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        基于單波束聲吶的沉積層參數(shù)序貫估計(jì)

        2021-06-10 05:42:12肖旭任群言蘇林馬力鹿力成
        關(guān)鍵詞:底質(zhì)換能器全局

        肖旭, 任群言, 蘇林, 馬力, 鹿力成

        (1.中國(guó)科學(xué)院 水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190; 2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京 100190; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

        淺海水聲環(huán)境往往呈現(xiàn)水平非均勻性,其中海底底質(zhì)聲學(xué)特性的水平變化是其主要表現(xiàn)之一。由于直接采樣測(cè)量海底底質(zhì)聲學(xué)特性的方法過程繁瑣、成本高昂,許多研究聚焦于利用聲學(xué)信號(hào)反演沉積層聲學(xué)參數(shù)的間接方法。一種典型間接方法是基于單波束測(cè)深儀的沉積層地聲參數(shù)反演方法[1]。它基于海底高頻反向散射的復(fù)合粗糙度模型[2],給出小入射角高頻聲波海底反向散射聲信號(hào)包絡(luò)時(shí)域建模方法[3],并通過海底反向散射信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行地聲參數(shù)反演[4]。

        地聲參數(shù)反演問題通??闯梢粋€(gè)非線性優(yōu)化問題,將各種全局優(yōu)化算法(模擬退火、遺傳算法等)應(yīng)用于求代價(jià)函數(shù)最優(yōu)解問題[5]。此類方法在尋優(yōu)過程中需反復(fù)調(diào)用正演模型計(jì)算,普遍存在計(jì)算開銷大、收斂速度慢,以及易陷入局部最優(yōu)、超參數(shù)調(diào)優(yōu)困難等問題??紤]到在實(shí)際的海洋測(cè)試中,海底底質(zhì)特性在局部區(qū)域隨距離變化的過程較為緩慢,這為地聲參數(shù)的序貫估計(jì)提供了可行性。

        卡爾曼濾波是一種典型序貫估計(jì)算法[7],可對(duì)線性或非線性系統(tǒng)中狀態(tài)變量和參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)[8],利用卡爾曼濾波框架進(jìn)行序貫估計(jì)的方法已被有效應(yīng)用于水聲目標(biāo)測(cè)距[9]、聲速剖面反演[10]等領(lǐng)域??柭鼮V波過程分為預(yù)測(cè)和校正2個(gè)步驟,可根據(jù)正演模型預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差反饋,自適應(yīng)地更新對(duì)狀態(tài)變量的激勵(lì),從而校正模型參數(shù)的預(yù)測(cè)值。

        本文提出了一種利用卡爾曼濾波對(duì)海底反向散射回波進(jìn)行沉積層參數(shù)序貫估計(jì)的方法,將模型應(yīng)用于2018年8月采集的海試數(shù)據(jù),獲得測(cè)線上海底底質(zhì)類型平均粒徑分布,并與全局優(yōu)化算法中性能較優(yōu)的模擬退火算法進(jìn)行了計(jì)算效率和反演精度的對(duì)比。

        1 高頻海底反向散射包絡(luò)模型

        I(t)=Ii(t)+Iv(t)

        (1)

        式中:Ii為海底粗糙界面散射包絡(luò);Iv為海底介質(zhì)體積散射包絡(luò),假設(shè)兩者相互獨(dú)立。Ii是一個(gè)亥姆霍茲衍射積分方程的Kirchhoff近似解,考慮了單波束聲吶系統(tǒng)的安放位置、指向性、信號(hào)特征、水體擴(kuò)展和吸收等,可以很好地描述沉積層界面反向散射的物理過程,特別是在小入射角條件下。體積散射信號(hào)包絡(luò)Iv考慮了界面粗糙度對(duì)體積散射的影響。根據(jù)Sternlicht等[3]的模型,散射回波包絡(luò)聲壓最終表示為:

        (2)

        式中:ρw和vw分別為水層的密度和聲速;Mz為海底底質(zhì)平均粒徑,其他參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[14]計(jì)算。

        2 沉積層參數(shù)估計(jì)

        2.1 全局優(yōu)化方法

        地聲參數(shù)反演問題通??醋魇欠蔷€性數(shù)值優(yōu)化問題,以待反演參數(shù)為決策變量,確立代價(jià)函數(shù)和優(yōu)化的可行域,即決策變量的搜索區(qū)間,并給定其須滿足的約束條件,通過全局優(yōu)化方法進(jìn)行迭代計(jì)算,最終得到模型參數(shù)的全局最優(yōu)解。

        利用包絡(luò)反演海底聲學(xué)和散射特性參數(shù)通常采用最小二乘均方誤差函數(shù)作為優(yōu)化問題中的代價(jià)函數(shù)[5]:

        (3)

        常用的非線性全局優(yōu)化算法包括模擬退火算法[11]、遺傳算法[12]、粒子群算法[13]等。利用此類算法對(duì)海底底質(zhì)平均粒徑Mz進(jìn)行搜索,通過多次迭代使式(3)中的代價(jià)函數(shù)最小化。在與序貫估計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析時(shí),本文采用模擬退火作為反演模型的優(yōu)化算法。

        2.2 無跡卡爾曼濾波

        無跡卡爾曼濾波(unscented Kalman filter,UKF)是通過無跡變換(unscented transform,UT)產(chǎn)生一系列確定樣本來逼近狀態(tài)的后驗(yàn)概率密度,既沒有線性化忽略高階項(xiàng)的過程,也不用求解雅可比矩陣[7]。綜合考慮濾波性能和運(yùn)算效率,UKF是3種方法中的首選。

        基于隱馬爾可夫模型[15],卡爾曼濾波首先建立狀態(tài)空間方程。假設(shè)非平穩(wěn)隨機(jī)過程中Xk為系統(tǒng)狀態(tài),狀態(tài)空間方程表示為:

        Xk=fk(Xk-1,Vk)

        (4)

        Yk=hk(Xk-1,Wk)

        (5)

        式中:Xk和Yk的方程表達(dá)式又分別稱為系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程;Vk和Wk分別為模型中狀態(tài)噪聲與觀測(cè)噪聲,兩者之間互不相關(guān)。利用無跡變換選取2n+1個(gè)采樣點(diǎn)作為Sigma點(diǎn)集:

        (6)

        采樣點(diǎn)的權(quán)值ω(i)為:

        (7)

        UKF在此求出一組Sigma點(diǎn)的預(yù)測(cè),并對(duì)他們加權(quán)求均值,得到系統(tǒng)狀態(tài)和協(xié)方差的預(yù)測(cè)值:

        (8)

        (9)

        (10)

        根據(jù)預(yù)測(cè)值,再次利用UT變換產(chǎn)生新的Sigma點(diǎn)集,并代入觀測(cè)方程得到預(yù)測(cè)的觀測(cè)量:

        (11)

        (12)

        接著,通過加權(quán)求和得到系統(tǒng)預(yù)測(cè)的均值及協(xié)方差,并計(jì)算卡爾曼增益和系統(tǒng)狀態(tài)的協(xié)方差更新:

        (13)

        (14)

        (15)

        (16)

        (17)

        最后對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量的預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正:

        (18)

        3 海上實(shí)驗(yàn)

        3.1 實(shí)驗(yàn)概況

        本試驗(yàn)于2018年8月在黃海進(jìn)行,通過走航式測(cè)量海底散射回波,主要目的是對(duì)沉積物聲學(xué)特征遙測(cè)的可行性進(jìn)行研究。走航試驗(yàn)開始于試驗(yàn)海區(qū)E1站位點(diǎn)(36°00.180 4′N 121°36.804 0′E),利用收發(fā)合置換能器發(fā)射 25 kHz單頻信號(hào)和線性調(diào)頻信號(hào),于次日到達(dá)E2站位點(diǎn),全程約為130 km。

        本次試驗(yàn)采用的換能器聲源級(jí)和接收靈敏度較高,25 kHz聲源級(jí)為212.72 dB,接收靈敏度為-186.1 dB,收發(fā)合置換能器具有較好的指向性,如圖1所示。圖2給出了收發(fā)合置換能器上羅經(jīng)監(jiān)測(cè)的換能器姿態(tài),在實(shí)驗(yàn)的后半部分隨海況惡化其姿態(tài)有所偏離,在反向散射包絡(luò)的建模中引入了對(duì)指向性的糾正。

        圖1 換能器指向性Fig.1 Directionality pattern of SBS

        圖2 換能器姿態(tài)監(jiān)視Fig.2 Pitch and roll angle of SBS along the track

        通過對(duì)發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行處理得到換能器距離海底深度,如圖3所示。水深在80 km處有相對(duì)較小的波動(dòng),其他較為平穩(wěn)。圖4給出了E1和E2站位測(cè)量的水文聲速剖面,在15~20 m海深處存在明顯的躍變層,在此聲速剖面基礎(chǔ)上計(jì)算信號(hào)的傳播時(shí)間。

        圖3 測(cè)線海水深度Fig.3 Water depth along the track

        圖4 聲速剖面曲線Fig.4 Speed of sound profile

        3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

        實(shí)驗(yàn)中發(fā)射了頻率為25 kHz,時(shí)間脈沖長(zhǎng)度為2 ms的單頻信號(hào)。信號(hào)采樣頻率為500 kHz,同時(shí)記錄了功率放大器監(jiān)視信號(hào)和收發(fā)合置換能器信號(hào)。散射信號(hào)包絡(luò)的獲取是通過對(duì)濾波后的原始信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換并取絕對(duì)值獲得。圖5給出了第40組100個(gè)信號(hào)的海底散射回波包絡(luò)圖,可以看出由于海底的深度變化和換能器的上下浮動(dòng)等因素,接收信號(hào)的包絡(luò)到達(dá)時(shí)刻變化很大。由于收發(fā)合置換能器具有較高的源級(jí),接收信號(hào)信噪比較高,故對(duì)信號(hào)包絡(luò)可采用最小門限法[5]進(jìn)行對(duì)齊。圖6給出了信號(hào)的第40組包絡(luò)對(duì)齊結(jié)果。在走航過程中海底的散射不同獲得的信號(hào)包絡(luò)差別較大,對(duì)獲取的散射回波包絡(luò)每100個(gè)樣本進(jìn)行平均,共得到80組信號(hào)包絡(luò)。

        圖5 第40組信號(hào)的海底散射回波包絡(luò)Fig.5 Original backscatter envelopes of color plot for the 40th dataset

        圖6 第40組海底散射回波包絡(luò)對(duì)齊結(jié)果Fig.6 Aligned backscatter envelopes of color plot for the 40th dataset

        基于最小門限法對(duì)齊的信號(hào),對(duì)獲取的信號(hào)回波包絡(luò)進(jìn)行80%的重疊平均處理,獲得整個(gè)E1—E2測(cè)線海底散射回波包絡(luò),如圖7所示。利用獲得的信號(hào)的80組包絡(luò)分別進(jìn)行海底聲學(xué)參數(shù)全局優(yōu)化反演和序貫估計(jì)。

        圖7 整個(gè)測(cè)線海底散射回波包絡(luò)Fig.7 The experimental backscatter envelope on the track

        3.3 序貫估計(jì)和全局優(yōu)化反演

        圖8給出了海底底質(zhì)平均粒徑值Mz分別取3.56、4.70、7.40時(shí)高頻海底反向散射包絡(luò)模型預(yù)報(bào)的散射包絡(luò)。當(dāng)Mz增大時(shí),單波束聲吶接收到的聲強(qiáng)度增大,散射包絡(luò)的面積增大。在該模型的基礎(chǔ)上可利用預(yù)處理后的80組散射信號(hào)包絡(luò)分別進(jìn)行海底聲學(xué)參數(shù)全局反演和序貫估計(jì)。

        圖8 不同海底底質(zhì)平均粒徑值的預(yù)報(bào)包絡(luò)Fig.8 Prediction envelope of different mean grain sizes

        首先,利用全局優(yōu)化法分別對(duì)80組散射包絡(luò)進(jìn)行地聲參數(shù)反演,所用算法為SA,搜索區(qū)間為 [0,10],初始溫度T0=100,溫度變化率ΔT=0.98,設(shè)多個(gè)終止條件,當(dāng)10次迭代內(nèi)目標(biāo)函數(shù)平均變化率δ<10-3或代價(jià)函數(shù)值小于0.02時(shí)終止迭代,且最大迭代次數(shù)Nmax=50。其次,利用序貫估計(jì)法對(duì)80組散射包絡(luò)依序進(jìn)行地聲參數(shù)估計(jì),所用算法為UKF,為獲取相對(duì)準(zhǔn)確的初始狀態(tài)值,將第1組包絡(luò)的全局優(yōu)化反演結(jié)果作為UKF初始狀態(tài),UKF初始狀態(tài)協(xié)方差設(shè)為單位矩陣I。序列長(zhǎng)度設(shè)為80,對(duì)應(yīng)信號(hào)的80組散射包絡(luò)。由于地聲參數(shù)在短距離內(nèi)的狀態(tài)變化可視為緩變過程,令式(4)中狀態(tài)方程為Xk=Xk-1+Vk。其中Vk表示k時(shí)刻過程中的隨機(jī)擾動(dòng),服從均值為零、協(xié)方差矩陣為Q=qI的高斯分布;式(5)測(cè)量方程設(shè)為Yk=hk(Xk-1)+Wk,hk為式(3)給出的函數(shù),Wk表示測(cè)量噪聲,服從均值為零、方差為r的高斯分布。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程和測(cè)量特性將q設(shè)為0.01,r試設(shè)為1和2。

        圖9(a)和圖9(b)分別給出了SA和UKF預(yù)測(cè)包絡(luò)與實(shí)測(cè)包絡(luò)的最小二乘均方誤差隨距離變化的針狀圖。由于SA在誤差收斂到一定閾值時(shí)終止搜索,其預(yù)測(cè)精度較為穩(wěn)定。UKF根據(jù)預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差反饋,自適應(yīng)地調(diào)整待估參數(shù)的激勵(lì),由圖可見在拐點(diǎn)附近UKF可及時(shí)調(diào)整狀態(tài)參數(shù)的更新量以減小預(yù)測(cè)誤差,但在海底底質(zhì)劇變區(qū)測(cè)量誤差增大,這是因?yàn)闋顟B(tài)轉(zhuǎn)移方程假定動(dòng)態(tài)模型為緩變過程。SA和UKF的最小二乘均方誤差均控制在0.05以下,表明預(yù)測(cè)結(jié)果可信度尚好。

        圖9 2種方法預(yù)測(cè)的最小二乘均方誤差隨距離變化針狀圖Fig.9 Stem figure of least square mean square error at different distance predicted by two methods

        利用序貫估計(jì)的海底聲學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)海底散射包絡(luò)隨距離如圖10所示。通過對(duì)比圖7可知預(yù)測(cè)的海底散射包絡(luò)與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)較好。

        圖10 利用序貫估計(jì)的海底聲學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)海底散射包絡(luò)Fig.10 The seafloor backscattering envelope predicted by sequential estimation

        圖11給出了全局優(yōu)化法和序貫估計(jì)法對(duì)海底底質(zhì)平均粒徑Mz的預(yù)測(cè)與海底底質(zhì)分類結(jié)果。從圖中可以看出UKF與SA的底質(zhì)分類結(jié)果基本一致,從大約60 km處海底底質(zhì)平均粒徑變小,表明海底底質(zhì)由軟變硬。測(cè)量噪聲方差r=2時(shí)相比r=1時(shí)測(cè)量結(jié)果曲線更加平滑,說明r的增大可使測(cè)量噪聲對(duì)模型的影響增大,使卡爾曼增益Kk減小,從而減弱系統(tǒng)的校正權(quán)值,降低了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)值。根據(jù)Wentworth分類標(biāo)準(zhǔn),獲得海底底質(zhì)平均粒徑為極細(xì)粉砂到中粉砂范圍。

        圖12給出了試驗(yàn)海區(qū)位置的海底底質(zhì)類型分布,E1—E2測(cè)線為試驗(yàn)走航測(cè)線,在試驗(yàn)起始端底質(zhì)類型為黏土質(zhì)粉砂,與反演得到的平均粒徑一致,如圖11中左側(cè)方框所示;并很快過渡到砂質(zhì)粉砂,后半段測(cè)線為粉砂質(zhì)砂,與圖11中的右側(cè)方框一致。序貫估計(jì)結(jié)果與試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果符合很好。

        圖11 海底底質(zhì)平均粒徑Fig.11 Estimation results of mean grain size

        圖12 海底底質(zhì)類型分布Fig.12 Core sampler type distribution

        利用UKF進(jìn)行一步估計(jì)時(shí),由于UKF無需同EKF一樣計(jì)算非線性函數(shù)的雅可比矩陣,其計(jì)算復(fù)雜度僅來源于UT變換中產(chǎn)生Sigma點(diǎn)集時(shí)和預(yù)測(cè)校正時(shí)所調(diào)用的正演函數(shù)計(jì)算。因此,序貫估計(jì)法所需的時(shí)間代價(jià)同全局優(yōu)化法一樣由正演程序的計(jì)算次數(shù)決定。對(duì)于序貫估計(jì)法,每組包絡(luò)固定執(zhí)行2L+1次正演模型計(jì)算,L為待估參數(shù)個(gè)數(shù);對(duì)于全局優(yōu)化法,每組包絡(luò)需執(zhí)行的正演次數(shù)由尋優(yōu)過程的迭代次數(shù)N決定,且根據(jù)預(yù)定的終止條件有所不同,每組反演所需的迭代次數(shù)根據(jù)具體收斂情況、偽峰和鞍點(diǎn)個(gè)數(shù)而不定,可達(dá)數(shù)十次到上百次不等。在Intel Core i5-9400F 2.90Ghz處理器的PC機(jī)環(huán)境下應(yīng)用Matlab計(jì)算,二者所用計(jì)算時(shí)間對(duì)比如表1所示。UKF在單次估計(jì)中平均計(jì)算時(shí)間相比SA法縮短83.4%,總體時(shí)間開銷縮短79.6%。

        表1 SA與UKF的計(jì)算時(shí)間代價(jià)對(duì)比Table 1 Calculating time cost comparison

        4 結(jié)論

        1)序貫估計(jì)預(yù)測(cè)的海底散射回波包絡(luò)與實(shí)測(cè)包絡(luò)符合較好,全局優(yōu)化反演和序貫估計(jì)法預(yù)測(cè)的最小二乘均方誤差均可控制在0.05以下,預(yù)測(cè)精度尚好。

        2)海底底質(zhì)平均粒徑的預(yù)測(cè)值與海底底質(zhì)分類分布對(duì)比具有較高的可信度。序貫估計(jì)的結(jié)果顯示,海底底質(zhì)類型在試驗(yàn)起始端為黏土質(zhì)粉砂,并很快過渡到砂質(zhì)粉砂,后半段測(cè)線為粉砂質(zhì)砂,與試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果符合很好。

        3)序貫估計(jì)法在保證和全局優(yōu)化法精度相似的情況下有效提升算法效率,參數(shù)估計(jì)消耗的平均時(shí)間顯著縮短,具有良好的研究和應(yīng)用價(jià)值。

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