瓣检测累积结果作为方位谱的输出,实现对线谱目标的方位高分辨。仿真结果表明,该方法对带宽内信噪比−35 dB线谱目标的处理增益可达21.3 dB,方位分辨率在0.3°内。利用海上实测数据进行验证,该方法对线谱目标的处理增益可达8 dB。与CBF、SSED等宽带处理方法相比,该方法具有更高的线谱目标处理增益;与ALE、STJD等线谱处理方法相比,该方法具有更低的旁瓣起伏和更高的目标方位分辨率。

关键词：无源探测线谱增强频率−波数域主瓣检测