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低信噪比下基于多元变分模态分解的水下蛙人特征提取

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声学学报 2024年第2期49卷 318-326页

作者：王仪许枫杨娟中国科学院声学研究所海洋声学技术实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

为提高低信噪比下对蛙人辐射噪声的提取能力,提出了一种矢量多通道信号的水下蛙人辐射噪声特征提取方法。首先针对矢量多通道信号使用多元变分模态分解,得到固有模态函数。然后选取能量最高的模态函数组作为研究对象,计算该模态函数组... 详细信息

为提高低信噪比下对蛙人辐射噪声的提取能力,提出了一种矢量多通道信号的水下蛙人辐射噪声特征提取方法。首先针对矢量多通道信号使用多元变分模态分解,得到固有模态函数。然后选取能量最高的模态函数组作为研究对象,计算该模态函数组互谱后的加权排列熵。最后提取加权排列熵频谱的蛙人特征量。海试结果表明,本方法可在无需先验信息情况下,提取由矢量水听器采集的蛙人信号特征,在检测率为80%的情况下抗噪能力较传统算法提升了10 dB。

关键词：蛙人特征提取多元变分模态分解加权排列熵低信噪比

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基于频率滤波张量鲁棒主成分分析的混响抑制

声学学报 2024年第4期49卷 743-752页

作者：肖雄蔚许枫杨娟中国科学院声学研究所海洋声学技术实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

提出了一种混响抑制方法用于提高有源声呐对水下运动小目标的探测能力。根据固定部署的有源声呐多帧波束形成数据之间相关性强的特点,使用频率滤波张量核范数对混响的低秩性进行建模,并使用交替方向乘子法将声呐数据分解为包含稳态混响... 详细信息

提出了一种混响抑制方法用于提高有源声呐对水下运动小目标的探测能力。根据固定部署的有源声呐多帧波束形成数据之间相关性强的特点,使用频率滤波张量核范数对混响的低秩性进行建模,并使用交替方向乘子法将声呐数据分解为包含稳态混响的低秩张量和包含动目标的稀疏张量。对于稀疏张量中存在的混响起伏干扰,进一步提出利用动目标回波与混响起伏在加权时空密度上的差异抑制混响。通过实测浅海混响数据验证了所提方法的有效性,结果表明该方法能够有效抑制稳态混响和混响起伏,提高有源声呐的小目标探测能力。

关键词：混响抑制张量分解低秩稀疏分解目标探测频率滤波

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海峡海域海洋环境噪声三维空间特性分析

声学学报 2024年第4期49卷 814-823页

作者：单元春林建恒衣雪娟江鹏飞孙军平李娜中国科学院声学研究所北海研究站青岛266114 中国科学院水声环境特性重点实验室(声学研究所) 北京100190

研究了与其他海底海域有显著差异的海峡海域的环境噪声特性。假设海洋环境噪声源均匀分布于接收阵上方海面的圆形范围内,利用考虑声线水平折射的3D射线声传播理论,仿真计算了V字型海峡地形下环境噪声的高频与低频特性,分析了不同方位角... 详细信息

研究了与其他海底海域有显著差异的海峡海域的环境噪声特性。假设海洋环境噪声源均匀分布于接收阵上方海面的圆形范围内,利用考虑声线水平折射的3D射线声传播理论,仿真计算了V字型海峡地形下环境噪声的高频与低频特性,分析了不同方位角内海洋环境噪声空间特性。研究发现,海峡海底会影响水平方向的声传播过程,使声能量在一定程度上会聚。当接收阵位于海峡海底正上方位置时,来自海面的噪声随着接收深度的增加向海峡中心位置会聚,并且在某些深度形成水平会聚区。对于由海面噪声源辐射到达声道轴深度的声能量,海峡的存在使声能量沿海峡传播时不会从海峡内部泄漏,而声能量跨越海峡传播时其损失也较小。

关键词：海洋环境噪声海峡地形三维声场垂直指向性

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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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

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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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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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

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