【摘要】：水下目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別是現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性和目標(biāo)特征的變化性,該問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好解決。優(yōu)秀聲吶員出眾的聽音辨物能力,啟發(fā)研究者模仿人耳的聽覺感知機(jī)理進(jìn)行水下目標(biāo)識(shí)別。本文基于此思路,在聽覺感知特征提取(包括音色空間特征和聽覺中樞表達(dá))、辨識(shí)策略以及兩者在目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用這三個(gè)方面開展了一系列工作,為相關(guān)研究開辟了新思路。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:1.探討了聽覺感知原理與聲目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別的關(guān)系。通過(guò)綜述音色空間建模、聽覺計(jì)算模型和人類目標(biāo)辨識(shí)分類決策過(guò)程的研究進(jìn)展,為聽覺感知原理在水下目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。結(jié)合水下目標(biāo)自身的特點(diǎn),為具體的應(yīng)用方法提出展望。2.對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行多層次地劃分,并逐層次地對(duì)音色差異進(jìn)行研究。針對(duì)如下類別的水下目標(biāo),共設(shè)計(jì)3組成對(duì)比較實(shí)驗(yàn):1)人為目標(biāo)和自然目標(biāo);2)人為目標(biāo)中的潛艇、艦船和巡邏艇;3)不同類型的艦船。利用CLASCAL模型對(duì)不相似度數(shù)據(jù)建模獲得了3個(gè)音色感知空間,其中前兩個(gè)空間的第一個(gè)維度分別區(qū)分了人為目標(biāo)和自然目標(biāo),以及潛艇、艦船和巡邏艇,而不同艦船的差異則需要6維連續(xù)空間表示。最后,基于相關(guān)分析或回歸分析獲得了每個(gè)層次上的分類特征,并進(jìn)行了驗(yàn)證。3.基于Shamma聽覺中樞模型開展了水下噪聲音色建模以及人為目標(biāo)和自然目標(biāo)分類研究。在獲得水下噪聲樣本的聽覺中樞表達(dá)后,分別借助于偏最小二乘回歸和嶺偏最小二乘回歸完成音色建模和目標(biāo)分類。結(jié)果表明,相比于簡(jiǎn)單的音色描述符,聽覺中樞模型表現(xiàn)出更好的音色表達(dá)能力及目標(biāo)辨識(shí)能力。4.對(duì)人類聽者和自動(dòng)分類器在不同目標(biāo)辨識(shí)任務(wù)中的性能和辨識(shí)策略進(jìn)行了對(duì)比研究。首先,設(shè)計(jì)并完成針對(duì)如下目標(biāo)的3組主觀辨識(shí)實(shí)驗(yàn):1)人為目標(biāo)和自然目標(biāo);2)艦船和潛艇;3)三類艦船。然后,分別利用logistic回歸和多元線性回歸量化自動(dòng)分類器和人類聽者的目標(biāo)辨識(shí)過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn),除第一組外,自動(dòng)分類器的性能均優(yōu)于人類聽者,而且性能出色的聽者在辨識(shí)策略上與自動(dòng)分類器相似。自動(dòng)分類器和多個(gè)聽者在第一組實(shí)驗(yàn)具有相似的性能,但它們之間的辨識(shí)策略存在差異,此時(shí)可通過(guò)整合不同聽者和分類器的分類信息,以進(jìn)一步提高目標(biāo)辨識(shí)性能。5.開展了聽覺中樞表達(dá)和音色屬性特征在水下目標(biāo)識(shí)別中噪聲穩(wěn)健性的對(duì)比研究。分類實(shí)驗(yàn)包含9個(gè)常見目標(biāo)類別,并通過(guò)疊加4種不同特性的噪聲進(jìn)行干擾。兩類聽覺感知特征均與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合以獲取更優(yōu)的性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),聽覺中樞表達(dá)相比于音色屬性特征具有更好的分辨力和魯棒性,其原因在于外周階段的自身魯棒性和中樞階段的目標(biāo)/噪聲可分性。6.提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征遷移學(xué)習(xí)方法,能夠從水下目標(biāo)的日常聲“原型”中自動(dòng)學(xué)習(xí)高階特征,并用于水下目標(biāo)分類。結(jié)果發(fā)現(xiàn),這種方法學(xué)習(xí)到的特征相對(duì)于原始特征,性能有顯著提升,而這一優(yōu)勢(shì)在訓(xùn)練樣本集較少時(shí)更為明顯。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U674.7;U666.7

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本文編號(hào)：2746323