[發明專利]一種基于深度神經網絡的深海直達聲區目標深度估計方法有效
| 申請號： | 202010032052.2 | 申請日： | 2020-01-13 |
| 公開（公告）號： | CN113109795B | 公開（公告）日： | 2022-10-14 |
| 發明（設計）人： | 王同;王文博;蘇林;任群言;馬力 | 申請（專利權）人： | 中國科學院聲學研究所 |
| 主分類號： | G01S11/14 | 分類號： | G01S11/14;G06N3/04 |
| 代理公司： | 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472 | 代理人： | 陳琳琳;楊青 |
| 地址： | 100190 *** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 基于 深度 神經網絡 深海 直達 聲區 目標 估計 方法 | ||
1.一種基于深度神經網絡的深海直達聲區目標深度估計方法，所述方法包括：
將垂直陣實測得到的時間-陣元域數據，經過FFT處理得到頻率-陣元域數據；
對頻域歸一化處理后的頻率-陣元域數據進行常規波束形成處理，得到頻率-掠射角度域的波束響應矩陣；
將頻率-掠射角度域的波束響應矩陣輸入到預先訓練好的深度神經網絡中，輸出聲源深度估計結果；
所述深度神經網絡包括依次連接的：第一卷積層、第一池化層、第二個卷積層、第二池化層、第三卷積層、第三池化層、第四卷積層、第四池化層、第五全連接層、第六全連接層、第七全連接層和輸出層；其中，第一卷積層和第二卷積層均包含2個子卷積層，第三卷積層和第四卷積層均包含四個子卷積層，每個子卷積層均采用ReLU作為激活函數；四個池化層的大小均為2×2；每兩個全連接層之間通過Dropout操作以防止過擬合；所述輸出層采用以真實值為中心的高斯型回歸輸出結構；所述深度神經網絡采用的卷積核大小為3×3，通過多個小卷積核來近似替代大卷積核；
所述方法還包括：對所述深度神經網絡進行訓練的步驟，具體包括：
基于環境參數模擬生成頻域仿真聲壓場數據；
對頻域仿真聲壓場數據進行頻率歸一化處理，然后通過常規波束形成處理，得到頻率-掠射角度域的波束響應矩陣；
將頻率-掠射角度域的波束響應矩陣輸入到深度卷積神經網絡進行訓練，得到訓練好的深度神經網絡；
所述對頻域仿真聲壓場數據進行頻率歸一化處理，然后通過常規波束形成處理，得到頻率-掠射角度域的波束響應矩陣；具體包括：
將每個頻點的頻域仿真聲壓場數據在所有陣元上做規范化處理：
其中，P(f，zn)為第n個陣元的接收聲場值，P′(f，zn)為歸一化后的接收聲場值；N為陣元的總數；f為頻點，頻點個數為F個，zn為第n個陣元的深度；
P(ω)為F個頻率和N個陣元的接收聲場P′(f，zn)組成的聲場矩陣，ω＝2πf；
取海水平均聲速為c，對于陣元間距為d的N元均勻分布的垂直線列陣，導向向量w(θ)為：
將同時形成指向θ1，θ2，…，θL的L個波束構成導向向量矩陣A(ω)：
A(ω)＝[w(θ1)，w(θ2)，…，w(θL)] (3)
則頻率-掠射角度的波束響應矩陣B(ω，θ)為：
B(ω，θ)＝P(ω)A(ω)， (4)
其中，矩陣B(ω，θ)大小為N×Nθ，Nθ是掠射角度個數。
2.一種基于深度神經網絡的深海直達聲區目標深度估計系統，其特征在于，所述系統包括：訓練好的深度神經網絡、數據接收模塊，數據處理模塊和聲源深度估計模塊，
所述數據接收模塊，用于接收垂直陣實測得到的時間-陣元域數據，對時間-陣元域數據進行FFT處理得到頻率-陣元域數據；
所述數據處理模塊，用于對頻域歸一化處理后的頻率-陣元域數據進行常規波束形成處理，得到頻率-掠射角度域的波束響應矩陣；
所述聲源深度估計模塊，用于將頻率-掠射角度域的波束響應矩陣輸入到所述訓練好的深度神經網絡中，輸出聲源深度估計結果；
所述深度神經網絡包括依次連接的：第一卷積層、第一池化層、第二個卷積層、第二池化層、第三卷積層、第三池化層、第四卷積層、第四池化層、第五全連接層、第六全連接層、第七全連接層和輸出層；其中，第一卷積層和第二卷積層均包含2個子卷積層，第三卷積層和第四卷積層均包含四個子卷積層，每個子卷積層均采用ReLU作為激活函數；四個池化層的大小均為2×2；每兩個全連接層之間通過Dropout操作以防止過擬合；所述輸出層采用以真實值為中心的高斯型回歸輸出結構；所述深度神經網絡采用的卷積核大小為3×3，通過多個小卷積核來近似替代大卷積核；
所述深度神經網絡的訓練過程，具體包括：基于環境參數模擬生成頻域仿真聲壓場數據；對頻域仿真聲壓場數據進行頻率歸一化處理，然后通過常規波束形成處理，得到頻率-掠射角度域的波束響應矩陣；將頻率-掠射角度域的波束響應矩陣輸入到深度卷積神經網絡進行訓練，得到訓練好的深度神經網絡；
所述對頻域仿真聲壓場數據進行頻率歸一化處理，然后通過常規波束形成處理，得到頻率-掠射角度域的波束響應矩陣；具體包括：
將每個頻點的頻域仿真聲壓場數據在所有陣元上做規范化處理：
其中，P(f，zn)為第n個陣元的接收聲場值，P′(f，zn)為歸一化后的接收聲場值；N為陣元的總數；f為頻點，頻點個數為F個，zn為第n個陣元的深度；
P(ω)為F個頻率和N個陣元的接收聲場P′(f，zn)組成的聲場矩陣，ω＝2πf；
取海水平均聲速為c，對于陣元間距為d的N元均勻分布的垂直線列陣，導向向量w(θ)為：
將同時形成指向θ1，θ2，…，θL的L個波束構成導向向量矩陣A(ω)：
A(ω)＝[w(θ1)，w(θ2)，…，w(θL)] (3)
則頻率-掠射角度的波束響應矩陣B(ω，θ)為：
B(ω，θ)＝P(ω)A(ω)， (4)
其中，矩陣B(ω，θ)大小為N×Nθ，Nθ是掠射角度個數。
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