基于多參量聯(lián)合特征的水下小目標(biāo)分類識別

趙國貴, 梁 紅, 陸 禹, 楊長生

基于多參量聯(lián)合特征的水下小目標(biāo)分類識別

趙國貴, 梁 紅, 陸 禹, 楊長生

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

目標(biāo)的主動聲吶回波包含大量的目標(biāo)信息, 通過對目標(biāo)回波進(jìn)行特征提取可實現(xiàn)對目標(biāo)的分類識別。針對單一特征無法較好地完成水下小目標(biāo)分類識別任務(wù)的問題, 文中提出一種基于多參量聯(lián)合特征提取的水下小目標(biāo)分類識別方法, 選取線性調(diào)頻信號、雙曲調(diào)頻信號和蝙蝠仿生信號等不同形式的發(fā)射信號, 對目標(biāo)回波的方差、譜質(zhì)心以及小波能量譜峰值進(jìn)行特征聯(lián)合, 并利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器對目標(biāo)進(jìn)行分類識別。水池實驗證明, 基于多參量聯(lián)合特征提取的水下小目標(biāo)分類識別方法可有效提高目標(biāo)的分類識別率; 相比于傳統(tǒng)信號, 利用蝙蝠仿生信號進(jìn)行水下目標(biāo)分類識別的效果更好。文中的工作可為利用多種特征聯(lián)合分類識別水下目標(biāo)提供參考。

目標(biāo)回波; 多參量聯(lián)合特征; 反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 分類識別; 仿生

0 引言

水下小目標(biāo)特征提取和分類識別是當(dāng)前水聲信號處理領(lǐng)域的熱門技術(shù), 在海洋防衛(wèi)和開發(fā)方面的應(yīng)用日益廣泛。聲誘餌、無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)和蛙人等作為常見的水下小目標(biāo), 被廣泛用于執(zhí)行水下干擾、探測及偵查等任務(wù)[1-3]。水下小目標(biāo)具有隱蔽性好、殺傷力強(qiáng)等特點, 對潛艇和水面艦艇的威脅極大, 因此研究水下小目標(biāo)特征提取與分類識別技術(shù)意義重大。

國內(nèi)學(xué)者對于水下目標(biāo)特征提取和分類識別技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代。1994年, 湯渭霖[4]提出了聲吶目標(biāo)回波的亮點模型, 在水聲信號領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì), 水下目標(biāo)分類識別技術(shù)蓬勃發(fā)展。張靜遠(yuǎn)等[5]將基于小波變換的模極大值特征、基于小波分解的能量特征等用于水聲信號的分類識別。馬艷等[6]研究了基于連續(xù)小波變換的水下目標(biāo)特征提取, 提取了目標(biāo)的小波能量譜用于分類識別。王娜等[7]研究了音色參量在目標(biāo)分類識別中的應(yīng)用, 利用分段譜質(zhì)心理論對目標(biāo)進(jìn)行了特征提取。楊陽[8]將譜質(zhì)心、譜質(zhì)心帶寬等多種音色參量用于水下目標(biāo)特征提取, 對目標(biāo)回波、噪聲、混響進(jìn)行了分類識別。國外的相關(guān)技術(shù)發(fā)展更早, 性能更優(yōu)越, 目前已經(jīng)搭建了大量水下小目標(biāo)探測和識別系統(tǒng)并得到了廣泛應(yīng)用[9-10], 如美國海軍應(yīng)用的蛙人探測聲吶“冥府守門狗360”、以色列的蛙人探測聲吶以及英國的手持式蛙人偵查系統(tǒng)等。

特征提取算法種類眾多, 但僅僅依靠單個特征通常無法較好地完成目標(biāo)分類識別任務(wù)?？紤]到反向傳播(back propagation, BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多輸入-多輸出特性[11], 文中提出了一種基于多參量聯(lián)合特征的水下小目標(biāo)分類識別方法。通過提取目標(biāo)回波的多種特征參量, 并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器對不同水下小目標(biāo)進(jìn)行分類識別。

1 特征參量

水下小目標(biāo)識別中可用的特征參量有很多種, 文中主要研究的是聲誘餌、UUV以及蛙人呼吸氣泡群3種目標(biāo)。根據(jù)對目標(biāo)聲散射特性的分析,文中選取的3類目標(biāo)聲散射特性具有明顯的差異, 主要表現(xiàn)為目標(biāo)回波的峰值數(shù)量不同、時頻特性不一致等現(xiàn)象, 因此可以從時域上利用目標(biāo)回波的方差來進(jìn)行分析; 根據(jù)對目標(biāo)的音色特性分析, 聲誘餌的主動聲吶回波是其模擬的回波, 不是自身反射回波, 因此和實際物體回波有差異, 而UUV和蛙人呼吸氣泡群材質(zhì)上有明顯區(qū)別, 因此其回波的譜質(zhì)心有所不同, 可用于分類識別; 為了聯(lián)系時域和頻域上的信息, 要從時頻域上對特征進(jìn)行分析, 而小波變換是水下目標(biāo)分類中一種常用的方法, 因此可以選用小波能量譜峰值作為特征來進(jìn)行分類識別。

文中分別從時域、頻域和時頻域3個方向選擇了歸一化方差、譜質(zhì)心和小波能量譜峰值3種特征參量, 并利用聯(lián)合特征對水下小目標(biāo)進(jìn)行分類識別。

1.1 歸一化方差

不同水下小目標(biāo)的亮點數(shù)量不同, 其回波的峰值數(shù)量也不同, 則回波信號的方差就會有所差異, 文中將目標(biāo)回波的歸一化方差作為一種特征參量。

考慮到方差具有以下性質(zhì)

目標(biāo)回波的幅值(能量)會影響回波方差大小, 而目標(biāo)回波的能量與目標(biāo)距離有關(guān)。為了排除距離因素對目標(biāo)分類識別的干擾, 需要對目標(biāo)回波進(jìn)行如下能量歸一化運(yùn)算。

1.2 譜質(zhì)心

譜質(zhì)心即頻譜的質(zhì)心, 是一種音色參量, 主要反映人耳對聲音的主觀感受。目標(biāo)回波的譜質(zhì)心主要表征目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)信息, 因此可用于水下小目標(biāo)分類識別。

參考幾何學(xué)對質(zhì)心的定義, 研究學(xué)者將信號的譜質(zhì)心定義為信號的能量在一定頻段上的加權(quán)平均, 其計算公式為

1.3 小波能量譜峰值

小波變換是一種可以對信號進(jìn)行多尺度細(xì)化和局部頻率分析的時頻分析方法, 其特點在于能通過變換突出問題中某些方面的特征, 因此非常適合用于目標(biāo)特征提取和分類識別。

2 回波特征提取仿真分析

根據(jù)亮點模型理論仿真聲誘餌、UUV和蛙人呼吸氣泡群3類目標(biāo)的回波, 對仿真回波進(jìn)行特征提取, 驗證多參量聯(lián)合特征的優(yōu)勢。

2.1 發(fā)射信號選擇

仿真選取的發(fā)射信號為線性調(diào)頻(linear frequency modulated, LFM)信號、雙曲調(diào)頻(hype- rion financial anagement, HFM)信號和蝙蝠仿生信號3種。前2種信號均為水下目標(biāo)識別常用發(fā)射信號, 而蝙蝠仿生信號是一種模仿大棕蝙蝠的發(fā)聲方式而生成的信號, 由2個不同頻段的HFM信號組合而成, 其信號形式如下

蝙蝠因其晝伏夜出的生活習(xí)性, 在夜晚覓食時難以靠視力追蹤獵物, 因此它們使用超聲波進(jìn)行目標(biāo)識別、定位與跟蹤。經(jīng)過幾千萬年的進(jìn)化, 蝙蝠利用回聲識別目標(biāo)的能力已經(jīng)相當(dāng)成熟。利用蝙蝠仿生信號進(jìn)行目標(biāo)識別可充分發(fā)揮其信號結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢, 從而達(dá)到更高的分類準(zhǔn)確率[12-13]。

發(fā)射信號的頻帶范圍選擇為LFM信號60~ 80 kHz, HFM信號55~110 kHz, 仿生信號由2個頻帶范圍分別為20~55 kHz和55~110 kHz的HFM信號疊加而成。信號脈沖長度均為0.5 ms。

2.2 仿真數(shù)據(jù)特征提取

首先對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行單參量特征提取, 以發(fā)射信號為仿生信號為例, 發(fā)射信號如圖1; 對其回波信號進(jìn)行特征提取, 結(jié)果如圖2。

圖1 仿生信號時域圖及頻域圖

從圖2中可看出, 對于單一特征, 3種目標(biāo)的特征分布混疊度較大, 目標(biāo)間的區(qū)分度不高, 不利于目標(biāo)分類識別。但觀察發(fā)現(xiàn), 對于每種特征, 目標(biāo)的區(qū)分度各不相同。例如, 對于方差特征, 氣泡群和UUV區(qū)分明顯, 而與聲誘餌有混疊; 而對于小波特征, 則是聲誘餌和UUV區(qū)分明顯, 而與氣泡群有混疊。這說明3種特征體現(xiàn)了目標(biāo)在不同方面的特征差異。考慮到多種特征包含的目標(biāo)信息相比單一特征更為豐富, 有利于更準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)類別, 文中嘗試聯(lián)合多種特征進(jìn)行目標(biāo)分類識別。

觀察圖3發(fā)現(xiàn), 3類目標(biāo)的聚類性較好, 不同目標(biāo)的聯(lián)合特征分布區(qū)域之間的混疊度相比單一特征有明顯的下降, 更易區(qū)分。這說明利用多參量聯(lián)合特征有助于改善目標(biāo)分類效果?；谶@一結(jié)論, 文中提出了1種多參量聯(lián)合特征的分類識別方法。

圖3 多參量聯(lián)合特征分布圖

利用多參量聯(lián)合特征對目標(biāo)進(jìn)行分類識別需要建立目標(biāo)的多種特征值與目標(biāo)類別之間的映射關(guān)系。這種高維的非線性映射關(guān)系, 利用傳統(tǒng)分類器通常無法建立, 而具有自適應(yīng)權(quán)值調(diào)整功能和多輸入-多輸出特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器恰好可用于建立此類映射關(guān)系。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中, 輸出變量為輸入變量的多層加權(quán)結(jié)果。文中以目標(biāo)回波的特征值為輸入變量, 目標(biāo)類別為輸出變量。首先通過樣本訓(xùn)練完成對目標(biāo)的多種特征值與目標(biāo)類別之間映射關(guān)系的建立。映射關(guān)系建立完成后, 在對實際目標(biāo)進(jìn)行分類識別時, 只需輸入目標(biāo)的3種特征信息, 即可確定目標(biāo)類別。

3 實驗驗證

為了驗證文中提出的多參量特征提取在水下小目標(biāo)分類識別中的優(yōu)勢, 設(shè)計水池實驗, 對實際目標(biāo)進(jìn)行回波特征提取和分類識別。

圖5 實驗系統(tǒng)示意圖

文中的實驗?zāi)繕?biāo)為聲誘餌模型、UUV模型和氣泡群3種, 其中聲誘餌模型和UUV模型均為鐵制品, 實物如圖6所示。聲誘餌模型長度為2.5 m, 艇體直徑為0.2 m; UUV模型長度為1.25 m, 艇體直徑為0.6 m。

圖6 實驗?zāi)繕?biāo)模型

圖7是聲誘餌模型和UUV模型結(jié)構(gòu)圖。氣泡群由空壓機(jī)和微孔陶瓷管產(chǎn)生, 空壓機(jī)和陶瓷管上的閥門可以控制氣泡產(chǎn)生速率。對應(yīng)于仿真數(shù)據(jù), 實驗所用發(fā)射信號同樣為LFM信號、HFM信號和蝙蝠仿生信號3種。信號頻帶范圍選取和仿真試驗相同, 周期數(shù)均為100, 每個周期內(nèi)信號脈沖長度為0.5 ms, 補(bǔ)零長度為9.5 ms。

3.1 實驗數(shù)據(jù)特征提取

圖7 實驗?zāi)繕?biāo)模型結(jié)構(gòu)圖

將每組回波數(shù)據(jù)平均拆分為10段, 每段包含10個周期。對10個周期的數(shù)據(jù)取均值, 生成1個新的數(shù)據(jù), 這樣可將每個實驗?zāi)繕?biāo)的9組回波數(shù)據(jù)擴(kuò)充為90個新數(shù)據(jù)。新數(shù)據(jù)同樣包含目標(biāo)的特征信息, 同時經(jīng)過平均、信號疊加而噪聲互相抵消, 可提高回波數(shù)據(jù)的信噪比。

提取新數(shù)據(jù)的歸一化方差、譜質(zhì)心和小波能量譜峰值, 即可完成對實驗數(shù)據(jù)的特征提取。

3.2 分類識別

在完成對實驗數(shù)據(jù)的特征提取后, 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器完成目標(biāo)分類。

利用單特征參量對目標(biāo)進(jìn)行分類識別, 結(jié)果如表1~表3所示。

表1 基于方差特征的分類結(jié)果

表2 基于譜質(zhì)心特征的分類結(jié)果

表3 基于小波特征的分類結(jié)果

分析表1~表3可得: 基于單參量特征的目標(biāo)分類識別率均在70%左右, 分類效果并不理想。這說明利用單一特征很難較好地完成水下小目標(biāo)分類識別任務(wù)。

利用多參量聯(lián)合特征對目標(biāo)進(jìn)行分類識別, 結(jié)果如表4。從表4可以看出, 基于多參量聯(lián)合特征的目標(biāo)分類識別率均在90%左右, 相比基于單參量特征的分類效果有了明顯提升。這說明利用多參量聯(lián)合特征可以更好地完成水下小目標(biāo)分類識別任務(wù)。此外, 當(dāng)發(fā)射信號為蝙蝠仿生信號時, 目標(biāo)的分類識別率明顯大于其他2種發(fā)射信號, 這也說明了蝙蝠仿生信號在水下小目標(biāo)分類識別應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。

表4 基于方差小波譜質(zhì)心聯(lián)合特征的分類結(jié)果

4 結(jié)束語

文中提出了基于多參量聯(lián)合特征提取的水下小目標(biāo)分類識別算法?？紤]到基于單一特征難以較好地完成水下小目標(biāo)分類識別任務(wù), 提取了目標(biāo)回波的歸一化方差、譜質(zhì)心及小波能量譜峰值, 并利用方差譜質(zhì)心小波聯(lián)合特征對3種水下小目標(biāo)(聲誘餌模型、UUV模型和氣泡群)進(jìn)行分類識別。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器, 分別得到了基于單參量特征和多參量聯(lián)合特征的分類結(jié)果, 并分析對比了兩者的分類效果。結(jié)果表明, 多參量聯(lián)合特征可有效提高水下小目標(biāo)分類識別率, 且發(fā)射信號為蝙蝠仿生信號時, 分類效果更佳。下一步工作將基于研究更多的特征組合方式, 以提高分類識別率。

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[引用格式]趙國貴, 梁紅, 陸禹, 等. 基于多參量聯(lián)合特征的水下小目標(biāo)分類識別[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(6): 644-650.

Classification and Identification of Underwater Small Target Based on Multi-Parameter Joint Feature

ZHAO Guo-gui, LIANG Hong, LU Yu, YANG Chang-sheng

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

The active sonar echoes contain a large amount of target information. The target can be classified and identified by feature extraction. Aiming at the problem that underwater small target cannot be classified very well based on a single feature, a classification and identification method of underwater small target based on multi-parameter joint feature is proposed in this paper. Different forms of transmit signals such as linear frequency modulation(LFM) signal, hyperbolic frequency modulation(HFM) signal and bat biomimetic signal are selected to combine the variance, the spectral centroid and the peak of wavelet energy spectrum of the target echo, and the back propagation(BP) neural network classifier are used to classify and identify the targets. Pool experiment shows that the classification and identification method of underwater small target based on multi-parameter joint feature can effectively improve the target classification identification rate, and compared with traditional signals, using the bat biomimetic signal as transmit signal can obtain a higher classification identification rate. This work may provide a reference for making use of multiple features to jointly classify and identify underwater targets.

target echo; multi-parameter joint feature; back propagation(BP) neural network; classification and identification; biomimetic

TJ630.1; TN911.7

A

2096-3920(2019)06-0644-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.007

2019-04-08;

2019-05-17.

國家自然基金項目資助(61379007, 61771398).

趙國貴(1995-), 男, 碩士, 研究方向為水下信號處理技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)