航空磁探反潛是通過磁探儀檢測磁異常信號,進行航空反潛的重要手段。針對水下目標的磁異常信號在低信噪比條件下難以檢測的問題,提出使用基于AlexNet遷移學(xué)習(xí)的磁異常信號檢測方法。該方法基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理,通過對水下目標不同態(tài)勢、航空磁探平臺不同飛行路線和速度情況進行仿真,得到大量信號序列,對其加高斯白噪聲,從而模擬磁探平臺測得信號。隨后對其進行短時傅里葉變換得到時頻圖,并利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型AlexNet對時頻圖特征進行遷移學(xué)習(xí)訓(xùn)練,最后利用測試集數(shù)據(jù)對訓(xùn)練后的Alex Net網(wǎng)絡(luò)進行測試,實現(xiàn)對低信噪比條件下水下目標磁異常信號的檢測。仿真結(jié)果表明,在信噪幅度比為-8 dB、虛警率為3%情況下,對磁異常信號的檢測概率達到93%。 

【文章來源】：水下無人系統(tǒng)學(xué)報. 2020,28(02)北大核心

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磁場合成圖Fig.1Compositionofmagneticfield

2020年4月水下無人系統(tǒng)學(xué)報第28卷164JournalofUnmannedUnderseaSystemswww.yljszz.cn222cos12EEEHHHXHH(7)目前航空磁探反潛的探測數(shù)據(jù)是尾端光泵磁力計所測的標量磁場數(shù)據(jù),所以磁偶極子模型下對潛艇磁場的仿真中,將三分量磁場投影到地磁場的坐標系上,得到其磁異常數(shù)值X,表示為EXHi(8)即測得的標量磁異常信號X為潛艇信號H在地磁場HE方向的投影。1.2短時傅里葉變換對磁異常信號的檢測而言,信號出現(xiàn)的時間是隨機的,對采樣信號進行傅里葉變換只能夠得到信號總體的頻域信息,不能準確判定出現(xiàn)信號的時間。對于這種非平穩(wěn)信號,短時傅里葉變換(short-timeFouriertransform,STFT)是一種較為有效的處理方法。STFT通過加窗的方法對信號進行截斷,并對截得信號作傅里葉變換,將窗口平移遍歷過整段信號,得到不同時間窗口下的信號頻譜信息,其表達式為,edjwtfSTFTtwftgtt(9)式中:f(t)為時域信號;g(t-τ)為以τ為中心的窗口。2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型理論2.1卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)20世紀90年代,Cun等[14]確立了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutionalneuralnetwork,CNN)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu),在對其進行完善后,設(shè)計了多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LeNet-5。目前,CNN在語音識別、圖像分類等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。CNN能夠在大量數(shù)據(jù)、圖像中發(fā)現(xiàn)隱藏的特征,從而克服了人工分類、定制數(shù)據(jù)和圖像特征的復(fù)雜性。2.2AlexNet深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1)AlexNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)標準的AlexNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一共有8層,其中包括5個卷積層,3個全連接層。前5

置為(r×cos(a),r×sin(a)),其中r=1500m,a在0～2π之間隨機取值,并使航線經(jīng)過(0,0)處。磁探平臺航速為360km/h,一共采樣30s,即3000個數(shù)據(jù)點。3.2短時傅里葉變換一般來說,水下目標磁異常信號從出現(xiàn)到消失的時間不超過3s,即時間窗口長度為3s,每個時間窗口取300個數(shù)據(jù)點是較為合適的,每次向下一時刻平移0.1s,即每次平移10個數(shù)據(jù)點。為了方便AlexNet網(wǎng)絡(luò)對圖像進行檢測,將圖像的色域進行了歸一化調(diào)整。得到信號時域圖和時頻圖如圖3和圖4所示。圖3無噪聲磁異常信號時域圖Fig.3Noiselessmagneticanomalysignalintimedo-main圖4無噪聲磁異常信號時頻圖Fig.4Time-frequencydiagramofnoiselessmagneticanomalysignal當(dāng)不存在噪聲時,時頻圖像特征明顯,其高亮?xí)r間保持3s左右,頻率在0~0.3Hz,且呈現(xiàn)出“子彈”形狀的高亮圖形。而水下目標(例如潛艇、無人水下航行器)主體是鐵磁性物質(zhì),在2.5倍物體長度以上的空間外,完全可以把磁性物體當(dāng)作磁偶極子處理,滿足一般工程應(yīng)用的需求。航空磁探測平臺從目標上方飛過,對平臺航線處的磁場進行采樣。圖5為低SNR下磁異常信號的時域圖,圖6為該信號的時頻圖,通過對圖6分析可知,在極低SNR情況下,信號完全淹沒在噪聲之中,從時域上來看,完全無法以肉眼尋找到信號;從時頻圖上來看,在信號出現(xiàn)的10.5s處,子彈狀圖形特征極為不明顯,且能量強度低于在13s附近出現(xiàn)的干擾。圖5SNR=–8dB時磁異常信號時域圖Fig.5MagneticanomalysignalintimedomainwhenSNR=-8dB

【參考文獻】：
期刊論文
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