張 軍，黎俊楠，張繼明，趙 藝，陸俊峰

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001)

基于EMI與ANN技術(shù)的水下目標探測系統(tǒng)

張 軍，黎俊楠，張繼明，趙 藝，陸俊峰

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001)

目前水下目標的探測方式主要是激光探測和聲波探測。本文提出一種基于壓電阻抗（EM I）與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)的水下目標探測系統(tǒng)，設(shè)計了一種具有探測水下特定頻率信號目標能力的潛航器，分析了該潛航器的主要結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方式；使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立定位探測系統(tǒng)，結(jié)合三球定位原理，實現(xiàn)了對目標信號空間位置更精確的定位。

EM I；ANN；目標識別；頻率探測；定位探測

0 引 言

當前對水下目標固頻信號的探測手段較少且比較單一，大多是建立聲基陣，由于所需基線長、需要的操作平臺較大、作用距離不夠，并且接受的數(shù)據(jù)難以處理。趙安邦等[1]制作出1套激光聲水下目標探測系統(tǒng)，提高我國海洋監(jiān)察能力；林偉等[2]針對水下探測系統(tǒng)探測船舶磁場信號，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對低頻量進行訓練學習，提取出特征信號，可以顯著提高信噪比，實現(xiàn)對船舶信號的檢測能力；孫嵐等[3]提出利用重力梯度進行潛艇探測新方法，對不同位置重力分析，最終可以實現(xiàn)1 000m范圍的探測。

本文提出利用壓電阻抗技術(shù)識別所測信號的頻率，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將實驗系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)分類存儲作為訓練材料，從而實現(xiàn)對目標固頻信號定位。

1 EMI與ANN模型的建立

1.1 EMI技術(shù)

EM I技術(shù)是利用壓電智能材料的壓電特性，通過分析PZT與結(jié)構(gòu)的耦合特性得出耦合結(jié)構(gòu)電阻抗與機械阻抗之間的關(guān)系，由測量電阻抗間接測得機械阻抗[4]。

1.1.1 機械阻抗

假設(shè)系統(tǒng)初始相位為0，則該單自由度系統(tǒng)的運動方程為：

于是微分方程可化為：

同理可得

其中：ZD，ZV，ZA分別為位移阻抗，速度阻抗和加速度阻抗；F為產(chǎn)生單位的位移響應(yīng)，速度響應(yīng)及加速度響應(yīng)所需要提供的激振力。

1.1.2 機電耦合

壓電阻抗技術(shù)是將機械結(jié)構(gòu)和壓電材料耦合在一起，利用耦合的雙方相互依賴、相互影響，且壓電材料在極化后具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)特性，由壓電材料的性質(zhì)得出機械機構(gòu)的性質(zhì)。

對PZT壓電陶瓷片施加z方向的交變電壓，產(chǎn)生x方向的變形，則PZT在無約束的自由狀態(tài)下x方向的振動為：

PZT與構(gòu)造物的耦合的協(xié)調(diào)性、平衡性可描述為：

求得整個耦合系統(tǒng)的振動位移為：

因此，PZT振動的速度為：

由壓電方程組中力與位移的關(guān)系知，自由端等效激勵力為：

根據(jù)機械阻抗的定義Z=F/V可求得PZT的機械阻抗值為：

簡化后，可得整個振動系統(tǒng)的振動位移方程：

計算得PZT的電位移為：

其中，大多數(shù)智能材料在應(yīng)用時的頻率范圍低于其一階共振頻率，可以認為，即。再根據(jù)PZT壓電陶瓷片的電場強度和阻抗定義Z=U/I，可知PZT的電阻抗為：

1.2 ANN技術(shù)

ANN技術(shù)即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種使用數(shù)目龐大的簡單計算單元間的相互連接，這些簡單計算單元就是“神經(jīng)元”或者“處理單元”。

神經(jīng)元的模型如圖3所示，單個神經(jīng)元擁有突觸、加法器、激活函數(shù)3種基本元素。每個突觸都有一個有范圍的權(quán)值作為基本特征。加法器用于求出經(jīng)過突觸加權(quán)后的輸入信號之和。激活函數(shù)也稱壓制函數(shù)，是將輸出限制在允許范圍之內(nèi)，一般為單位閉區(qū)間[0，1]或[–1，+1]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）是一種按照逆向傳播算法訓練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有非線性特性、大量并行分布結(jié)構(gòu)以及學習和歸納能力，對于無法用明確的模型表示的數(shù)據(jù)是一種很好的處理方法，可以實現(xiàn)對于目標位置的識別。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有2個顯著特點：1）信號向前傳播；2）誤差反向傳播。

用BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并編寫出針對超聲信號識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對于水下固定頻率目標的位置識別，采取的辦法是利用ANN技術(shù)，將探測到的不同位置的頻率信號位置參數(shù)輸入BP網(wǎng)絡(luò)，用于完成對水下目標隨機位置的識別測試，完成所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)對水下目標位置的識別。

2 基于EMI和ANN的水下目標探測系統(tǒng)

該水下目標探測系統(tǒng)主要分為2部分：一是探測主體，一種具有測量阻抗能力的水下潛航器；一是探測方法，以確保探測范圍足夠大，搜索方式更高效、更具有針對性。

2.1 水下潛航器結(jié)構(gòu)

如圖4所示為潛航器[5]的基本結(jié)構(gòu)圖，該裝置主要由上浮下潛、測量、動力和無線通信4部分組成。上浮下潛主要是指由純水液壓泵和水箱共同工作來控制潛航器在水中的深度位置；測量部分由PZT壓電傳感器和阻抗分析儀為主要部分組成，其中PZT壓電傳感器基座是鑄鋁制成的，內(nèi)部均勻地燒結(jié)一層PZT壓電陶瓷；動力部分主要由推進裝置和電源等部分組成；無線通訊部分主要由包裹天線的雙頭螺紋管和穩(wěn)定天線的浮標以及天線組成。

潛航器在水中應(yīng)具有基本的上浮下潛、行走、收發(fā)數(shù)據(jù)、突發(fā)事件應(yīng)急處理的能力。由于數(shù)目龐大的潛航器在水中行駛，因此使用遠程控制潛航器自主作業(yè)的方式進行搜索更方便。水上測量船主要負責調(diào)動潛航器以及分析潛航器發(fā)送的數(shù)據(jù)，與潛航器之間的交流主要通過無線通信的方式[6]。

2.2 水下目標探測原理

由于海底背景噪音復雜[7]，而壓電阻抗技術(shù)進行聲探測的基本原理是對所接收的聲波頻率與PZT陶瓷片的掃描激勵頻率進行同頻共振放大[8]，因此應(yīng)先探測出被搜索目標工作時所輻射噪聲的功率譜來進行水下目標的定位。

由圖5可以看出壓電阻抗法可以很好的得到物體的固有特性，且準確度較高。

2.3 基于EMI和ANN的水下目標探測實驗

在某海域有一個水下移動潛體a，則探測方法如下所述[9]：

以水下移動潛體a位置固定，且水下移動潛體a發(fā)出頻率40 kHz的噪聲為例來說明水下移動潛體a位置的識別方法。

1）將潛航器b、潛航器c、潛航器d上的阻抗分析儀的掃頻范圍設(shè)定為 39.9～40.1 kHz，將 40 kHz的水下移動潛體a放入目標海域，通過測量船基站向潛航器發(fā)出掃頻指令，掃頻后把數(shù)據(jù)傳回測量船基站進行分析，當潛航器都能掃頻到穩(wěn)定的40 kHz的水下移動潛體a時，說明潛航器b，c，d都進入到水下移動潛體a所在附近海域；

2）基于ANN的水下目標識別數(shù)據(jù)庫

將采集的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，在對水下移動潛體a探測定位中，位置編碼能顯示水下移動潛體a的位置，設(shè)置位置為對比信號 50 m，500m，1 000 m，2 000m，3 000m；則不同位置的編碼用 6 階單位矩陣E表示；

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)測試次數(shù)的上限定為1 000次，網(wǎng)絡(luò)的收斂率為0.01，網(wǎng)絡(luò)的測試誤差定為0.001；網(wǎng)絡(luò)的隱藏層節(jié)點數(shù)為16，網(wǎng)絡(luò)的輸出層節(jié)點為6；最終的目標輸出向量E1與E一致時，探測定位水下移動潛體a的網(wǎng)絡(luò)滿足要求；

以距離為1 900m的測試數(shù)據(jù)為例，輸入圖6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)檢驗分析，測得水下移動潛體a在距離潛航器 a 2 000m 附近，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效。

3）確定水下移動潛體a的位置

當潛航器b檢測到信號時，則水下移動潛體a在該潛航器b測量范圍內(nèi)，此時，操控其余潛航器c和潛航器d分別往該潛航器b的四周運動，并檢測信號，直到潛航器c和潛航器d能分別檢測到目標信號為止；在t時刻，潛航器b、潛航器c、潛航器d的空間坐標、、由GPS定位組件獲得；通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，確定潛航器b、潛航器c、潛航器d距水下移動潛體a的距離分別為L1、L2、L3；則水下移動潛體a必定在以潛航器b為圓心L1為半徑的球面、以潛航器c為圓心L2為半徑的球面和以潛航器d為圓心L3為半徑的三球面的水下交點處。

當?shù)玫剿乱苿訚擉wa位置后可以根據(jù)所測得數(shù)據(jù)確定水下移動潛體a的運動軌跡，具體方式如下：

同理，在下一個t1時刻的水下移動潛體a的位置坐標；

在t2時刻的水下移動潛體a的位置坐標；

在t3時刻的水下移動潛體a的位置坐標；

…

在tn的水下移動潛體a的位置坐標。

由時間坐標t，t1，t2，…，tn與位置坐標，，，…，，經(jīng)過回歸分析，得到水下移動頻率目標在不同時刻的運動軌跡方程。

3 結(jié) 語

1）基于壓電阻抗法探測聲波信號時，信號源與探測器間的距離與實驗所測得阻抗值直接相關(guān)，距離越小，阻抗值越大；信號源的發(fā)射頻率與探測器檢測到的頻率一致。該實驗直接表明使用壓電阻抗法在水下檢測發(fā)射固定頻率聲波信號的目標可行。

2）使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練完成后的網(wǎng)絡(luò)在驗證樣本測試下基本與訓練樣本保持一致；結(jié)合三球定位原理，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的用于定位探測到的水下固頻信號的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對目標信號空間位置更精確的定位。

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[9]汪天博.基于EM I與ANN技術(shù)水下固定頻率信號探測研究[D].淮南:安徽理工大學,2015.

Underwater target detection based on EM I and ANN

ZHANG Jun,LIJun-nan,ZHANG Ji-m ing,ZHAO Yi,LU Jun-feng
(InstituteofMechanical Engineering,AnhuiUniversity of Scienceand Technology,Huainan 232001,China)

Themajorway to detect the underwater targetare acoustic detection and laser detection presently.The underwater detection system based on piezoelectric impedance and artificial neural network was given in this paper,the autonomous underwater vehicle which can detect the special frequency signal was designed,the major structure,motion mode,control mode were analyzed.The detection system based on BP neural network was built,combine the three ball positioning principle,the signal spatial position is more accurate.

EM I；ANN；target recognition；frequency detection；position detection

TB551

A

1672–7649(2017)12–0086–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.018

2017–09–12；

2017–09–19

國家自然科學基金資助項目(51175005)

張軍(1963–)，男，教授，主要從事機電液一體化和阻抗理論研究。