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专利号: 2021105726240
申请人: 青岛科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于深度学习的水声阵列信号二维波达方向估计方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:

S1:建立水声L型均匀线阵接收模型并接收水声信号;

S2:基于改进的小波变换,提取水声信号时频特征;

S3:基于奇异值分解对所述S2提取的时频特征进行压缩降维;

S4:根据压缩降维后的时频特征,搭建卷积神经网络;

S5:利用所述S1、S2和S3构建的数据集,训练所述S4搭建的卷积神经网络,得到二维波达方向估计模型;

S6:实际接收的待测水声信号进行所述S2和S3处理,处理后的待测数据时频特征导入所述S5得到的二维波达方向估计模型,最终输出预测结果;

所述S2具体包括:

S2‑1:采用复Morlet小波作为小波变换的基函数提取水声信号的时频特征,其数学表达式如下:

其中,Ω为复Morlet小波的中心角频率;

S2‑2:对于任意函数f(t)的连续小波变换定义表示为式中,a为尺度因子,b为平移因子;

S2‑3:提取的水声阵列信号的时频特征表示为T

其中,Ya(b)=[ya,1(b),ya,2(b),...,ya,M(b),ya,M+1(b)…,ya,2M(b)] 是阵列接收信号的T

小波系数向量,由信号s(t)经过小波变换之后得到;Na(b)=[na,1(t),na,2(t),...,na,2M(t)]是噪声的小波系数; 是2M×1的时频导向矢量矩阵 ,是2M×1的阵列模型数据时频导向矢量,τi为第i个阵元的接收时延,其表达式为:S2‑4:已知水声信号的频率为f0,利用线性因子ε对小波系数进行过滤,线性因子ε的数学表达式为:

其中,f为小波系数频率,[fl,fh]为水声信号的有效频带;

则改进后水声信号时频特征表示为:所述S4中的卷积神经网络设计为:S4‑1:由于S3中降维后的时频特征的维度为2M×2N,因此设计输入层的结构为2M×2N×1;

S4‑2:第一层卷积层采用J1个卷积核,卷积核大小为1×2N,步长为p1,增强时频特征实虚部间的特征关系;

S4‑3:第二层卷积层采用J2个卷积核,卷积核大小为M×1,步长为p2,增强各个子阵列内部时频特征的联系;

S4‑4:第三层为全连接层,采用R个神经元,增强特征间的联系;

S4‑5:第四层为全连接层,将S4‑4得到的结果2N次送入第四层全连接层,实现特征和样本标签的映射;采用Softmax激活函数输出分类结果,并将输出结果拼接得到最终输出结果;

S4‑6:卷积层的激活函数均采用Rule,其数学表达式为:

2.如权利要求1所述的水声阵列信号二维波达方向估计方法,其特征在于,所述S1具体包括:

S1‑1:L型均匀线阵由平面上的两个分别沿x轴和y轴的M元均匀线阵组成,相邻阵元间隔为d,等于信号半波长,坐标原点处的阵元看作参考阵元,各阵元各向同性;假设有频率为f、声速为v的远场窄带水声信号以波长λ入射到2M‑1个阵元组成的L型阵列上,其中入射信号与x轴、y轴的夹角分别用α和β表示,设信号的方位角与俯仰角分别为θ和 则t时刻L型阵列接收到的沿x轴和y轴方向的数据模型表示为:式中,t=1,2,...,K,K表示快拍数;s(t)表示信源在t时刻的信号矢量;阵列流型矩阵分别为

其中,

分别表示子阵X和子阵Y的导向矢量;

S1‑2:分别将子阵X和子阵Y各阵元的接收信号顺序排列,排列后的信号矢量表示为:x T y T T

X(t)=[x(t) x(t) ]其中,

3.如权利要求1所述的水声阵列信号二维波达方向估计方法,其特征在于,所述S3具体为:

S3‑1:对水声信号的时频特征进行奇异值分解:H

W=U∑V

2M×K

其中,W∈C ;

2M×N

S3‑2:构造降维时频特征WSV∈CWSV=U∑DN=WVDN其中,N为信源个数,DN=[IN0],IN表示N×N维单位矩阵;

S3‑3:对降维后的时频特征进行实虚部分离并拼成两列,表示为:W′SV=[real(WSV) imag(WSV)]。

4.如权利要求1所述的水声阵列信号二维波达方向估计方法,其特征在于,所述S5包括:

S5‑1:根据S1‑S3构造水声信号时频特征数据集,数据集可以表示为其中,l为样本容量, 为网络输入,(1) (2) (l) (i) δ×2N{P ,P ,...,P }为深度学习分类标签,P ∈C ,i=1,2,...,l,δ表示角度最大类别数,即将方位角与仰角以1°为间隔划分为离散的角度,方位角范围从‑60°到60°,仰角范围从0°到90°,并将其转化为one‑hot标签的形式,仰角标签90°之后的类别使用0来填充;

S5‑2:将数据集以8:2的比例划分为训练集、测试集;

S5‑3:使用训练集训练网络模型,利用测试集验证模型准确性,完成水声阵列信号二维DOA估计模型的训练。