DE60211387T2 - Klassifizieren von meeresboden rauhigkeit mit som und lvq - Google Patents

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Vijay Dona Paula KODAGALI
Jennifer Dona Paula BARACHO
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Description

  • TECHNISCHES SACHGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Klassifizieren der Rauigkeit des Meeresbodens unter Verwendung eines Hybrid-Layouts eines künstlichen, neuralen Netzwerks (Artificial Neural Network – ANN) anhand von unverarbeiteten, Mehrstrahl-Backscatter-Daten. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System für eine Online-Klassifizierung der Rauigkeit eines Meeresbodens anhand von unverarbeiteten Mehrstrahl-Winkel-Backscatter-Daten unter Verwenden eines nicht überwachten Lernens, wie ein Vorprozessor, und eines überwachten Lernens, wie der Schlussfolgerungs-Block, für eine verbesserte Klassifizierung, was zu einem hoch effizienten, neuralen Hybrid-Netzwerk-Layout führt, um einen nicht klassifizierten Datensatz zu klassifizieren.
  • HINTERGRUND
  • Zuvor bekannte, neurale Klassifizierer zum Klassifizieren des Meeresbodens [Z. Michalopoulou, D. Alexandrou, und C. de Moustier, „Application of Neural and Statistical Classifiers to the Problem of Seaflor Characterization", IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 20, Seiten 190–197 (1994)] beschreibt ein Netzwerk mit selbstorganisierender Liste (SOM), das auf einen Mehrstrahl-Backscatter-Datensatz angewandt wird. Der Nachteil dieses Systems ist derjenige, dass es nur verarbeitete Daten verwenden kann. Ein anderer Nachteil ist seine Ungeeignetheit für eine Online-Anwendung.
  • Ein alternatives System [B. Chakraborty, R. Kaustubha, A. Hedge, A. Pereira, „Acoustic Seafloor Sediment Classifiation Using Self Organizing Feature Maps", IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing, Vol. 39, No. 12, Seiten 2722–2725 (2001)] beschreibt ein SOM-Netzwerk, bei dem ein Einzelstrahl-Datensatz für die Klassifizierung des Meeresbodens verwendet wird, und dieses System ist besser für eine Online-Benutzung geeignet. Allerdings ist eine Einschränkung dieses Systems diejenige, dass es eine Vorverarbeitung des Zeitfolge-Datensatzes vor einer Klassifizierung erfordert.
  • In der US Patentanmeldung No. 09/814,104 haben die Anmelder ein System beschrieben, das bei der Klassifizierung des Meeresbodens eingesetzt wird. Dieses System, das in dieser Anmeldung beschrieben ist, schätzt die akustische Rückstreustärke des Meeresbodens mit der quadratisch gemittelten (root-mean-square – r.m.s) Echospannung der Signaldauer für jeden Strahl ab. Für dieses System werden Mehrstrahl-Winkel-Backscatter-(Rückstreu)-Daten von den verschiedenen Bereichen des Meeresbodens um den Indischen Ozean herum unter Verwendung eines Mehrfach-Strahlakustik-Systems (Hydrosweep), installiert an Bord des Ocean Research Vessel Sagar Kanya, erhalten. Ein Nachteil des vorstehend angegebenen Systems ist derjenige, dass es ein großes Zeit-Overhead erfordert, um die groben Daten für eine sich auf einen Bereich beziehende Verstärkung einer Meeresboden-Neigung-Korrektur und eine Insonification-Tiefen-Normierung zu korrigieren.
  • Ein noch anderes System [B. Chakraborty, H.W. Schenke, V. Kodagali, und R. Hagen, „Seabottom Characterization Using Multi-beam Echo-sounder: An Application of the Composite Roughness Theory", IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing, Vol. 38, Seiten 2419–2422 (2000)] beschreibt ein System für eine Klassifizierung des Meeresbodens, wobei beobachtet worden ist, dass die Parameter für die Rauigkeit des Meeresbodens (power-law parameters) die idealen Parameter für die Klassifizierung sind. Der Nachteil dieses Systems ist, dass die Klassifizierung des Meeresbodens nur nach Ausführen einer physikalischen Modelldarstellung der zusammengesetzten Rauigkeitsparameter ausgeführt werden kann.
  • AUFGABEN DER ERFINDUNG
  • Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges System für die Klassifizierung des Meeresbodens unter Verwendung eines Hybrid-Layouts eines künstlichen, neuralen Netzwerks (Artificial Neural Network – ANN) unter Verwendung der unverarbeiteten Mehrstrahl-Backscatter-Daten zu schaffen.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System für eine Online-(d.h. Realzeit)-Klassifizierung des Meeresbodens unter Verwendung von Backscatter-Daten nach einem Training des selbst-organisierten, auflistenden (self-organized mapping – SOM) Netzwerks und des lernenden Vektor-Quantisierungs-(learning vector quantization – LVQ)-Netzwerks zu schaffen.
  • Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zu schaffen, das ein Hybrid-Netzwerk unter Verwendung von einem nicht überwachten SOM als der erste Block für eine grobe Klassifizierung der Backscatter-Daten des Meeresbodens und einer überwachten LVQ für eine stark verbesserte Funktionsweise bei dieser Klassifizierung einsetzt.
  • Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zu schaffen, das eine Kombination der zwei Variationen des LVQ-Layouts einsetzt, um zusammen so zu arbeiten, um die besten Klassifizierungsergebnisse zu erhalten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Klassifizieren der Rauigkeit des Meeresbodens unter Verwendung eines Hybrid-Layouts eines künstlichen, neuralen Netzwerks (ANN) aus unverarbeiteten Mehrstrahl-Backscatter-Daten. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System für die Online-Klassifizierung der Rauigkeit des Meeresbodens aus unverarbeiteten Mehrstrahl-Winkel-Backscatter-Daten unter Verwendung eines nicht überwachten Lernens als ein Vorprozessor und eines überwachten Lernens als der Schlussfolgerungs-Block für eine verbesserte Klassifizierung, was zu einem hoch effizienten Layout eines neuralen Hybrid-Netzwerks führt, um einen nicht klassifizierten Datensatz zu klassifizieren.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein System zum Klassifizieren der Rauigkeit des Meeresbodens unter Verwendung eines Hybrid-Layouts eines künstlichen, neuralen Netzwerks (Artifical Neural Network – ANN) aus unverarbeiteten Mehrstrahl-Backscatter-Daten, wobei das System eine Einrichtung zum Erzeugen von unverarbeiteten, quadratisch gemittelten (r.m.s.) Mehrstrahl-Backscatter-Daten, verbunden mit dem Eingang eines Vorprozessors (20) mit selbst-organisierender Liste (self-organizing map – SOM), wobei der SOM-Vorprozessor über eine oder mehrere Learning-Vector-Quantization-(LVQ)-Variante(n) (21 und 23) mit einem Speicher/Anzeigemodul (22) verbunden ist, aufweist.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Mittel zum Erzeugen von unverarbeiteten, quadratisch gemittelten Mehrstrahl-Backscatter-Daten eine Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung, montiert unterhalb eines Schiffsrumpfs und verbunden mit einem Abschätzungsmodul für den quadratischen Mittelwert über ein Strahlformermodul, auf.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung ein lineares Feld aus Wandlern, verbunden mit einem Roll- Pitch-Heave-Sensor (Schlinger-Stampf-Hebe-Sensor) über Kabelverbindungskästen, und ein Feld aus Sende-Empfangs-Systemen auf.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung zwei identische Felder aus akustischen Wandlern, befestigt unter rechten Winkeln zueinander, auf.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jedes Feld des akustischen Wandlers eine Kombination aus mehreren Unterfeldern und jedes Unterfeld besteht aus einer Vielzahl von Elementen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet jedes Element einen Satz von Kanälen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Felder entweder für ein Senden oder für ein Empfangen von Signalen verwendet werden.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung mit dem Strahlformermodul über einen Vorverstärker und eine zeitvariierende Verstärkungseinstellungsschaltung verbunden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Strahlformung unter Verwendung von geeigneten Verzögerungen vorgenommen.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Strahlformermodul mit dem Abschätzungsmodul für den quadratischen Mittelwert über einen Digital-Analog-Wandler, ein Filter und einen Analog-Digital-Wandler verbunden.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Anzeigeeinrichtung optional mit dem Analog-Digital-Wandler verbunden.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzeigeeinrichtung mit dem Analog-Digital-Wandler über ein Bottom-Tracking-Gate (Boden-Führungs-Öffnung) verbunden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Ausgangsmuster des Abschätzungsmoduls für den quadratischen Mittelwert die Einhüllende einer Signalamplitude für den quadratischen Mittelwert gegenüber einer Strahl-Zahl in einer Kursversatz-Richtung.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Prozessor mit selbst-organisierender Liste (SOM) die Meeresbodendaten in verschiedene Rauigkeits-Typen klassifizieren und sie als Cluster zusammenfügen.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Rauigkeitsparameter basierend auf einem Kursversatz-Winkel-Mehrstrahl-Signal-Backscatter-Form-Parameter des Schiffs unterschieden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt jedes Cluster; das gebildet ist, ein eindeutiges Muster der Eingabedaten dar.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl von Clustern, die so gebildet ist, gleich zu der Anzahl von unterschiedlichen Mustern eines empfangenen Meeresboden-Datensatzes.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Cluster mit dem eigenen, nicht überwachten Lernmerkmal des SOM-Vorprozessors gebildet.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Cluster ohne irgendeine vorherige Kenntnis der Anzahl der unterschiedlichen Typen von Eingabemustern gebildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beseitigt die Learning-Vector-Quantization-(LVQ)-Variante die Unvollkommenheit bei der Klassifizierung, die aus dem Prozess einer nicht überwachten Klassifikation, vorgenommen durch einen SOM-Prozessor, entsteht.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Verbesserungen der Meeresboden-Klassifikation durch ein überwachtes Lernen erreicht.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das überwachte Lernen in Bezug auf die LVQ durch eine Interpretation einer Person, basierend auf dem Grund-Wahrheits-Datensatz, vorgenommen.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung setzt das System eine LVQ ein, ausgelegt so, um eine Fehlklassifikation an dem zentralen Bereich der Gewichtungs-Verteilung jedes Clusters, oder eine LVQ, ausgelegt so, um die überlappenden Enden der Gewichtungs-Verteilung von angrenzenden Clustern, oder eine Kombination beider, zu unterscheiden, zu vermeiden.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert die LVQ, ausgelegt so, um eine Fehlklassifikation an dem zentralen Bereich zu vermeiden, auf einem „reward-punishment" Kriterium.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bewegt die LVQ den Gewichtungsvektor von der Eingabe, wenn er falsch repräsentiert ist, und der Gewichtungsvektor wird so gestaltet, um die Eingabe enger anzupassen, wenn er korrekt dargestellt ist.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung setzt die LVQ, ausgelegt so, um das Überlappen der Enden zu unterscheiden, die Technik einer Umverteilung der Gewichtungen des überlappenden Bereichs der benachbarten Cluster zu den jeweiligen Haupt-Clustern ein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung macht eine Interpretation einer Person von den Ergebnissen, angezeigt auf der Anzeigevorrichtung, Gebrauch, um weitere Beurteilungen über die Qualität der Klassifikation vorzunehmen.
  • Die vorliegende Erfindung schafft vorzugsweise ein neuartiges System für die Klassifizierung eines Meeresbodens unter Verwendung eines Hybrid-Layout eines künstlichen, neuralen Netzwerks (ANN) aus unverarbeiteten Mehrfach-Backscatter-Daten, das ein künstliches, neurales Netzwerksystem aufweist, das aus einem Prozessor [20] mit selbstorganisierender Liste (SOM), lernenden Vektor-Quantisierungs-Varianten LVQ1 [21] und LVQ2 [23] und dem Speicher-Anzeige-Modul [22] besteht, wobei der Eingang des SOM-Netzwerks [20] von einem Ausgang eines Abschätzungsmoduls [19] für den quadratischen Mittelwert abgeleitet ist, das seinen Eingang von einem A/D-Wandler [19] empfängt, der wiederum seinen Eingang von einem Strahlformer [13], verbunden mit zwei identischen, senkrecht orientierten Feldern [7] und [8] einer Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung der 3, erhält, mit dem Signal, nachdem es zu einem analogen Format gestaltet und unter der Verwendung einer geeigneten, elektronischen Hardware-Schaltung [14] und [15] jeweils gefiltert ist; wobei das SOM-Netzwerk [20] die unverarbeiteten Mehrstrahl-Backscatter-Daten des quadratischen Mittelwerts (r.m.s.), abgeleitet von den unterschiedlichen, vorgeformten Strahlen, empfängt und die Meeresbodendaten in verschiedene Rauigkeits-Typen klassifiziert, die, basierend auf dem Kursversatz-Winkel-Mehrstrahl-Signal-Backscatter-Form-Parameter des Schiffs, unterschieden werden, wobei ein eindeutiger Cluster gebildet wird, um ein spezifisches Muster der Eingangsdaten darzustellen; wobei die Anzahl von Clustern, die so gebildet ist, gleich zu der Anzahl von unterschiedlichen Mustern des empfangenen Meeresboden-Datensatzes ist; wobei die Cluster ohne irgendeine vorherige Kenntnis der Anzahl von unterschiedlichen Typen von Eingangsmustern gebildet worden sind; wobei die Cluster des Datensatzes darauffolgend zu der LVQ1 [21] eingegeben werden; wobei die Nichtperfektion in der Klassifizierung von dem Prozess ei nes nicht überwachten Lernens ohne irgendeine Hintergrundkenntnis entsteht, die teilweise durch das LVQ1-Netzwerk [21], wie in 5, beseitigt wird; wobei die Verbesserung in der Meeresboden-Klassifikation durch ein überwachtes Lernen, basierend auf der Rückführung, bereitgestellt zu dem LVQ1-Netzwerk [21], durch die Interpretation einer Person, basierend auf dem Grund-Wahrheits-Datensatz unter Verwendung eines geeigneten Gewichtungs-Aktualisierungs-Kriteriums, erreichbar ist, wobei ein korrekt darstellender Gewichtungsvektor so gestaltet worden ist, um den Eingang stärker anzupassen, während ein schlecht darstellender Gewichtungsvektor von dem Eingang weg bewegt worden ist, um so eine Fehlklassifikation an dem zentralen Bereich der Gewichtungs-Verteilung jedes Clusters zu vermeiden; wobei die Ausgänge des LVQ1 [21] darauffolgend zu dem Speicher- und Anzeigemodul [22] eingegeben werden, wobei die Ergebnisse dadurch angezeigt werden, die den Nutzen für eine Interpretation durch eine Person haben, um so vorgenommen zu werden, um die Qualität der Klassifikation zu erhöhen; wobei das System der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit hat, ein alternierendes Hybrid-Layout einzusetzen, wobei das LVQ1-[21]-Modul durch ein anderes, überwachbares Modul LVQ2 [23], wie in 6, ersetzt werden könnte, das die alternierende Funktion eines Unterscheidens der überlappenden Enden der Gewichtungs-Verteilung von benachbarten Clustern durchführt, um eine Meeresboden-Klassifikation mit einem minimalen Fehler durchzuführen; wobei das System eine zusätzliche Fähigkeit hat, ein verbessertes Hybrid-Layout einzusetzen, wobei das Layout den Vorteil einer Ausführung einer Meeresboden-Klassifikation, basierend auf den unterschiedlichen Fähigkeiten der LVQ1 [21] und der LVQ2 [23], wie in 7, besitzt, um dadurch die beste, mögliche Klassifikation bereitzustellen, unter Berücksichtigung der zentralen ebenso wie der Endbereiche der Gewichtungs-Verteilungen in dem Vorgang einer Klassifikation.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Layout des neuralen Netzwerks ein modell-unabhängiges System, das die Fähigkeit bereitstellen würde, die unverarbeiteten Backscatter-Daten von dem Meeresboden für den Zweck einer Klassifikation zu verwenden.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Online-Meeresboden-Klassifikation auf die Trainingsphase des Netzwerks hin möglich, um dadurch ein kosteneffektives System bereitzustellen, das die Fähigkeit besitzt, das Erfordernis einer Vorverarbeitung der groben Daten zu umgehen.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine eindimensionale (d.h. Balkenausdruck) Präsentation einer Vielzahl von selbstorganisierenden Clustern eines unverarbeiteten (d.h. rohen) Eingangsdatensatzes und einer darauffolgenden Klassifikation für die Interpretation einer Person für eine weitere Beurteilung der Qualität einer Klassifikation und eine zusätzliche Fähigkeit einer Visualisierung der empfangen Eingangsvektoren in einer Realzeit, bereitgestellt.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Fähigkeiten auf die verarbeiteten Backscatter-Daten ebenso erweiterbar.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das System dazu geeignet, in einer Realzeit Kursversatz-Mehrstrahl-Winkel-Backscatter-Daten, aufgenommen von einem Echolot, installiert außenbords des Schiffs/AUV, zu einer entfernten Datenbank umzuleiten.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Umleitung durch eine Darstellung eines umfangreichen Datensatzes durch ein paar Cluster-Einheiten, wie sie in dem System-Layout auf einer Basis Ping für Ping gebildet ist, ausgeführt.
  • NEUHEIT UND ERFINDERISCHE TÄTIGKEIT
  • Die Neuheit und die erfinderische Tätigkeit der vorliegenden Erfindung liegen in einem genialen System zum Klassifizieren des Meeresbodens unter Verwendung eines Hybrid-Layouts eines künstlichen, neuralen Netzwerks (ANN) unter der Verwendung von unverarbeiteten Mehrfachstrahl-Backscatter-Daten, um dadurch das Erfordernis nach der herkömmlichen, arbeitsintensiven und zeitaufwändigen Vorverarbeitungsaufgabe zu umgehen, die ansonsten erforderlich gewesen wäre. Das System der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Online-(d.h. Realzeit)-Klassifizierung des Meeresbodens unter Verwendung von Backscatter-Daten nach einem Training des selbst-organisierten, auflistenden (self-organized mapping – SOM) Netzwerks und des lernenden Vektor-Quantisierungs-(learning vector quantization – LVQ)-Netzwerks. Weiterhin besitzt das System der vorliegenden Erfindung die einzigartige Fähigkeit der kombinierten Anwendung der nicht überwachten SOM, gefolgt durch eine überwachte LVQ, um eine stark verbesserte Funktionsweise in der Klassifizierung zu erreichen, die zuvor nicht existent war. Das System der vorliegenden Erfindung besitzt die zusätzliche Fähigkeit, eine Kombination aus zwei Va riationen des LVQ-Layouts zu verwenden, um so zusammen zu arbeiten, um die besten Ergebnisse bei der Klassifizierung des Meeresbodens zu erreichen.
  • Das neuartige System zum Klassifizieren des Meeresbodens unter Verwendung des Hybrid-Layouts eines künstlichen, neuralen Netzwerks (ANN) liefert das Folgende:
    • 1. Die Fähigkeit, unverarbeitete Mehrfachstrahl-Backscatter-Daten zu verwenden, um dadurch das Erfordernis der herkömmlichen, arbeitsintensiven und zeitaufwändigen Vorverarbeitungsaufgabe zu umgehen, die ansonsten erforderlich gewesen wäre.
    • 2. Die Fähigkeit für eine Online-(d.h. Realzeit)-Meeresboden-Klassifizierung nach einem Training des selbst-organisierten, auflistenden (SOM)-Netzwerks und des lernenden Vektor-Quantisierungs-(LVQ)-Netzwerks unter Verwendung eines großen Zeitserien-Datensatzes ohne das Vorhandensein von Hintergrundinformationen.
    • 3. Die einzigartige Fähigkeit der kombinierten Benutzung einer nicht überwachten SOM gefolgt durch eine überwachte LVQ, um eine stark verbesserte Funktionsweise bei der Klassifizierung des Meeresbodens zu erreichen, die zuvor nicht vorhanden war.
    • 4. Die Mittel für die Verwendung einer Kombination der zwei Varianten des LVQ-Layouts, nämlich LVQ1 (das eine Fehlklassifizierung minimiert) und LVQ2 (das überlappende Gewichtungen von benachbarten Clustern einstellt), um zusammen so zu arbeiten, um die besten Ergebnisse zum Klassifizieren des Meeresbodens zu erreichen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
  • In den Zeichnungen, die diese Beschreibung begleiten:
  • 1 stellt die Schematik eines Einzelstrahl-Echolots dar, das herkömmlich für die Kartografierung des Meeresbodens verwendet wird.
  • 2 stellt die Schematik eines Mehrfachstrahl-Echolots dar, das zum Auflisten des Meeresbodens über einen größeren Bereich unter der Verwendung eines Felds aus akustischen Strahlen verwendet wird.
  • 3 zeigt die Geometrie an, die in dem Mehrfachstahl-Echogerät zum Sammeln akustischer Backscatter-Daten von dem Meeresboden verwendet wird.
  • 4. stellt eine schematische Blockansicht der Signalverarbeitungs-Hardware dar, die für eine Strahlformung der zurückgestreuten Signaldatenfolge verwendet ist.
  • 5 stellt das schematische Blockdiagramm eines Hybrid-ANN-Layouts unter Verwendung eines SOM als Vorprozessor und der LVQ1 für eine verbesserte Klassifizierung dar.
  • 6 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines alternativen Hybrid-ANN-Layouts, das ein SOM-Netzwerk, gefolgt durch LVQ2 für eine Feinabstimmung der Cluster-Grenzen, verwendet.
  • 7 stellt das schematische Blockdiagramm des optimalen Hybrid-Netz-Layouts einer SOM, einer LVQ1 und einer LVQ2 dar, um die besten Ergebnisse der Klassifizierung des Meeresbodens zu erreichen.
  • 8 stellt das Clustern der nicht verarbeiteten Datenvektoren dar, die dem SOM-Netzwerk präsentiert werden, um verbesserte Klassifizierungsergebnisse unter Verwendung der Merkmale eines überwachten Lernens von LVQ1 und LVQ2, beide unabhängig voneinander und kombiniert, zu erreichen.
  • 9 stellt die Tabelle der Ergebnisse einer Klassifizierung des Meeresbodens, basierend auf SOM, LVQ1 und LVQ2 Layouts, dar.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung in einer deutlicheren Art und Weise gezeigt sind, und deshalb nicht dahingehend ausgelegt werden sollten, den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 stellt die Schematik eines Einzelstrahl-Echolots dar, bei dem ein akustischer Wandler [1], montiert unterhalb eines Untersuchungsschiffs [2], akustische Impulse zu dem Meeresboden in einer Richtung senkrecht zu dem Meeresspiegel sendet und das Echo empfängt, das von dem Meeresboden zurückgestreut ist. Das Schiff bewegt sich entlang eines gegebenen, vorgeplanten Wegs, wobei eine Folge von aufeinanderfolgenden Echos, die von aufeinanderfolgenden Segmenten auf dem Meeresboden zurückgestreut sind, durch eine sich an Bord befindliche Empfänger-Hardware empfangen wird und in deren Datenspeichermodul als ein Zeitfolge-Datensatz aufgezeichnet wird. Ein Nachteil dieses Einzelstrahl-Echolots ist derjenige, dass der Überdeckungsbereich des Meeresbodens, der auf diese Art und Weise erreichbar ist, auf den Abdruck bzw. die Auftrefffläche (footprint) eines einzelnen, akustischen Strahls, der auf den Meeresboden auftrifft, begrenzt ist.
  • 2 stellt die Schematik eines Mehrfachstrahl-Echolots [3] dar, das für eine gleichzeitige Kartografierung des Meeresbodens über große Bereiche verwendet wird. In dieser Geometrie sind die Wandler in einer solchen Art und Weise beabstandet, dass eine überlappende Meeresbodenüberdeckung erhalten wird. Das gebläsestrahlartige, akustische System besteht aus einem linearem Feld aus Wandlern, die unterhalb des Schiffsrumpfs [4] montiert sind. Dieses lüfterstrahl-ähnliche Echolotsystem besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptuntersystemen, nämlich einem akustischen Untersystem [5] und einem Datenverarbeitungsuntersystem [6]. Das akustische Untersystem weist ein lineares Feld aus Wandlern, die unter einer bestimmten, geeigneten, winkelmäßigen Trennung installiert sind, Kabelverbindungskästen, ein Feld aus Sende-Empfangs-Systemen für das jeweilige Wandlerfeld und gewöhnlich einen Schlinger-Stampf-Hebe-Sensor für eine Eingabe zu dem Online-Verarbeitungssystem auf. Das Datenverarbeitungs-Steuersystem setzt einen Schiffscomputer, Datenspeichervorrichtungen, usw. ein. Das Mehrfachstrahl-Echolot ist eine Vorrichtung, die eine Kartografierung des Seebetts mit höherer Auflösung liefert. Dieses System ist dazu geeignet, eine größere Überdeckung zu erreichen, ebenso wie eine Karte mit hoher Präzision zu erzeugen. Die Verwendung des Mehrfachstrahl-Echolot-Systems führt zu der Erzeugung von Meeresboden-Profilen, die zu einer einzelnen, zentralen Spur korreliert sind, und ermöglicht eine zuverlässigere Korrelation von sich schneidenden Spuren.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der Strahl-Konfiguration des Mehrfachstrahl-Echolots, verwendet als Teil des neuartigen Systems der vorliegenden Erfindung, für eine Klassifizierung des Meeresbodens unter Verwendung eines Hybrid-Layouts eines künstlichen, neuralen Netzwerks (ANN) unter Verwendung von unverarbeiteten Mehrfachstrahl-Backscatter-Daten, das in erster Linie aus zwei identischen Feldern [7] und [8] akustischer Wandler, montiert unter rechten Winkeln zueinander, besteht. Jedes Feld ist eine Kombination aus mehreren Unterfeldern [7.1], ... [7.n] und [8.1], ... [8.n], jeweils, wobei jedes aus einer Vielzahl von Elementen besteht. Diese Elemente bilden einen Satz von Kanälen [9.1], [9.2], ... [9.n], wobei jeder Kanal aus einer Gruppe von Elementen in Serie besteht. Ähnlich sind, für ein anderes Gegenstück-Wandler-Feld, die Empfangskanäle [10.1], [10.2], ... [10.n]. Da beide Felder identisch sind, können sie für entweder ein Senden oder ein Empfang verwendet werden. In dem Empfangsmodus werden Signale von unterschiedlichen Kanälen vorverstärkt, für eine Dämpfung korrigiert und danach wird eine Strahlform unter Verwendung von geeigneten Verzögerungen durchgeführt. Insgesamt ist eine festgelegte Anzahl von vorgeformten Stahlen (p.f.b) innerhalb eines Streifens von 90° gebildet. Die Strahlen sind gleichmäßig beabstandet (~1,5°), wobei die durchschnittlichen Strahlbreiten von 1,5° bis 2,3° für Tiefseeuntersuchungen variieren. Die Strahlbreite mit halber Leistung wird ungefähr das Doppelte, wenn das System in einem Modus für flaches Wasser betrieben wird. Die strahlgeformten Ausgänge werden an dem Boden-Echo-Modul abgegriffen, um die Tiefe entsprechend zu den Strahlen von unterschiedlichen Richtungen abzuschätzen. Um eine gleichförmige Insonifikation über einen Streifen von 90° zu erreichen, ist das System so ausgelegt, um in einem Streifenmode (Swath mode) zu arbeiten.
  • 4 zeigt eine schematische Blockdarstellung der Signalverarbeitungs-Hardware, die für eine Stahlformung der zurückgestreuten Signalfolge verwendet ist, die in erster Linie aus einem Vorverstärker [11], einer zeitvariierenden Verstärkungseinstellungsschaltung [12], einem Strahlformer [13], einem Digital-Analog-Wandler [14], einem Filter [15], einem Analog-Digital-(A/D)-Wandler [16], einem Boden-Tracking-Gate (Boden-Führungs-Öffnung) [17], einer Anzeige [18] besteht. Die digitalen Daten, die für eine Klassifizierung des Meeresbodens verwendet werden, werden von dem Ausgangskanal des A/D-Wandlers [16] abgeleitet. Dieses Signal wird zu einem r.m.s-Abschätzungs-Modul [19] eingegeben, dessen Ausgänge als die Eingangsvektoren für eine weitere Verarbeitung verwendet werden.
  • 5 stellt das schematische Blockdiagramm des Hybrid-ANN-Layouts, verwendet in dem System der vorliegenden Erfindung, dar. Dieses Layout besteht aus einem selbstorganisierenden Karten-SOM-Netzwerk [20], einer lernenden Vektor-Quantisierungs-Varianten 1 (LVQ1) [21] und dem Speicher/Anzeigemodul [22]. Der Eingang zu dem SOM-Netzwerk [20] wird von dem Ausgang des r.m.s. Abschätzungsmoduls [19] abgeleitet. In dem System der vorliegenden Erfindung empfängt das SOM-Netzwerk [20] die unverarbeiteten Mehrfachstrahl-Backscatter-r.m.s.-Daten (dessen Muster die einhüllende r.m.s.-Signalamplitude gegenüber der Strahl-Zahl in der Quer-Spur-Richtung ist), erhalten von den unterschiedlichen, vorgeformten Strahlen, und klassifiziert die Meeresboden- Daten in verschiedene Rauigkeits-Typen. Die unterschiedlichen Rauigkeits-Typen werden basierend auf dem Fahrspur-Winkel-Mehrstrahl-Signal-Backscatter-Form-Parameter des Schiffs unterschieden. Jedes Cluster, das so gebildet ist, stellt ein eindeutiges Muster der Eingangsdaten dar. Dementsprechend ist die Anzahl von Clustern, die gebildet ist, gleich zu der Zahl von sich unterscheidenden Mustern des empfangenen Meeresboden-Datensatzes. Diese Cluster werden mit dem eigenen, nicht überwachten Lernmerkmal des SOM-Netzwerks ohne irgendeine vorherige Kenntnis der Anzahl der unterschiedlichen Typen von Eingangsmustern gebildet. Die Cluster des Datensatzes, die durch das SOM [20] gebildet sind, werden zu dem LVQ1 [21] eingegeben. Die nicht perfekte Klassifikation, die dem SOM-Netzwerk [20] aufgrund der Art des nicht überwachten Lernens, ohne irgendeine Hintergrundkenntnis (der Eingangs-Daten-Typen) eigen ist, wird teilweise durch das LVQ1-Netzwerk [21] beseitigt. Diese Verbesserung in der Klassifizierung des Meeresbodens ergibt sich aus dem überwachten Lernen, basierend auf der Rückführung, die zu dem LVQ1-Netzwerk [21] durch den Interpretierer in Form einer Person geliefert wird, unter Beurteilung von dem Boden-Wahrheits-Datensatz. Die Verbesserung basiert auf dem „reward-punishment"-Kriterium, bei dem ein korrekt darstellender Gewichtungsvektor erstellt wird, um den Eingang- besser anzupassen, während ein falsch darstellender Gewichtungsvektor von dem Eingang weg bewegt wird, so dass er eine Fehlklassifikation in zukünftigen Vergleichen vermeiden wird. Das LVQ1 [21] arbeitet effizienter an dem zentralen Bereich der Gewichtungsverteilung jedes Clusters, gebildet in dem SOM [20], als der Endbereich der Verteilung, und zwar aufgrund der Unfähigkeit der LVQ1 [21], um die überlappenden Enden benachbarter Cluster zu unterscheiden. Die Ausgänge der LVQ1 [21] werden darauffolgend zu dem Speicher- und Anzeige-Modul [22] eingegeben, wo ein Interpretierer in Form einer Person von den Ergebnissen Gebrauch machen kann, die dazu angezeigt werden, weitere Beurteilungen über die Qualität einer Klassifizierung vorzunehmen.
  • 6 stellt das schematische Blockdiagramm eines alternativen Hybrid-ANN-Layouts dar, das in dem System der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Layout, das in 5 dargestellt ist, verwendet wird. Dieses Layout ist ähnlich zu demjenigen, das in 5 angegeben ist, wobei der einzige Unterschied derjenige ist, dass, während die LVQ1 [21] eine Fehlklassifikation in einem größeren Umfang an dem zentralen Bereich der Gewichtungsverteilung jedes Clusters, gebildet in dem SOM [20], als an dem hinteren Bereich der Verteilung vermeidet, sich das LVQ2 Netzwerk auf ein Minimieren der Fehlklassifizierung (die in SOM entsteht) als eine Folge der Fähigkeit konzentriert, die überlappenden Enden der Gewichtungsverteilung benachbarter Cluster zu unterscheiden. Der LVQ2 [23] setzt eine Technik zum Umverteilen der Gewichtungen der überlappenden Bereiche der benachbarten Cluster zu den jeweiligen Parent-Clustern ein. Die Ausgänge der LVQ2 [23] werden darauffolgend zu dem Speicher- und Anzeigemodul [22] eingegeben, wo die Ergebnisse angezeigt und gespeichert werden, um einem Interpretierer in Form einer Person zu ermöglichen, weitere Beurteilungen über die Qualität der Klassifizierung vorzunehmen.
  • 7 stellt das schematische Blockdiagramm eines verbesserten Hybrid-ANN-Layouts dar, das in dem System der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Layout, das in den 5 und 6 dargestellt ist, verwendet ist. Dieses Layout besitzt den Vorteil einer Ausführung einer Klassifizierung des Meeresbodens basierend auf den unterschiedlichen Fähigkeiten von LVQ1 [21] und LVQ2 [23], um dadurch die bestmögliche Klassifizierung zu erzielen, unter Berücksichtigung des zentralen ebenso wie des hinteren Bereichs der Gewichtungsverteilungen in dem Vorgang der Klassifizierung.
  • 8 stellt die Clusterbildung der Vektoren der nicht verarbeiteten Daten, die zu dem vorstehend angegebenen SOM-Netzwerk [20] geführt werden, und die Merkmale eines überwachten Lernens von LVQ1 [21] und LVQ2 [23], beide unabhängig und kombiniert miteinander, dar. In dieser Darstellung sind zwei Gewichtungsvektoren, angeordnet auf jeder Seite der Grenze (dargestellt als eine dicke, vertikale Linie), so angegeben worden, dass sie innerhalb des überlappenden Bereichs benachbarter Cluster liegen. In der Darstellung der 8 stellen die Segmente [24.1], [24.2] und [24.3] drei aufeinanderfolgende Gewichtungs-Verteilungs-Muster [24] dar, die durch die nicht überwachte SOM [20] gebildet sind, wobei die Symbole (•), (|) und (/) drei unterschiedliche Klassen von Parametern der Rauigkeit des Meeresbodens anzeigen. Als ein repräsentatives Beispiel zeigt das Gewichtungs-Verteilungs-Muster [25] an dem Ausgang der LVQ1 [21] der überwachten Architektur deutlich das Entfernen der zentralen, fehlklassifizierten Bereiche (•) von [24.1] und [24.2], und deren Weiterentwicklung in das Parent-Cluster, dargestellt durch das Segment [24.3], an, um dadurch eine bessere Umverteilung in Segmenten [25.1], [25.2] und [25.3] des vollen Gewichtungs-Verteilungs-Musters [25] zu erzielen. Das Gewichtungs-Verteilungs-Muster [26] stellt die Effektivität der LVQ2 [23] des überwachten Layouts dar, wobei die Segmente [26.1], [26.2] und [26.3] das Entfernen des Vektors (/) der fehlklassifizierten Daten von den hinteren Bereichen von [24.1] und [24.3] des SOM-Ausgangs [24] und deren Weiterentwicklung zu deren Parent-Segment [24.2] anzeigen, wie dies in [26] angezeigt ist, während der Klassifizierungsfehler in den zentralen Bereichen des Gewichtungs-Verteilungs-Musters in [26.1], angezeigt durch (•), ignoriert wird. Das Gewichtungs-Verteilungs-Muster [27] stellt die Effektivität einer Klassifizierung mit der kombinierten Benutzung von LVQ1 [21] und LVQ2 [23] dar, wobei die Fehlklassifizierungen, die sowohl in dem zentralen als auch in dem hinteren Bereich von [24] gefunden sind, so korrigiert werden, um ein vollständig korrigiertes Gewichtungs-Verteilungs-Muster [27] zu erhalten.
  • 9 stellt eine Tabelle von Rauigkeits-Parametern und Klassifizierungs-Ergebnissen (in Prozentsätzen) für drei Bereiche eines Meeresbodens, geprüft unter Verwendung von LVQ1, LVQ2, und eine Kombination von beiden der vorstehend überwachten Layouts, unter Verwendung von SOM als den Vorprozessor in jedem Fall, dar.
  • Allgemein sind in dem Hydrosweep Mehrstrahl-Echolot-System die zwei äußeren Strahlwerte an der Backbordseite und der Steuerbordseite fehlerhaft und werden vernachlässigt. Demzufolge wird der originale Strahleingangsvektor von 59 ein Feld aus 55 Strahlwerten von einem Winkel –45° zu +45°. In dieser Ausführungsform wird jeder der 55 Strahlwerte für 5 Eingangsvektoren zu einem Zeitpunkt für eine Glättung des Eingangsvektors gemittelt. Durch Verringern von Variationen in den Eingangsmustern von demselben Meeresbodenbereich kann man eine gering verbesserte Klassifizierungs-Funktionsweise, wenngleich auf Kosten der Berechnungszeit, erhalten.
  • Der Vorprozessor-Block verwendet ein nicht überwachtes Lernen, um eine selbst organisierte Kartografierung von 100 Eingangsvektoren von verschiedenen Meeresböden zu bilden. Die Eingangsdatenvektoren werden von der Dezibel-Skala zu deren natürlichen Werten umgewandelt. Jeder Vektor wird dann normiert, um den Bereich der Gewichtungen anzupassen. Die Daten sind noch in dem Sinne unverarbeitet, dass kein Vorverarbeitungsalgorithmus (PROBASI) darauf angewandt worden ist. Von jedem Meeresbodenbereich wird ein jeweiliger Backscatter-Datensatz für das Training des SOM-Netzwerks ausgewählt. In dieser Architektur treten benachbarte Entities, bezeichnet als Neuronen, zueinander durch die gegenseitige, seitliche Wechselwirkung deren Gewichtungen in Konkurrenz. Die Gewichtungen in der Nachbarschaft des am nächsten liegenden, passenden Neurons zu dem Eingangsvektor, die angegeben sind, werden von einer Anfangs-Zufalls-Verteilung aktualisiert, um sie so näher zu diesem Eingangsvektor zu bringen. Dies führt zu der Bildung lokaler Nachbarschaften, eine bestimmte Klasse anzeigend. Die Lernrate ist eine exponentiell abfallende Funktion 0,5/(t0,2), wobei t die Anzahl von Iterationen ist, was demzufolge bewirkt, dass die Rate der Gewichtung so aktualisiert wird, dass sie zu Anfang hoch ist, und darauf folgend stufenweise für eine feinere Abstimmung in darauf folgenden Iterationen abnimmt, bis schließlich nur ein Neuron in Abhängigkeit einer Eingabe, die geliefert wird, hervortritt. An dem Ende der Ausführung des SOM-Algorithmus ordnet sich der Eingaberaum in grobe Cluster an, wobei jeder ein eindeutiges Eingangsmuster, ohne irgendeine a priori Information, darstellt. Zukünftige Eingangsvektoren, die in der Testphase bereitgestellt werden, werden zu einem Cluster in dem Ausgangsraum zugeordnet, das am besten den Eingangsvektor anpasst. Die Power-Law-Parameter (Gamma und Beta) für die unterschiedlichen Meeresbodenbereiche, erhalten durch die physikalische Modellgestaltung, werden dazu verwendet, die erhaltenen Ergebnisse zu korrelieren.
  • Die trainierte Gewichtungs-Matrix wird, nach Einsetzen des SOM-Netzwerks, als die Eingänge für ein überwachtes, lernendes Netzwerk, nämlich LVQ, verwendet. Hierbei wird ein Training und ein Testen gleichzeitig für ein paar Iterationen durchgeführt, bis die Netzwerkgewichtungen, die zu jedem Cluster gehören, wirklich für dieses Cluster repräsentativ sind. Die Lernrate ist noch exponentiell, allerdings mit einem viel kleineren Anfangswert, um eine feine Abstimmung von Neuron-Gewichtungen zu ermöglichen. In LVQ1 wird, unter der Kontrolle des Benutzers, für 3–4 Eingangsvektoren von jeder Klasse, der fehlerhaft klassifizierte Gewichtungsvektor von dem Eingang weg bewegt. Wenn die Klassifizierung korrekt ist, wird der Gewichtungsvektor zu dem Eingang hin verstärkt und eine letztendliche Fehlklassifikation wird bei dem weiteren Testen vermieden. LVQ2 geht einen Schritt weiter, um die überlappenden Gewichtungs-Vorspannungen in Bereichen einer Überkreuzung von benachbarten Clustern durch Anwenden der Fensterfunktion an deren Grenze für eine Korrektur auf 1–2 Neuronen zu überwinden. Das Fenster wird in die Hälfte unterteilt und Korrekturen werden nur dann vorgenommen, wenn das hervorgehobene Neuron auf die falsche Seite der Mittelebene fällt, und zwar durch Bewegen des Vektors von dem Eingang weg und durch gleichzeitiges Bringen des Neurons in die korrekte Hälfte des Fensters näher dazu. Ein Ausdruck wird von der Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion (pdf) des hervorgehobenen bzw. erregten Neurons gegenüber der Frequenz der Erregung vorgenommen.
  • Insbesondere werden drei Meeresbodenbereiche A, B und C für die Vergleichsstudie hier verwendet. Die Ergebnisse der Klassifizierung sind tabellarisch in 9 für SOM, LVQ1 und LVQ2 für nicht verarbeitete Backscatter-Daten angegeben.
  • Unter einem Vergleich der tabellarisch angegebenen Power-Law-Parameter (Gamma und Beta), die als ein Indikator für die Meeresboden-Grenzflächen-Rauigkeit wirken, und zwar mit selbst-organisierten Clustern nach einem Training durch SOM, hat man festgestellt, dass die Bereiche A und C von demselben Typ eines Meeresbodens sind. Zwischen den zwei haben die Klassifizierungsergebnisse eine erhöhte Funktionsweise mit LVQ für den Bereich C angezeigt, der rauer ist, wie durch dessen höheren Chrα Wert (rms-Rauigkeit zwischen zwei Punkten, getrennt durch einen Abstand von 100 m) angezeigt ist. Der signifikanteste Beitrag dieser Erfindung ist die Fähigkeit des Netzwerks, ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten auf nicht verarbeitete Daten zu liefern, um dadurch das Erfordernis nach einer langwierigen Vorverarbeitung der Mehrfachstrahl-Backscatter-Daten für die Theorie der Meeresbodenrauigkeit zu beseitigen, um dadurch eine Online-Anzeige der Rauigkeit, gerade unter Verwendung von groben Daten, zu liefern.
  • VORTEILE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung sind:
    • 1. Sie liefert die Fähigkeit einer kombinierten Benutzung der zwei Varianten des lernenden Vektor-Quantisierungs-(LVQ)-Netzwerks, um die beste Klassifizierung der Charakteristika des Meeresbodens zu erreichen, was eine Fähigkeit ist, die zuvor nicht vorhanden war.
    • 2. Sie liefert eine Selbstorganisation von Mehrfachstrahl-Eingangsdaten-Vektoren in grobe Cluster in dem Ausgaberaum ohne irgendwelche a priori Informationen.
    • 3. Sie liefert die Fähigkeit, einen groben Datensatz als Eingangsvektoren zu dem Klassifizierungsnetzwerk zu verwenden.
    • 4. Sie verringert ein Rechenzeit-Overhead, was eine Fähigkeit ist, die nicht mit zuvor bekannten, physikalischen Modellen verfügbar ist.
    • 5. Sie schafft Mittel für eine Online-Meeresboden-Klassifikation unter Verwendung von groben Backscatter-Daten, auf ein geeignetes Training des Netzwerks folgend.
    • 6. Sie liefert eine hohe Netzwerk-Funktionsweise durch deren Fähigkeit für die aufeinander folgende Anwendung einer Dualität von Mitteln zum Vermeiden einer Fehlklassifikation und der Fähigkeit, überlappte Informationen wiederherzustellen.
    • 7. Sie liefert die Fähigkeit einer einfachen Übertragung von entfernten Daten, empfangen durch das Echolot an Bord des Schiffs/eines autonomen Unterwasserfahrzeugs (autonomous underwater vehicle – AUV), zu der entfernten Datenbank, und zwar in einer Realzeit; die Übertragung, die durch die Darstellung eines gesamten Datensatzes von Cross-Track-(Kreuz-Spur)-Mehrstrahl-Winkel-Backscatter-Informationen durch ein paar Cluster-Einheiten, gebildet in dem System auf einer Basis Ping für Ping, ausgeführt worden ist.

Claims (34)

  1. System zum Klassifizieren der Rauigkeit des Meeresbodens unter Verwendung eines Hybrid-Layouts eines künstlichen, neuralen Netzwerks (Artifical Neural Network – ANN) aus unverarbeiteten, Mehrstrahl-Backscatter-Daten, wobei das System eine Einrichtung zum Erzeugen von unverarbeiteten, akustischen, quadratisch gemittelten (r.m.s.) Mehrstrahl-Backscatter-Daten, verbunden mit dem Eingang eines Vorprozessors (20) mit selbst-organisierender Liste (self-organizing map – SOM), wobei der SOM Vorprozessor über ein oder mehrere Learning-Vector-Quantization-(LVQ)-Netzwerke) (21 und 23) mit einem Speicher/Anzeigemodul (22) verbunden ist, aufweist.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Erzeugen von unverarbeiteten, quadratisch gemittelten Mehrstrahl-Backscatter-Daten eine Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung, montiert unterhalb eines Schiffsrumpfs und verbunden mit einem Abschätzungsmodul für den quadratischen Mittelwert über ein Strahlformermodul, aufweist.
  3. System nach Anspruch 2, wobei die Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung ein lineares Feld aus Wandlern, verbunden mit einem Roll-Pitch-Heave-Sensor (Schlinger-Stampf-Hebe-Sensor) über Kabelverbindungskästen, und ein Feld aus Sende-Empfangs-Systemen aufweist.
  4. System nach Anspruch 3, wobei die Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung zwei identische Felder aus akustischen Wandlern, befestigt unter rechten Winkeln zueinander, aufweist.
  5. System nach Anspruch 4, wobei jedes Feld des akustischen Wandlers eine Kombination aus mehreren Unterfeldern ist und jedes Unterfeld aus einer Vielzahl von Elementen besteht.
  6. System nach Anspruch 5, wobei jedes Element einen Satz von Kanälen bildet.
  7. System nach Anspruch 4, wobei die Felder entweder für ein Senden oder für ein Empfangen von Signalen verwendet werden können.
  8. System nach Anspruch 2, wobei die Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung mit dem Strahlformermodul über einen Vorverstärker und eine zeitvariierende Verstärkungseinstellungsschaltung verbunden ist.
  9. System nach Anspruch 2, wobei eine Strahlformung unter Verwendung von geeigneten Verzögerungen vorgenommen wird.
  10. System nach Anspruch 2, wobei das Strahlformermodul mit dem Abschätzungsmodul für den quadratischen Mittelwert über einen Digital-Analog-Wandler, ein Filter und einen Analog-Digital-Wandler verbunden ist.
  11. System nach Anspruch 10, wobei die Anzeigeeinrichtung optional mit dem Analog-Digital-Wandler verbunden ist.
  12. System nach Anspruch 11, wobei die Anzeigeeinrichtung mit dem Analog-Digital Wandler über ein Bottom-Tracking-Gate verbunden ist.
  13. System nach Anspruch 1, wobei das Ausgangsmuster des Abschätzungsmoduls für den quadratischen Mittelwert eine Einhüllende einer Signalamplitude für den quadratischen Mittelwert gegenüber einer Strahl-Zahl in einer Kursversatz-Richtung ist.
  14. System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor mit selbst-organisierender Liste (SOM) die Meeresbodendaten in verschiedene Rauigkeits-Typen klassifiziert und sie als Cluster zusammenfügt.
  15. System nach Anspruch 14, wobei die Rauigkeitsparameter basierend auf einem Kursversatz-Winkel-Mehrstrahl-Signal-Backscatter-Form-Parameter des Schiffs unterschieden werden.
  16. System nach Anspruch 14, wobei jedes Cluster, das gebildet ist, ein eindeutiges Muster der Eingabedaten darstellt.
  17. System nach Anspruch 14, wobei die Anzahl von Clustern, die so gebildet ist, gleich zu der Anzahl von unterschiedlichen Mustern eines empfangenen Meeresboden-Datensatzes ist.
  18. System nach Anspruch 14, wobei die Cluster mit dem eigenen, nicht überwachten Lernmerkmal des SOM-Vorprozessors gebildet sind.
  19. System nach Anspruch 14, wobei die Cluster ohne irgendeine vorherige Kenntnis der Anzahl der unterschiedlichen Typen von Eingabemustern gebildet sind.
  20. System nach Anspruch 1, wobei die Learning-Vector-Quantization-(LVQ)-Variante die Unvollkommenheit bei der Klassifizierung beseitigt, die aus dem Prozess einer nicht überwachten Klassifikation, vorgenommen durch einen SOM-Prozessor, entsteht.
  21. System nach Anspruch 20, wobei die Verbesserungen der Meeresboden-Klassifikation durch ein überwachtes Lernen erreicht werden.
  22. System nach Anspruch 21, wobei das überwachte Lernen in Bezug auf die LVQ durch eine Interpretation einer Person, basierend auf dem Grund-Wahrheits-Datensatz, vorgenommen wird.
  23. System nach Anspruch 1, wobei das System eine LVQ einsetzt, ausgelegt so, um eine Fehlklassifikation an dem zentralen Bereich der Gewichtungs-Verteilung jedes Clusters, oder eine LVQ, ausgelegt so, um die überlappenden Enden der Gewichtungs-Verteilung von angrenzenden Clustern, oder eine Kombination davon, zu unterscheiden, zu vermeiden.
  24. System nach Anspruch 23, wobei die LVQ, ausgelegt so, um eine Fehlklassifikation an dem zentralen Bereich zu vermeiden, auf einem „rewardpunishment" Kriterium basiert.
  25. System nach Anspruch 24, wobei die LVQ den Gewichtungsvektor von der Eingabe, wenn er falsch repräsentiert ist, bewegt, und den Gewichtungsvektor so gestaltet, um die Eingabe enger anzupassen, wenn er korrekt dargestellt ist.
  26. System nach Anspruch 23, wobei die LVQ, ausgelegt so, um das Überlappen der Enden zu unterscheiden, die Technik einer Umverteilung der Gewichtungen des überlappenden Bereichs der benachbarten Cluster zu den jeweiligen Haupt-Clustern einsetzt.
  27. System nach Anspruch 1, wobei eine Interpretation einer Person von den Ergebnissen, angezeigt auf der Anzeigevorrichtung, Gebrauch machen kann, um weitere Beurteilungen über die Qualität der Klassifikation vorzunehmen.
  28. System nach Anspruch 1, wobei das Hybrid-Layout eines künstlichen, neuralen Netzwerks aus dem Prozessor (20) mit selbst-organisierender Liste (SOM), lernenden Vektor-Quantisierungs-Varianten LVQ1 (21) und LVQ2 (23) und dem Speicher-Anzeige-Modul (22) besteht, wobei der Eingang des SOM-Netzwerks (20) von einem Ausgang eines Abschätzungsmoduls (19) für den quadratischen Mittelwert abgeleitet ist, das seinen Eingang von einem A/D-Wandler (19) empfängt, der wiederum seinen Eingang von einem Strahlformer (13), verbunden mit zwei identischen, senkrecht orientierten Feldern (7) und (8) einer Mehrstrahl-Akustik-Vorrichtung, erhält, mit dem Signal, nachdem es zu einem analogen Format gestaltet und unter der Verwendung einer geeigneten, elektronischen Hardware-Schaltung (14) und (15) jeweils gefiltert ist; wobei das SOM-Netzwerk (20) die unverarbeiteten Mehrstrahl-Backscatter-Daten des quadratischen Mittelwerts (r.m.s.), abgeleitet von den unterschiedlichen, vorgeformten Strahlen, empfängt und die Meeresbodendaten in verschiedene Rauigkeits-Typen klassifiziert, die, basierend auf dem Kursversatz-Winkel-Mehrstrahl-Signal-Backscatter-Form-Parameter des Schiffs, unterschieden werden, wobei ein eindeutiger Cluster gebildet wird, um ein spezifisches Muster der Eingangsdaten darzustellen; wobei die Anzahl von Clustern, die so gebildet ist, gleich zu der Anzahl von unterschiedlichen Mustern des empfangenen Meeresboden-Datensatzes ist; wobei die Cluster ohne irgendeine vorherige Kenntnis der Anzahl von unterschiedlichen Typen von Eingangsmustern gebildet worden sind; wobei die Cluster des Datensatzes darauffolgend zu der LVQ1 (21) eingegeben werden; wobei die Nichtperfektion in der Klassifizierung von dem Prozess eines nicht überwachten Lernens ohne irgendeine Hintergrundkenntnis entsteht, die teilweise durch das LVQ1-Netzwerk (21) beseitigt wird; wobei die Verbesserung in der Meeresboden-Klassifikation durch ein überwachtes Lernen, basierend auf der Rückführung, bereitgestellt zu dem LVQ1-Netzwerk (21), durch die Interpretation einer Person, basierend auf dem Grund-Wahrheits-Datensatz unter Verwendung eines geeigneten Gewichtungs-Aktualisierungs-Kriteriums, erreichbar ist, wobei ein korrekt darstellender Gewichtungsvektor so gestaltet worden ist, um den Eingang stärker anzupassen, während ein schlecht darstellender Gewichtungsvektor von dem Eingang weg bewegt worden ist, um so eine Fehlklassifikation an dem zentralen Bereich der Gewichtungs-Verteilung jedes Clusters zu vermeiden; wobei die Ausgänge des LVQ1 (21) darauffolgend zu dem Speicher- und Anzeigemodul (22) eingegeben werden, wobei die Ergebnisse dadurch angezeigt werden, die den Nutzen für eine Interpretation durch eine Person haben, um so vorgenommen zu werden, um die Qualität der Klassifikation zu erhöhen; wobei das System der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit hat, ein alternierendes Hybrid-Layout einzusetzen, wobei das LVQ1-(21)-Modul durch ein anderes, überwachbares Modul LVQ2 (23) ersetzt werden könnte, das die alternierende Funktion eines Unterscheidens der überlappenden Enden der Gewichtungs-Verteilung von benachbarten Clustern durchführt, um eine Meeresboden-Klassifikation mit einem minimalen Fehler durchzuführen; wobei das System eine zusätzliche Fähigkeit hat, ein verbessertes Hybrid-Layout einzusetzen, wobei das Layout den Vorteil einer Ausführung einer Meeresboden-Klassifikation, basierend auf den unterschiedlichen Fähigkeiten der LVQ1 (21) und der LVQ2 (23), besitzt, um dadurch die beste, mögliche Klassifikation bereitzustellen, unter Berücksichtigung der zentralen ebenso wie der Endbereiche der Gewichtungs-Verteilung in dem Vorgang einer Klassifikation.
  29. System nach Anspruch 1, wobei das Layout des neuralen Netzwerks ein modell-unabhängiges System ist, das die Fähigkeit bereitstellen würde, die unverarbeiteten Backscatter-Daten von dem Meeresboden für den Zweck einer Klassifikation zu verwenden.
  30. System nach Anspruch 1, wobei eine Online-Meeresboden-Klassifikation auf die Trainingsphase des Netzwerks hin möglich ist, um dadurch ein kosteneffektives System bereitzustellen, das die Fähigkeit besitzt, das Erfordernis einer Vorverarbeitung der groben Daten zu umgehen.
  31. System nach Anspruch 1, wobei eine eindimensionale (d.h. Balken-Ausdruck) Präsentation einer Vielzahl von selbst-organisierenden Clustern eines unverarbeiteten (d.h. rohen) Eingangsdatensatzes und einer darauffolgenden Klassifikation für die Interpretation einer Person für eine weitere Beurteilung der Qualität einer Klassifikation und eine zusätzliche Fähigkeit einer Visualisierung der empfangen Eingangsvektoren in einer Realzeit bereitgestellt wird.
  32. System nach Anspruch 1, wobei die Fähigkeiten auf die verarbeiteten Backscatter-Daten ebenso erweiterbar sind.
  33. System nach Anspruch 1, wobei das System dazu geeignet ist, in einer Realzeit Kursversatz-Mehrstrahl-Winkel-Backscatter-Daten, aufgenommen von einem Echolot, installiert außenbords des Schiffs/AUV, zu einer entfernten Datenbank umzuleiten.
  34. System nach Anspruch 32, wobei die Umleitung durch eine Darstellung eines umfangreichen Datensatzes durch ein paar Cluster-Einheiten, wie sie in dem System-Layout auf einer Basis Ping für Ping gebildet ist, ausgeführt ist.
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