RU2681252C1 - Hydro acoustic signals detection and their neural network classification system - Google Patents
Hydro acoustic signals detection and their neural network classification system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2681252C1 RU2681252C1 RU2018113985A RU2018113985A RU2681252C1 RU 2681252 C1 RU2681252 C1 RU 2681252C1 RU 2018113985 A RU2018113985 A RU 2018113985A RU 2018113985 A RU2018113985 A RU 2018113985A RU 2681252 C1 RU2681252 C1 RU 2681252C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inputs
- outputs
- input
- output
- pairs
- Prior art date
Links
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title abstract description 13
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 238000012549 training Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 210000000225 synapse Anatomy 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000000946 synaptic effect Effects 0.000 description 3
- 101710096655 Probable acetoacetate decarboxylase 1 Proteins 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 230000005534 acoustic noise Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 210000004205 output neuron Anatomy 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
- G01S15/04—Systems determining presence of a target
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Image Analysis (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения экспертных интеллектуальных систем распознавания и классификации источников гидроакустических сигналов, обнаруженных в режиме шумопеленгования. Распознавание и классификация морских целей по признакам их полей с помощью вычислительных операций нейронных сетей позволяет ускорить процесс распознавания и повысить вероятность классификации как надводных, так и подводных целей.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used to build expert intelligent systems for recognizing and classifying sources of hydroacoustic signals detected in noise detection. Recognition and classification of marine targets by the signs of their fields using computational operations of neural networks allows you to speed up the recognition process and increase the likelihood of classification of both surface and underwater targets.
Известный способ обнаружения широкополосного шума с дискретными компонентами и реализующее его устройство, по сути, являются многоканальным энергетическим приемником (см. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. - Л.: Судостроение, 1988, С. 351–352). Данный способ представляет собой последовательное выполнение операций: многоканальной узкополосной полосовой фильтрации (для формирования отдельных частотных каналов), квадратичного детектирования, интегрирования и сравнения с порогом в каждом частотном канале. Помехоустойчивость приемника на основе квадратичного детектора является нижней границей всех оптимальных приемников. Поэтому в неблагоприятных условиях, которые определяются особенностями помехи и наличием интенсивных направленных источников помех, акустикой окружающей среды (профиль скорости звука, глубина и наклон дна и т.п.) эффективность приемника на основе квадратичного детектора может резко ухудшиться.The known method for detecting broadband noise with discrete components and the device that implements it, in fact, are a multi-channel energy receiver (see Burdik B.C. Analysis of hydroacoustic systems. - L .: Sudostroenie, 1988, S. 351–352). This method is a sequential execution of operations: multi-channel narrow-band bandpass filtering (for the formation of individual frequency channels), quadratic detection, integration and comparison with a threshold in each frequency channel. The noise immunity of a receiver based on a quadratic detector is the lower limit of all optimal receivers. Therefore, under adverse conditions, which are determined by the characteristics of the interference and the presence of intense directional sources of interference, environmental acoustics (profile of the speed of sound, depth and inclination of the bottom, etc.), the efficiency of the receiver based on the quadratic detector can deteriorate sharply.
В качестве априорных данных о свойствах шумового сигнала от объекта можно использовать данные об узкополосных дискретных компонентах сигнала (дискретных составляющих), которые фактически представляют собой набор элементарных непрерывных синусоидальных сигналов соответствующей частоты. В этом случае можно говорить о решении задачи обнаружения полигармонического сигнала на фоне помехи.As a priori data on the properties of the noise signal from the object, you can use data on narrow-band discrete signal components (discrete components), which in fact represent a set of elementary continuous sinusoidal signals of the corresponding frequency. In this case, we can talk about solving the problem of detecting a polyharmonic signal against a background of interference.
Наиболее близким по технической сущности устройством является обнаружитель шумовых гидроакустических сигналов на основе квадратурного приемника содержащий аналого-цифровой преобразователь, на вход которого подается входной сигнал, а выход которого соединен с входом рециркулятора, выход которого соединен с входами М узкополосных фильтров, выходы которых соединены с первыми входами Μ пар перемножителей, выходы которых соединены с входами Μ пар интеграторов, выходы которых соединены с входами Μ пар квадраторов, выходы которых попарно соединены с входами Μ сумматоров, выходы которых соединены с входами М вычислителей квадратного корня, выходы которых соединены с входами Μ устройств задержки, выходы которых соединены с М входами сумматора, выход которого соединен с входом порогового устройства; 2М выходов постоянного запоминающего устройства соединены со вторыми входами М пар перемножителей; выходы управляющего устройства соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, постоянного запоминающего устройства и порогового устройства (см. Пат. 2549207 РФ, МПК G01S 15/04 (2006.01). Устройство обнаружения шумовых гидроакустических сигналов на основе квадратурного приемника; опубл. 20.04.2015, бюл. №11).The device closest in technical essence is a hydroacoustic noise detector based on a quadrature receiver containing an analog-to-digital converter, the input of which is supplied with an input signal, and the output of which is connected to the input of the recirculator, the output of which is connected to the inputs of M narrow-band filters, the outputs of which are connected to the first inputs Μ pairs of multipliers, the outputs of which are connected to inputs Μ pairs of integrators, the outputs of which are connected to inputs Μ pairs of quadrators, the outputs of which are pairwise oedineny Μ the inputs of adders, whose outputs are connected to inputs of M square root calculators whose outputs are connected to inputs Μ delay units whose outputs are connected to M inputs of the adder, whose output is connected to the input of a threshold device; 2M outputs of read-only memory connected to the second inputs of M pairs of multipliers; the outputs of the control device are connected to the control inputs of the analog-to-digital converter, recirculator, read-only memory and threshold device (see Pat. 2549207 RF, IPC G01S 15/04 (2006.01). Acoustic noise detection device based on a quadrature receiver; publ. 20.04 .2015, bull. No. 11).
Устройство-прототип обнаруживает шумовые гидроакустические сигналы в виде дискретных составляющих на фоне аддитивной помехи. Алгоритм работы устройства основан на квадратурном детектировании в каждом частотном канале. Использование большего объема априорной информации об обнаруживаемом полезном сигнале позволяет увеличивать помехоустойчивость обнаружителя широкополосных сигналов и, соответственно, дальность действия гидроакустической системы шумопеленгования.The prototype device detects noise hydroacoustic signals in the form of discrete components against the background of additive interference. The device operation algorithm is based on quadrature detection in each frequency channel. The use of a larger amount of a priori information about the detected useful signal makes it possible to increase the noise immunity of the broadband signal detector and, accordingly, the range of the hydroacoustic noise-finding system.
При практической реализации устройства обнаружения шумовых гидроакустических сигналов на основе квадратурного приемника необходимо определить частотные характеристики узкополосных фильтров, а именно полосы пропускания фильтров (Δfm) и их центральные частоты (fm). Определение вышеуказанных характеристик основано на необходимости обеспечения постоянной скважности фильтров (отношения ширины полосы фильтра к его центральной частоте) во всем диапазоне частот, а именноIn the practical implementation of the device for the detection of noise hydroacoustic signals based on a quadrature receiver, it is necessary to determine the frequency characteristics of narrow-band filters, namely the passband of the filters (Δf m ) and their center frequencies (f m ). The definition of the above characteristics is based on the need to ensure a constant filter duty cycle (the ratio of the filter bandwidth to its center frequency) in the entire frequency range, namely
После элементарных преобразований можно получить определяющие соотношенияAfter elementary transformations, we can obtain the defining relations
При этом количество узкополосных фильтров в гребенке для общей полосы частот ΔF составитThe number of narrow-band filters in the comb for the total frequency band ΔF will be
Время анализа (интегрирования) в полосе каждого фильтра будет определяться выражениемThe analysis (integration) time in the band of each filter will be determined by the expression
(1) (one)
Очевидно, что в случае накопления откликов от нескольких каналов обнаружителя (суммирования выходных процессов) необходимо согласование по времени анализа, т.е. введение временных задержек на выходах каналов перед операцией суммирования. Для гребенки из М фильтров параметры задержки можно определить по формулеObviously, in the case of accumulation of responses from several detector channels (summing of the output processes), agreement on the analysis time is necessary, i.e. the introduction of time delays at the outputs of the channels before the operation of summation. For a comb of M filters, the delay parameters can be determined by the formula
(2) (2)
Введение операции накопления откликов обусловлено необходимостью повышения эффективности обнаружения звукоряда полигармонического сигнала и учета возможного влияния эффекта Доплера при взаимном перемещении приемника и источника сигнала.The introduction of the response accumulation operation is due to the need to increase the efficiency of detecting the scale of a polyharmonic signal and taking into account the possible influence of the Doppler effect during the mutual movement of the receiver and the signal source.
Недостатком устройства-прототипа является отсутствие в структурной схеме специальных блоков и их связей с существующими блоками, которые должны обеспечивать классификацию (распознавание) обнаруживаемых объектов, как источников гидроакустических сигналов, на классы надводный объект или подводный объект в автоматическом режиме. Что ограничивает функциональные возможности устройства-прототипа.The disadvantage of the prototype device is the absence in the structural diagram of special blocks and their relationships with existing blocks, which should provide a classification (recognition) of detected objects as sources of hydroacoustic signals into classes of surface objects or underwater objects in automatic mode. Which limits the functionality of the prototype device.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в дальнейшей разработке структурной схемы устройства-прототипа для его реализации как системы обнаружения гидроакустических сигналов и их нейросетевой классификации. Система должна обеспечивать обнаружение источников гидроакустических сигналов в режиме шумопеленгования, их автоматическое распознавание и классификацию по амплитудно-частотным характеристикам на основе нейросетевых технологий и оперативно обновляемой библиотеки математически обработанных образов спектрограмм морских целей.The problem to which the invention is directed, is to further develop a structural diagram of a prototype device for its implementation as a system for detecting hydroacoustic signals and their neural network classification. The system should provide detection of sources of hydroacoustic signals in the noise-detecting mode, their automatic recognition and classification according to amplitude-frequency characteristics based on neural network technologies and an operatively updated library of mathematically processed images of spectrograms of marine targets.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение автоматического распознавания и классификации надводных и подводных источников гидроакустических сигналов, обнаруженных в режиме шумопеленгования.The technical result of the invention is the provision of automatic recognition and classification of surface and underwater sources of hydroacoustic signals detected in noise detection.
Указанный технический результат достигается тем, что разработана система обнаружения гидроакустических сигналов и их нейросетевой классификации, содержащая аналого-цифровой преобразователь, на вход которого подается входной сигнал, а выход которого соединен с входом рециркулятора, выход которого соединен с входами М узкополосных фильтров. Выходы М узкополосных фильтров соединены с первыми входами Μ пар перемножителей, выходы которых соединены с входами Μ пар интеграторов, выходы которых соединены с входами Μ пар квадраторов. Выходы Μ пар квадраторов попарно соединены с входами Μ сумматоров, выходы которых соединены с входами М вычислителей квадратного корня, выходы которых соединены с входами Μ устройств задержки, выходы которых соединены с М входами сумматора, выход которого соединен с входом порогового устройства. 2М выходов постоянного запоминающего устройства соединены со вторыми входами М пар перемножителей. Выходы управляющего устройства соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, постоянного запоминающего устройства и порогового устройства. Принципиальным отличием от прототипа является то, что дополнительно введен тракт нейросетевого распознавания и классификации целей, содержащий блок распознавания класса цели по амплитудно-частотной характеристике, охваченный обратной связью с блоком обучения. При этом выход порогового устройства соединен с входом блока распознавания класса цели по амплитудно-частотной характеристике, на выходе которого формируется сигнал по типу цели согласно степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации.The indicated technical result is achieved by the fact that a system for detecting hydroacoustic signals and their neural network classification is developed, containing an analog-to-digital converter, the input of which is supplied with an input signal, and the output of which is connected to the input of the recirculator, the output of which is connected to the inputs of M narrow-band filters. The outputs M of narrow-band filters are connected to the first inputs Μ pairs of multipliers, the outputs of which are connected to the inputs Μ pairs of integrators, the outputs of which are connected to the inputs Μ pairs of quadrators. The outputs Μ of the pairs of quadrators are connected in pairs with the inputs мат of the adders, the outputs of which are connected to the inputs of the M square root calculators, the outputs of which are connected to the inputs of the delay devices,, the outputs of which are connected to the M inputs of the adder, the output of which is connected to the input of the threshold device. The 2M outputs of read-only memory are connected to the second inputs of M pairs of multipliers. The outputs of the control device are connected to the control inputs of the analog-to-digital converter, recirculator, read-only memory and threshold device. The fundamental difference from the prototype is that it additionally introduced a neural network recognition and target classification path, which contains a target class recognition unit by the amplitude-frequency characteristic, covered by feedback from the training unit. In this case, the output of the threshold device is connected to the input of the target class recognition unit by the amplitude-frequency characteristic, the output of which is generated by the type of target according to the degree of belonging of the studied region of the spectrum to the classification object.
Как известно, обнаружение гидроакустических сигналов и извлечение из них полезной информации определяет основы алгоритмизации обработки данных в экспертной интеллектуальной системе классификации морских целей. Для формирования вектора признаков, являющегося входным информационным массивом распознающей сети, используется метод масок. Процесс формирования информационных массивов необходим для решения двух задач, первая из которых представляет собой процесс формирования эталонных образцов, необходимых для реализации процесса обучения распознающей сети, и вторая для распознавания целей (см. Пятакович В.А., Богданов В.И., Назаренко П.К. Принцип автоматического распознавания образа цели: материалы Международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов». - Ульяновск: УГУ, 2003. - С. 31, 32; Пятакович В.А., Василенко А.М., Хотинский О.В. Распознавание и классификация источников формирования полей различной физической природы в морской среде: монография. - Владивосток: Морской гос. ун-т им. Г.И. Невельского, 2017. - 255 с.; Пятакович В.А., Василенко А.М., Мироненко М.В. Нейросетевые архитектуры для решения задач классификации информационных полей морских объектов, методика их обучения. Интернет-журнал «Науковедение», 2017, Том 9, №2 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //naukovedenie.ru/PDF/ 54TVN217.pdf); Пятакович В.А., Василенко А.М., Хотинский О.В. Нейросетевые технологии в интеллектуальных системах обнаружения и оперативной идентификации морских целей: монография. –Владивосток: Морской гос. ун-т им. Г.И. Невельского, 2018. - 263 с.)As is known, the detection of hydroacoustic signals and the extraction of useful information from them determines the basis for the algorithms of data processing in an expert intelligent system for classifying marine targets. To generate a feature vector, which is the input information array of the recognition network, the mask method is used. The process of generating information arrays is necessary to solve two problems, the first of which is the process of generating reference samples necessary for the implementation of the learning process of a recognizing network, and the second for target recognition (see Pyatakovich V.A., Bogdanov V.I., Nazarenko P. .K. The principle of automatic recognition of the target image: materials of the International Conference “Mathematical Modeling of Physical, Economic, Technical, Social Systems and Processes.” - Ulyanovsk: USU, 2003. - P. 31, 32; Pyatakovich VA, You Lenko A.M., Khotinsky O.V. Recognition and classification of sources of formation of fields of various physical nature in the marine environment: monograph.- Vladivostok: Maritime State University named after G.I. Nevelsky, 2017. - 255 p .; Pyatakovich V.A., Vasilenko A.M., Mironenko M.V. Neural network architectures for solving the problems of classifying information fields of marine objects, the methodology for their training.Naukovedenie Internet Journal, 2017,
Идея метода состоит в том, что для каждой маски ищется максимальное амплитудное значение, которое и является ортом вектора классификационных признаков. Для автоматизации процесса поиска экстремума в зоне одной маски использовалась сеть поиска максимума MAXNET (сеть циклического функционирования). Итерации сети завершаются после того, как выходные нейроны сети перестают меняться. Типы входных сигналов - целые или действительные числа, типы выходных - действительные числа. Размерности входных и выходных сигналов совпадают. Тип активационной функции - линейная с насыщением (используется линейный участок). Число синапсов в сети равно N (N - 1). Формирование синаптических весов происходит согласно формулеThe idea of the method is that for each mask the maximum amplitude value is sought, which is the unit vector of the classification features. To automate the process of searching for an extremum in the area of one mask, the maximum search network MAXNET (a network of cyclic functioning) was used. Iterations of the network end after the output neurons of the network stop changing. Types of input signals are integers or real numbers, types of output signals are real numbers. The dimensions of the input and output signals are the same. The type of activation function is linear with saturation (a linear section is used). The number of synapses in the network is N (N - 1). The formation of synaptic scales occurs according to the formula
где Wij - i-й синаптический вес j-го нейрона; N - число элементов входного сигнала (количество нейронов в сети).where W ij is the i-th synaptic weight of the j-th neuron; N is the number of input signal elements (the number of neurons in the network).
Функционирование сети задается выражениемThe functioning of the network is given by
где хj - элемент (орт) входного сигнала сети; уi - выход j-го нейрона.where x j - element (orth) of the input network signal; i is the output of the jth neuron.
Нормализация входного вектора признаков, полученного после анализа масок сетью MAXNET, производится согласно выраженияNormalization of the input feature vector obtained after analysis of the masks by the MAXNET network is performed according to the expression
Границы диапазона значений
Обучение распознающей сети производится на основе алгоритма обратного распространения ошибки (см. Пятакович В.А., Василенко А.М., Хотинский О.В. Распознавание и классификация источников формирования полей различной физической природы в морской среде: монография. - Владивосток: Морской гос. ун-т им. Г.И. Невельского, 2017. - 255 с.; Пятакович В.А., Василенко А.М. Предварительная обработка информации нейроноподобным категоризатором при распознавании образов морских объектов. Подводное морское оружие. - СПб: 2017. - Вып. 1 (32). - С. 31-34; Пятакович В.А., Василенко А.М. Перспективы и ограничения использования геометрических методов распознавания акустических образов морских объектов применительно к задаче управления нейросетевой экспертной системой. Фундаментальные исследования. - М: 2017. - №7. - С. 65-70; Пятакович В.А., Василенко А.М., Хотинский О.В. Нейросетевые технологии в интеллектуальных системах обнаружения и оперативной идентификации морских целей: монография. - Владивосток: Морской гос. ун-т им. Г.И. Невельского, 2018. - 263 с.), реализующего градиентный метод оптимизации функционала вида:
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана функциональная схема системы обнаружения гидроакустических сигналов и их нейросетевой классификации, содержащая следующие элементы:The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a functional diagram of a system for detecting hydroacoustic signals and their neural network classification, containing the following elements:
1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).1. An analog-to-digital converter (ADC).
2. Рециркулятор.2. The recirculator.
3.1-3.М. Набор цифровых узкополосных полосовых фильтров (УПФ), перекрывающих ожидаемый частотный диапазон, с различной шириной полосы пропускания и различными центральными частотами, но с постоянной скважностью фильтров (отношением полосы фильтра к его центральной частоте) во всем диапазоне частот.3.1-3.M. A set of digital narrow-band bandpass filters (UPF) that cover the expected frequency range, with different bandwidths and different center frequencies, but with a constant filter duty cycle (the ratio of the filter band to its center frequency) in the entire frequency range.
4.1.1, 4.2.1-4.1.М, 4.2.М. Квадраторы.4.1.1, 4.2.1-4.1.M, 4.2.M. Squares.
5.1.1, 5.2.1-5.1.М, 5.2.М. Интеграторы.5.1.1, 5.2.1-5.1.M, 5.2.M. Integrators
6. Пороговое устройство.6. Threshold device.
7.1.1, 7.2.1-7.1.М, 7.2.М. Перемножители.7.1.1, 7.2.1-7.1.M, 7.2.M. Multipliers.
8. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).8. Permanent storage device (ROM).
9.1-9.М. Сумматоры.9.1-9. M. Adders.
9. Сумматор.9. The adder.
10.1-10.М. Вычислители квадратного корня.10.1-10.M. Square root calculators.
11.1-11.М. Устройства задержки.11.1-11.M. Delay devices.
12. Управляющее устройство.12. The control device.
13. Тракт нейросетевого распознавания и классификации целей.13. The path of neural network recognition and classification of goals.
14.1. Блок распознавания класса цели по амплитудно-частотной характеристике.14.1. The recognition unit of the target class according to the amplitude-frequency characteristic.
14.2. Блок обучения.14.2. Training block.
Общая структура распознающей сети представлена на фиг. 2. Нейроны, составляющие сеть, одинаковы и имеют функцию активации известного типаThe general structure of the recognition network is shown in FIG. 2. The neurons that make up the network are the same and have a function of activation of a known type
где х2n (i), yn (i) и In (i) - значения r - го входного сигнала, выходного сигнала и внешнего смещения n - го нейрона i - го слоя; Ni - число нейронов в i - м слое; i=1, 2, 3.where x 2n (i) , y n (i) and I n (i) are the values of the rth input signal, the output signal and the external displacement of the nth neuron of the ith layer; N i is the number of neurons in the i-th layer; i = 1, 2, 3.
На фиг. 3 и фиг. 4 представлены результаты вычислительного эксперимента по определению коэффициента распознавания (классификации), определяемого как отношение числа распознанных объектов к общему числу испытаний в процентах, для надводных и подводных объектов в условиях зашумления сигнала в диапазоне от -10 до 20° дБ. Как видно из рисунков, распознавание и классификация морских целей с помощью вычислительных операций сети персептрон позволяет повысить вероятность классификации как надводных, так и подводных целей на 5-7%. На фиг. 5 приведена таблица интерпретации элиментов выходного вектора распознавания гидроакустических сигналов по амплитудно-частотной характеристике.In FIG. 3 and FIG. Figure 4 presents the results of a computational experiment to determine the recognition coefficient (classification), defined as the ratio of the number of recognized objects to the total number of tests in percent, for surface and underwater objects in the presence of signal noise in the range from -10 to 20 ° dB. As can be seen from the figures, the recognition and classification of sea targets using the computational operations of the perceptron network can increase the probability of classifying both surface and underwater targets by 5-7%. In FIG. Figure 5 shows the table of interpretation of the elements of the output recognition vector of hydroacoustic signals by the amplitude-frequency characteristic.
Система обнаружения гидроакустических сигналов и их нейросетевой классификации работает следующим образом.System for the detection of hydroacoustic signals and their neural network classification works as follows.
На вход АЦП 1 поступает входной процесс x(t) с частотой дискретизации, удовлетворяющей требованиям теоремы КотельниковаThe input process x (t) with a sampling frequency satisfying the requirements of the Kotelnikov theorem is fed to the input of
С выхода АЦП 1 дискретные отсчеты поступают на вход рециркулятора 2, где формируется и с каждым новым отсчетом обновляется текущая дискретная выборка x(n) длиной N отсчетов.From the output of the
Сформированная текущая дискретная выборка входного процесса x(n) поступает одновременно на входы М узкополосных фильтров 3.1-3.М.The generated current discrete sample of the input process x (n) is supplied simultaneously to the inputs of M narrow-band filters 3.1-3.M.
С выходов М узкополосных фильтров 3.1-3.М М соответствующих узкополосных процессов одновременно поступают на первые входы М пар перемножителей 7.1.1, 7.2.1-7.1.М, 7.2.М, с выходов которых результаты перемножения поступают на входы М пар интеграторов 5.1.1, 5.2.1-5.1.М, 5.2.М. Время интегрирования в полосе каждого фильтра определяется выражением (1).From the outputs of M narrow-band filters 3.1-3.M M of the corresponding narrow-band processes simultaneously go to the first inputs of M pairs of multipliers 7.1.1, 7.2.1-7.1.M, 7.2.M, from the outputs of which the results of multiplication go to the inputs of M pairs of integrators 5.1 .1, 5.2.1-5.1.M, 5.2.M. The integration time in the band of each filter is determined by the expression (1).
Из ПЗУ 8 на вторые входы М пар перемножителей 7.1.1, 7.2.1-7.1.М, 7.2.М поступают М пар синусных и косинусных составляющих (монохроматических) цифровых сигналов с частотами, соответствующими центральным частотам УПФ fm.From
С выходов М пар интеграторов 5.1.1, 5.2.1-5.1.М, 5.2.М результаты интегрирования поступают на входы М пар квадраторов 4.1.1, 4.2.1-4.1.М, 4.2.М, с выходов которых квадраты откликов попарно поступают на входы М сумматоров 9.1-9.М, с выходов которых результаты суммирования поступают на входы М вычислителей квадратного корня 10.1-10.М, с выходов которых результаты вычислений поступают на входы М устройств задержки 11.1-11.М. Параметры задержки в каждом частотном канале определяются соотношением (2).From the outputs of M pairs of integrators 5.1.1, 5.2.1-5.1.M, 5.2.M, the results of integration go to the inputs of M pairs of quadrators 4.1.1, 4.2.1-4.1.M, 4.2.M, from the outputs of which the squares of the responses are pairwise arrive at the inputs of M adders 9.1-9.M, from the outputs of which the summation results go to the inputs of M square root calculators 10.1-10.M, from the outputs of which the calculation results go to the inputs of M delay devices 11.1-11.M. The delay parameters in each frequency channel are determined by relation (2).
С выходов М устройств задержки 11.1-11.М отклики поступают на входы сумматора 9, с выхода которого результат суммирования поступает на вход порогового устройства 6, где принимается решение о наличии или отсутствии сигнала.From the outputs of the M delay devices 11.1-11.M the responses are received at the inputs of the
Далее сигнал с выхода порогового устройства 6 передается на вход блока распознавания класса цели по амплитудно-частотной характеристике 14.1 тракта нейросетевого распознавания и классификации целей 13. Задача распознавания и классификации надводных и подводных источников гидроакустических сигналов решается с помощью трехслойной нейронной сети, которая распознает семь объектов и позволяет выделить один неизвестный класс, что в перспективе позволит значительно расширить круг распознаваемых морских технических объектовNext, the signal from the output of the
Анализ низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной составляющих амплитудно-частотной характеристики производится раздельно, так как генеральные признаки для различных типов объектов могут находиться в различных частотных диапазонах. Как показано на фиг. 2, на каждый нейрон первого слоя через синапсы с весами {Tij (1)}, i=1, 2, 3; j=1, 2, 3 подаются все компоненты входного вектора
Набор выходных сигналов блока распознавания класса цели по амплитудно-частотной характеристике 14.1 поступает в память блока обучения 14.2, где происходит сравнение результатов с математическими образами спектрограмм морских объектов для формирования вывода о степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации, а настройка весовых коэффициентов распознающей сети определяется алгоритмом обратного распространения ошибки. Основная идея которого состоит в распространении сигналов ошибки от выходов сети к ее входам, в направлении, обратном прямому распространению сигналов в обычном режиме работы. Для возможности применения метода обратного распространения ошибки необходимо, чтобы передаточная функция нейронов была дифференцируема. Сформированный третьим слоем распознающей нейронной сети сигнал по типу цели, согласно степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации, поступает на выход блока 14.1, который является выходом системы.The set of output signals of the target class recognition unit by the amplitude-frequency characteristic 14.1 goes to the memory of the training unit 14.2, where the results are compared with the mathematical images of the spectrograms of marine objects to form a conclusion about the degree of belonging of the studied region of the spectrum to the classification object, and the weighting coefficients of the recognition network are determined by the algorithm back propagation errors. The main idea of which is the propagation of error signals from the network outputs to its inputs, in the direction opposite to the direct propagation of signals in normal operation. To be able to use the back propagation method, it is necessary that the neuron transfer function is differentiable. The signal generated by the third layer of the recognizing neural network according to the type of target, according to the degree of belonging of the studied region of the spectrum to the classification object, is sent to the output of block 14.1, which is the output of the system.
Таким образом, используя оперативно обновляемую библиотеку математически обработанных образов спектрограмм морских целей и разработанную архитектуру распознающей нейронной сети в виде трехслойного персептрона, можно в автоматическом режиме распознавать класс цели по амплитудно-частотной характеристике и делать вывод о степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации.Thus, using an operatively updated library of mathematically processed images of spectrograms of marine targets and the developed architecture of a recognizing neural network in the form of a three-layer perceptron, it is possible to automatically recognize the target class by the amplitude-frequency characteristic and draw a conclusion about the degree of belonging of the studied region of the spectrum to the classification object.
Предлагаемая система обнаружения гидроакустических сигналов и их нейросетевой классификации промышленно применима, так как для ее создания используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.The proposed system for detecting hydroacoustic signals and their neural network classification is industrially applicable, since it is used for the creation of common components and products of the radio industry and computer technology.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018113985A RU2681252C1 (en) | 2018-04-16 | 2018-04-16 | Hydro acoustic signals detection and their neural network classification system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018113985A RU2681252C1 (en) | 2018-04-16 | 2018-04-16 | Hydro acoustic signals detection and their neural network classification system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2681252C1 true RU2681252C1 (en) | 2019-03-05 |
Family
ID=65632721
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018113985A RU2681252C1 (en) | 2018-04-16 | 2018-04-16 | Hydro acoustic signals detection and their neural network classification system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2681252C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110045356A (en) * | 2019-03-14 | 2019-07-23 | 哈尔滨工程大学 | A kind of two-way length Memory Neural Networks waterborne target recognition methods in short-term |
RU2726992C1 (en) * | 2020-01-09 | 2020-07-17 | Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) | System for detection and classification of sea targets using mathematical model of target type determination |
CN112257521A (en) * | 2020-09-30 | 2021-01-22 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | CNN underwater acoustic signal target identification method based on data enhancement and time-frequency separation |
CN117614467A (en) * | 2024-01-17 | 2024-02-27 | 青岛科技大学 | Underwater sound signal intelligent receiving method based on noise reduction neural network |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08201500A (en) * | 1995-01-31 | 1996-08-09 | Nec Corp | Underwater acoustic signal detector |
RU2472116C1 (en) * | 2011-06-15 | 2013-01-10 | Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) | Hydro acoustic system of parametric reception of different-origin waves in sea water |
RU2474793C1 (en) * | 2011-06-15 | 2013-02-10 | Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment |
RU2536836C1 (en) * | 2013-07-01 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment |
RU2593673C2 (en) * | 2015-04-22 | 2016-08-10 | Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) | Radio-hydroacoustic system for parametric reception of waves of sources and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment |
RU2593625C2 (en) * | 2015-04-22 | 2016-08-10 | Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) | Method of transmitting information waves from sea medium into atmosphere and back |
-
2018
- 2018-04-16 RU RU2018113985A patent/RU2681252C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08201500A (en) * | 1995-01-31 | 1996-08-09 | Nec Corp | Underwater acoustic signal detector |
RU2472116C1 (en) * | 2011-06-15 | 2013-01-10 | Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) | Hydro acoustic system of parametric reception of different-origin waves in sea water |
RU2474793C1 (en) * | 2011-06-15 | 2013-02-10 | Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment |
RU2536836C1 (en) * | 2013-07-01 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) | System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment |
RU2593673C2 (en) * | 2015-04-22 | 2016-08-10 | Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) | Radio-hydroacoustic system for parametric reception of waves of sources and phenomena of atmosphere, ocean and earth's crust in marine environment |
RU2593625C2 (en) * | 2015-04-22 | 2016-08-10 | Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) | Method of transmitting information waves from sea medium into atmosphere and back |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110045356A (en) * | 2019-03-14 | 2019-07-23 | 哈尔滨工程大学 | A kind of two-way length Memory Neural Networks waterborne target recognition methods in short-term |
CN110045356B (en) * | 2019-03-14 | 2022-07-15 | 哈尔滨工程大学 | Bidirectional long-and-short-term memory neural network water surface target identification method |
RU2726992C1 (en) * | 2020-01-09 | 2020-07-17 | Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) | System for detection and classification of sea targets using mathematical model of target type determination |
CN112257521A (en) * | 2020-09-30 | 2021-01-22 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | CNN underwater acoustic signal target identification method based on data enhancement and time-frequency separation |
CN112257521B (en) * | 2020-09-30 | 2023-04-07 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | CNN underwater acoustic signal target identification method based on data enhancement and time-frequency separation |
CN117614467A (en) * | 2024-01-17 | 2024-02-27 | 青岛科技大学 | Underwater sound signal intelligent receiving method based on noise reduction neural network |
CN117614467B (en) * | 2024-01-17 | 2024-05-07 | 青岛科技大学 | Underwater sound signal intelligent receiving method based on noise reduction neural network |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2681252C1 (en) | Hydro acoustic signals detection and their neural network classification system | |
Khishe et al. | Passive sonar target classification using multi-layer perceptron trained by salp swarm algorithm | |
Khishe et al. | Improved whale trainer for sonar datasets classification using neural network | |
Kaveh et al. | Design and implementation of a neighborhood search biogeography-based optimization trainer for classifying sonar dataset using multi-layer perceptron neural network | |
RU2681242C1 (en) | Intellectual system for detection and classification of marine targets | |
CN110967665A (en) | DOA estimation method of moving target echoes under multiple external radiation sources | |
RU2694846C1 (en) | Method for formation of marine monitoring system with programmable neuron network control system | |
Matuszewski et al. | Neural network application for emitter identification | |
Izacard et al. | A learning-based framework for line-spectra super-resolution | |
Jia et al. | Deep cepstrum-wavelet autoencoder: A novel intelligent sonar classifier | |
RU2695985C1 (en) | Neuron network system for detection and rapid identification of sea targets | |
Kim et al. | A method for underwater acoustic signal classification using convolutional neural network combined with discrete wavelet transform | |
CN110647788A (en) | Human daily behavior classification method based on micro-Doppler characteristics | |
Jiang et al. | Detection of underwater acoustic target using beamforming and neural network in shallow water | |
RU2682088C1 (en) | Method of detection and neural network recognition of the signs of the fields of different physical nature generated by marine purposes | |
Durofchalk et al. | Data driven source localization using a library of nearby shipping sources of opportunity | |
CN112415467B (en) | Single-vector subsurface buoy target positioning implementation method based on neural network | |
Henderson et al. | Spiking Neural Networks for LPI Radar Waveform Recognition with Neuromorphic Computing | |
RU2695527C1 (en) | Scalable system for detection and classification of marine targets with elements of artificial intelligence | |
CN115952840A (en) | Beam forming method, arrival direction identification method, device and chip thereof | |
RU2726992C1 (en) | System for detection and classification of sea targets using mathematical model of target type determination | |
CN113109795B (en) | Deep sea direct sound zone target depth estimation method based on deep neural network | |
Gantayat et al. | An efficient direction‐of‐arrival estimation of multipath signals with impulsive noise using satin bowerbird optimization‐based deep learning neural network | |
RU2724990C1 (en) | Method of detecting and classifying sea targets using a mathematical model of determining the type of target | |
RU2697719C1 (en) | Marine monitoring system with programmable neuron network control system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200417 |