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基于时频分析和迁移学习的舰船尾流检测方法

刘罡 李永胜 刘礼文 王晨宇

刘罡, 李永胜, 刘礼文, 等. 基于时频分析和迁移学习的舰船尾流检测方法[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(4): 465-473 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108013
引用本文: 刘罡, 李永胜, 刘礼文, 等. 基于时频分析和迁移学习的舰船尾流检测方法[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(4): 465-473 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108013
LIU Gang, LI Yong-sheng, LIU Li-wen, WANG Chen-yu. Method of Ship Wake Detection Based on Time-Frequency Analysis and Transfer Learning[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(4): 465-473. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108013
Citation: LIU Gang, LI Yong-sheng, LIU Li-wen, WANG Chen-yu. Method of Ship Wake Detection Based on Time-Frequency Analysis and Transfer Learning[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(4): 465-473. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108013

基于时频分析和迁移学习的舰船尾流检测方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108013
详细信息
    作者简介:

    刘罡:刘 罡(1995-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为声自导信号处理

  • 中图分类号: TJ630.1; U666.7

Method of Ship Wake Detection Based on Time-Frequency Analysis and Transfer Learning

  • 摘要: 舰船尾流检测是当今水下航行器检测及跟踪水面舰船的有效途径之一。然而, 基于时域特征的传统尾流检测方法受限于主观经验及复杂多变的海洋环境, 在舰船尾流智能检测方面具有一定的局限性。针对复杂环境下传统尾流检测方法精度和适应性不足的问题, 引入深度学习理论提升模型的自主学习和环境适应能力, 且考虑到舰船尾流样本获取困难, 提出了一种基于时频分析和迁移学习的舰船尾流检测方法。该方法首先利用短时傅里叶变换提取尾流信号的时频域特征, 然后采用参数冻结和微调的策略, 完成预训练卷积神经网络的模型迁移, 最终实现了小样本下舰船尾流的有效检测。结合实航数据的尾流检测试验, 结果表明: 相比于传统尾流检测算法, 基于时频分析和迁移学习的尾流检测方法正确率提升了10%左右, 最高可以达到97.49%, 兼具了时间成本低、样本需求少和识别性能高的特点, 具有明显优势。

     

  • 图  1  尾流探测示意图

    Figure  1.  Diagram of wake detection

    图  2  实测与仿真数据对比

    Figure  2.  Comparison between measured data and simulation data

    图  3  尾流回波与非尾流回波对比

    Figure  3.  Comparison between wake echo and non-wake echo

    图  4  无尾流回波时频图

    Figure  4.  Time-frequency map of non-wake echo

    图  5  尾流回波时频图

    Figure  5.  Time-frequency map of wake echo

    图  6  经典CNN结构

    Figure  6.  Typical structure of CNN

    图  7  舰船尾流检测框架

    Figure  7.  Ship wake detection framework

    图  8  基于CNN模型的迁移学习策略

    Figure  8.  Transfer learning strategy based on CNN model

    图  9  不同训练样本条件下迁移学习性能对比

    Figure  9.  Performance comparison of transfer learning methods based on different training samples

    图  10  迁移学习与深度学习训练过程对比

    Figure  10.  The training process comparison between transfer learning and deep learning

    图  11  不同冻结参数方法训练过程对比

    Figure  11.  The training process comparison between different freezing parameter methods

    图  12  不同迁移学习模型训练过程对比

    Figure  12.  The training process comparison between different transfer learning models

    表  1  3种算法性能对比

    Table  1.   Performance comparison among three methods

    方法虚警率/%漏警率/%正确率/%
    传统时域检测15.057.5486.84
    时频图+深度学习12.787.2188.45
    时频图+迁移学习3.733.2096.37
    下载: 导出CSV

    表  2  不同冻结参数方式性能对比

    Table  2.   Performance comparison of different freezing parameter methods

    参数冻结层测试正确率/%运算时间/s
    1Layer1~Layer789.11204
    2Layer1~Layer594.26223
    3无冻结96.37266
    下载: 导出CSV

    表  3  不同迁移学习模型泛化能力对比

    Table  3.   Generalization ability comparison between different transfer learning models

    模型输入尺寸测试正确率/%运算
    时间/s
    AlexNet227×22796.37266
    ShuffleNet224×22495.84773
    ResNet-50224×22496.401 410
    Inception-V3299×29997.496 749
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-13
  • 修回日期:  2021-10-09
  • 录用日期:  2021-10-27
  • 网络出版日期:  2022-09-06

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