海杂波背景下弱目标检测

海杂波背景下弱目标检测

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乂連謹^义聋DALIANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY破±享恆巧交MASTE民ALDISSERTATION3HE顯海杂波背景下弱目标检测学科专业——__作者姓名殷福亮教*受指导獅志韶副基襄2016年6月答辩日期 硕±学位论文海杂波背景下弱目标检测WeakTaretsDe化ctioninSea日utterg作者姓名:康克成学科、专业:信息与通信工程学号:21309075指导教师:殷福亮教授陈話副教授1完成日期:206年5月3日乂連巧义丈#DalianUniversityofTechnology 大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重寅明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中己经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其他个人或集体己经发表的研究成果,也不包含其他己申请学位或其他用途使用过的成果一同工作的同志对本研究所做的贾献。与我均&在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目:海杂波背景下弱目标检测作者签名:嚴龙艇日期:2016年5月3日__ 大连理工大学硕±学位论文摘要海面上小目标的雷达检测技术在港口交通、海浪监测、海难和空难搜救、军事侦察等场合中具有广泛应用,,这在目标检测中。对于海面上的小目标其雷达信号通常较弱是个困难的任务。此外,海面雷达信号是典型的非平稳随机信号,对其进行检测需要选择合适的特征和检测器。为了实现海面上弱目标检测,需要在复杂海杂波背景下,迅速准确地提取雷达回波信号中的有用特征信息,并进行识别分类。,主要工作如下本文研究了海面弱目标检测技术;1针对海杂波的非平稳特性,应用H参数的分数阶傅里叶变换来处理海杂波信号,()使易混淆的主目标与次目标信号特征差别增大,为后续目标识别奠定基础。tL口,用Hurs指数、yaunov指数、分形维数、多重分)根据海杂波的非平稳特征p一形谱、近似摘等对其进行表征种新的联合特征向量,,并用遗传算法优化选择选取了通过特征互补,使特征向量更好表征海杂波的特性。3将深度信念网络与隐马尔科夫模型相结合作为目标分类器,应用联合特征向量作()为模式分类器的输入进行训练,将其用于海杂波信号的分类练完成后,取得了良好;训的实验结果。c巧!数据选用加拿大MMaster大学IPIX雷达数据。仿真实验结果表明,本文的海)试杂波目标识别方法检测准确度较高,在低信噪比情况下也具有良好的检测性能。关键词:海杂波;弱目标检测;联合特征;分数阶傅里叶变换;深度信念网络;隐马尔科夫模型--1 海杂波背景下弱目标检测WeakTargetsDetectioninSeaClu行erAbstractRadardeletltttion:echniuesforsmalltareinseacluerhavebeenusedinortrafficqgp,oceanmonitoring,militaryreconnaissance,maritimeandairrescue,et;c..Astheradarsignalofsmalltargetinseacluterisveryweak,andisno打statio打ar,itisadifficulttasktodetectyweaktaret.Thecoreofsmalltargetradardetectionishowtoaccuratelyandeffectivelygextractradartaretinformationint;hestro打seaclutterbackround.Generalltheweakgggy,objectdetectionneedstochoosetheappropriatefeaturevectorsandtheclassifier.Thisthesisselectsacombinedfeaturewhichreflectstheseacluttercharacter!巧icsmorerecisel.TheseacluterdatabasesarefirstrerocessedbthreearameltFpyppyp:erfracionalouriertrttansform.Thenimeandfreuencdomainscharacterisicsofseaclutterdataincluin,qy,dgmu-HurstexonentLaunovexonentfractaldimensionltifractalsectrumcorrelationp,,ypp,p,timeandapproximateentropy,arestudiedandanewointfeaturevect;orisobtainedb,jyGeneticAlgorithmGA.FinallakindofclassifierusingtheDeeBeliefNetworkDBNis()y,p()designed,wheretheDBNisusedtotrainthefeatures,andmapiti打toafeaturespace.Afterthenetworkistrainedtoachievethedesiredeffectisusedtodet:ectandclassitheweak,fyobjectintheseaclutter.Themainworksofthisthesisareasfollows:^1TheTFRFTisroosed1whichmakesthecharac:eristicdiffeiencebetweenthesea()pp,clutersubtargetunitandthemaintargetimiti打TFRFTdomai打furtherexpand.(2AnewointfeaturevectorisobtainedbGA,whichreflectstheseaclutter)jytinformaionmorerecisel.pyTheDBN-HMM3isusedfortheclassificationofseaclutersignalandthede化ctio打(),accuracsmrovetivel.yiipdeffecyInordertoverift;heerformanceofthisalorithmIPIXdatabaseareusedfor化St.Theypg,〇deletionaccuracreach96.33/〇andishiherthanthatoft.existinalorihmsunderlowSNRy,gggObviousl比eme化odcanimrovetaretdetectionaccurac.y,p呂yKeyWords:SeaClutter;WeakTargetDetection;JointFeature;FwctionalFourierTransform;DeepBeliefNetwork;HiddenMarkovModel--II 大连理工大学硕±学位论文目录摘要IAbstractII1绪1111.研究背景及意义1.2海杂波背景下弱目标检测的研巧现状21.3本文内容与结构62课题相关背景知识721.分数阶傅里叶变换72.2非平稳随机信号特征82st.2.1Hur指数82.2.2Lyapunov指数82.2.3分形维数912.2.4多重分形谱02210..5去相关时间2.2.6近似煽11212.3深度信念网络与隐马尔科夫模型2.3.1深度信念网络132.314.2隐马尔科夫模型2.4特征选取1512.4.1特征选取过程52.46.2遗传算法13特征提取与选择183.1H参数分数阶傅里叶变换193.2特征提取2332.2.1时域特征提取33.2.2变换域特征提取%3.3特征融合与选取31.133.特征融合323.3.2特征选取33-HMM的54基于DBN弱目标检测算法341深度信念网络优化.35--III 海杂波背景下弱目标检测4丄1DBN网络训练354丄2DBN网络深度选取3747.2隐马尔科夫模型优化34.3方案与流程394.4实验仿真与结果分析40441..实验条件和评价标准404.4.2实验参数设定404.4.3实验结果与分析43444不同检测系统性能对比48..结ife51参考文献52攻读硕±学位期间发表学术论文情况56致谢5758大连理工大学学位论文版权使用授权书-V-I 大连理工大学硕±学位论文1绪论1.1研究背景及意义21世纪是海洋的世纪,对于正在晒起的中国来讲,必须掌控关乎国家战略安全和核屯、利益海域的制海权,,进入陌生海域执。随着我国海洋战略的实施人民海军走向深蓝MH-,行非战争军事行动,如索马里护航370空难搜救任、马航务等还有海警部队执行一驱离非法越境船只等系列执法工作。识别弱小目标是执行任务的必要过程,也是军用和民用对海监测的需求一。海洋是个复杂多变的环境,各种电磁条件极度恶劣,对雷达、声巧、海洋调查设备等对海监测设备的性能提出很高的要求。海杂波中的弱小目标主要包括:掠海飞行的反舰导弹、超低空突防的战斗机、处于攻击前准备状态的潜艇、在海浪中高速机动航行的海盗快艇、小型渔船W及海面上的漂浮物等。对海监视雷达是海洋,常用于军事目标跟踪监测的主要设备、民用目标搜救、环境监测、远程战略预警及遥感图像处理等W。弱小目标的雷达回波信号往往受到海杂波的强烈干扰,使得目标回波信号淹没在海杂波之中,,,造成虚警率上升监视雷达不能准确检测到目标等。目前海杂波背景下弱小目标检测问题依然是国内外没有解决的难题,是对海雷达信号处理研究一口]热点之。利用目标电磁、声光、散射等特性发现目标是进行目标检测的基本原理。目标检测面临的主要困难就是杂波干扰。海杂波是非平稳信号。如何选取能表示信号主要特性的特征向量一,是弱目标检测的关键环。特征向量的选取取决于信号的基本性质。一,,在现实应用中,如何剔除虚假目标信号的干扰锁定真实目标,也是个难题例MH-370如在马航空难搜救过程中多次发现虚假目标,减缓了搜救进程。虚假目标其特性与真实目标接近,,这给准确检测带来了困难区别不明显。随着反舰导弹新技术的发展,导弹飞行速度达到超音速,末端飞行高度降低到一 ̄510m,雷达有效步缩小,导致导弹回波信号的信杂比也越来越低反射面积进。对信号进行预处理,抑制杂波干扰,提高信号的信杂比,是目标检测方法的重要步骤。因此,快速检测海上弱小目标的方法具有重要的现实意义研究能够在低信杂比情况下。近年来随着混沈,、分形理论及其它非线性理论在雷达信号处理领域的发展运用为海杂波背景下弱目标检测提供了新的思路。通过对信号进行综合处理,提取表示信号特性的特征向量,寻找合适的分类器,这是目标检测算法的主要任务,也是本文研究的基本内容。-1一 海杂波背景下弱目标检测1.2海杂波背景下弱目标检测的研究现状从二战算起,经历,海杂波的研究己历时70余年,对海杂波的认识也越来越深入了从简单到复杂,从线性到非线性,从平稳到非平稳,从随机统计到混浊、分形等发展阶段,。海杂波与海情有着密切的关系而海情在各种复杂因素(大气环流、温度、湿度、一种复杂,盐度、洋流等)作用下呈现出、无规律变化的运动状态同时还与不同海域有W一着很大关系,甚至相同海域在不同季节其海杂波特征也不相同,同海域低海情和高一样,海清状况下其海杂波特征也不。随着高精度雷达的应用海杂波的非高斯性表现越一来越明显,因此很难用个稳定的数学模型来描述海杂波。虽然目前海杂波背景下弱目一些新方法标检测主要还是基于统计理论、混沛和分形理论来进行研究,如机器学,但习和神经网络等,也不断给海杂波研巧注入新活力。目标检测算法从本质上讲分两大部分:1特征选取。();口)模式判决器选取特征选取与海杂波模型有关,而模型建立主要基于统计理论、混浊和分形理论。下面进行简要说明。基于统计理论的海杂波研究:国内外研究人员对海杂波数学建模进行了大量理论推WW导和实验验证。最先使用单参数随机过程来模拟海杂波,比如高斯分布、瑞利分布、-e化u和对数正态分布。多参数分布模型主要有Wll分布、K分布和复合高斯分布。19704]T[1年,runk和George提出了对数正态分布和污染正态分布。976年,Schileher研究了51W海杂波的Weibull分如。Jakeman和化sey研究了海杂波的K分布模型。1980年,日本学者Sekine等用对数韦布尔分布描述了海杂波幅度变化1995年,Farina等用混W合模型描述了海杂波。由于海杂波形成的原因十分复杂,根据上述分布建立的海杂波一数学模型都存在定局限性,与实际海杂波并不能完美拟合,。近十几年来复合高斯模型得到广泛应用,其对海杂波建模的有效性得到验证。复合高斯模型物理框架与杂波性质相吻合,但无法用数学表达式进行描述。影响海杂波特征变化的因素主要有海况、海面大气温湿度、海水温度及盐度、海面M一P1风力等环境因素。海杂波具有动态、非均匀、非平稳特性。针对这特性,混浊、分形等非线性方法在海杂波的研究中得到了广泛的应用。混沛理论描述了某种不规则性。混沛系统依赖于初始值。混浊是确定性非线性系统对初始值敏感的复杂变化过程。混浊常用Lyapunov指数来描述,它体现了混浊系统对初始值的敏感程度。若Lyapunov指数为正,则该系统为混浊系统。海杂波的最大Lyapunov指数为正值,说明海杂波是混沛的,是短时可W预测的。因此海杂波背景下弱目标检测,就是抑制混祀海杂波,并从中分离出目标信息,eun()。1W3年Lg设计了-2- 大连理工大学硕±学位论文基于Lyapunov指数的神经网络预测器1995年,Haykin等提出海杂波具有有限的关UU一联维数。混浊理论是严格的时间域理论,而海杂波来自的海平面,是个运动平面,一""因此海杂波信号是个典型时空信号。混沛理论只能描述其时间域特性,不能描述其空间域特性,因此混巧理论也不能完美描述海杂波特性。2002年,Gao用严格的混沖nti定义对海杂波序列进行检测,结果海杂波并不是混巧的,。而是多重分形的于是,分一扇大口形理论打开了海杂波研究的另。分形理论是1970年代为了表征复杂图形和复杂过程由Mande化rot引入,它是非线,其实质是自相似性和标度不变形性科学研究中非常活跃的分支。分形理论的分支在雷一达目标检测中应用广泛,主要包括;迭代函数系统理论、分形布朗随机场、单分形、""一种空间上的混沛扩展分形、多重分形、多重分形关联等。在海杂波领域,分形是。分形理论适合处理非线性、非平稳信号,它在海杂波背景下的弱目标检测中得到了较好的运用和发展。分形模型反映出海杂波产生的物理机制,反映了海杂波动力学本质。基于分形理论的海杂波背景下弱目标检测,其理论基础是目标和背景分形特征差异。分形可W完美体现自然物体的形状,但对于人工物体,由于其具有规则外形,因此不能用分13[1形模型进行完整描述1993年,Lo首次提出基于分形维数阔值的目标检测算法。同。年,Kalan将小波变换引入分形维数计算,,p,提高了计算精度并在之后几年研究了分数布朗运动一tW一,并对单分形特征进行了推广。在此后,海杂波分析大多是依据单分形理论进行的。2003年Gao成功建立了海杂波多重分形模型,并对海杂波多重分形isti特征进行了研究。2007年W后,海军航空工程学院关键等对海杂波分形特性进行了W一系统研巧,提出了多种基于分形理论的弱目标检测算法。2009年Salmasi设计了种一tW计算基于同组数据不同数据段的分形维数且服从高斯分布的CFAR检测器。2013年,海军航空工程学院刘宁波等研究了海杂波FRFT谱的多重分形特性2015年,一tW南京信息工程大学行鸿彦等研究不同尺度下的海杂波FRFT域分形特征,给出了种一新的检测算法,飞等研究了海杂波AR谱的分形特。2016年2月西安电子科技大学范"91性。一要提取海杂波信号特征,首先要对信号进行滤波、去噪、时频变换等系列运算处理一。傅里叶变换是信号处理中的项重要内容。傅里叶变换由法国人傅里叶于1807年PW-提出,。1929年H用于热动力方程的简便解法,Wiener提出特征函数是ermiteGauss函数的分数阶傅里叶变换。1980年Namias首次在严格数学意义上定义了分数阶傅里叶PWFtFouTr,1AmRFT变换(racionalrieransfbrmFRfT。994年,eida将F变换解释为时^)频面上的坐标轴旋转,或者说,信号的FRFT变换可W解释为将信号在时频平面绕原点PW一口11t进行逆时针旋转。996年,Ozakas提出了种计算量与FFT相当的快速算法。至-3- 海杂波背景下弱目标检测一,此,分数阶傅里叶变换才在信号处理领域得到广泛的应用。2010年Arif提出种应u一ti-用分数阶傅里叶变换处理脉冲压缩线性调频信号的算法。2013年ElMashed等提出P3种信道均衡与分数阶傅里叶变换结合的SAR雷达信号处理方法l在国内,2005年PW ̄2009年,北京理工大学陶然等详细研究了分数阶傅里叶变换在信号处理领域的应用。特征选取即去除冗余特征和无关特征,有效提高处理效率和检测准确率。现有的海杂波特征选取主要从降低特征计算时间复杂度和虚警率等方面进行考虑,未见有针对性enec的特征选取算法。特征选择主要方法有:Holland于1W5年提出的遗传算法(Gti口4]Alorithm,GATibshirani1996年提出的Lasso算法Harrell于2001年提出g);于67口]口]的Stesize算法Efron2004的LARSLeastAnleReression算法Zoup;于年提出(gg);psi在2005年提出的ElasticNet算法等。近十年来,特征选择算法的应用有:2006年,pgi20-北京工业大学李颖新等将改进的Relief算法用于特征选取11年,ElDeren。y等将RideReression算法胃应用于特征选择。2014年西班牙学者Alexandre将GA算法用ggPU于声音信号特征的选取。2015年俄罗斯莫斯科物理与技术研究所Katrutsa等对Lasso算法、Stepsize算法、LARS算法、Ridge算法、GA算法、ElasticNet算法在特征选取上的性能进行了测试2016年美国伊利诺伊大学RunaBhaumik等比较了Lasso算法、sPiElasticNet算法在医学信号特征选取上的应用。Haykin认为目标检测问题等同于模式识别领域中模式分类问题,可W用神经网络和机器学习理论来解决该问题。海军航空工程学院关键等人在2007年将扩展分形特征作,,为输入,提出了基于Bayes分类的弱目标检测方案实验结果表明在低信噪比情况下MBP可得到较高的检测准确率。关键还提出了基于多重分形谱和神经网络的检测方9一[11案,检测准确率进步提高。203年,中国海洋大学田玉芳等提出了基于SVM的弱目标检测算法在抑制次目标干扰和低信噪比情况下,上述方法检测准确率还不够理想006年,ton提出了深度学习Learnin网络,主要观点有:。2加拿大学者Hin咕eepg)(1)深度学习神经网络具有多个隐层,因此相较传统神经网络而言,对特征的提取和学习一,,能力更强;口)由于隐层数量较多因此深度学习神经网络的训练存在定难度为了解"一"逐层初始化决这问题,常采用无监督学习来实现,也就是贪婪地逐层无监督学习、算法,并在音乐分。深度学习对特征选取和分类有着很强学习能力和适应性语音识别类^心及图像处理领域己经得到广泛应用。深度学习的结构近似于人类大脑,能储存、识,,提取数据特征,提高检测准确度别和处理大量数据找寻出数据的内在规律。深度信一DBN网念网络DeepBeliefNetworks,DBN是深度学习的种典型模型。络在图像识另。()-4- 大连理工大学硕±学位论文和语音识别方面应用广泛,在海杂波信号检测领域未见应用。本文将其引入海杂波背景一下目标检测领域,其检测效果较其他方法有定提高。,。综上所述近年海杂波研究进展见图1.1基于统计理论基于混巧理论基于分形理论早期幅度服从瑞利分布1990年Leung和高斯模型Hakin首次运用混浊1970年代分形理论开始应用y模型研巧海杂波nA1970年Trunk和对数正态分布f{T丄Geo巧幻提出污染正态分布0提出基于分形n:1992^HeNan|q纖的检测算法巧9许^Hakin计算出波y辦Kaplan提出用小波I976年Schiler提出weibull分布Lyapunov指数变挺计算分形特征Jakeman和化seyK分布n^72003年马晓岩提出1995年刘中等人研巧了动目we-ibull1980年Sekin提出对数分布NPCFAR方法标多普勒特‘生的分形特征1981年Word提出K分布复合模型下:一I、^^付干A2008年王柄友引入时Chang提出了基于快混浊理论到海杂波2002年速分數布朗运动的^11空建模Hurst参数计算算法广义复合概率密度函数*Gao证明了海杂波*A古‘思刑ti;*近年巧献憾估韻H高斯混合模型关键等人研巧了FRFT]丽年域海杂波分雜性a稳定分布模型Salmasi设计CFAR检测器调制成分壬为「分布的复合2010年行鸿彦提出高斯模型LS-SVM检测法||2013年,Irt波等人研充了海杂波FRFT谱的多形特性^.2015年,南京信息工?^I4-U^程大学的行鸿彦研究^了不同尺度下的海杂海木波ARfe的分形特性波FJ^T域分形特征1图1.海杂波研巧情况巧.1.1SeaClu打er民esearchg-5- 海杂波背景下弱目标检测1.3本文内容与结构本文对海杂波背景下弱目标检测技术进斤了研究…,提出了种先用遗传算法选取联,然后用深度信念网络和隐马尔可夫模型进行分类的的目标检测算法合特征。论文的结构如下:第一章为绪论。介绍了海杂波背景下弱目标检测算法的研究背景和意义,对该领域研究现状进行了概述,最后给出了全文组织安排。第二章为课题的背景知识。介绍了表征海杂波信号的特征向量、分数阶傅里叶变换、深度信念网络、隐马尔科夫模型和遗传算法,为第三章联合特征的提取和选取和第四章检测算法的引入打下了基础。第三章详细介绍了海杂波信号联合特征向量获取方法。1应用H参数分数阶傅里叶变换对海杂波信号进行了处理;()(巧提取了海杂波信号的时域特征、分数阶变换域特征,并对特征进行了融合;3应用遗传算法对联合特征进行了选取。()、第四章介绍了本文核屯算法,主要内容如下:1基于DBN-HMM的检测方案基本构成和系统优化();(巧试验用样本集的选取;3对不同模型参数下的实验结果进行分析与讨论;()(4)应用不同特征与不同算法的仿真实验结果。最后部分为结论。总结了本文的研究工作,并展望了该课题未来的研究方向。-6- 大连理工大学硕±学位论文2课题相关背景知识2.1分数阶傅里叶变换一分数阶傅里叶变换变换是满足1^^下兰条性质的种变换:①线性;;③’。+。a"’'=户良,FFT^护。其中八为FRFT变换算子("P为代表分数阶的分数)为普通变换算子,对LFM信号有很好的能量聚集。分数阶傅里叶变换作为傅里叶变换的推广FRFT性,并且避免了口限效应。变换数学上可理解为chkp基分解。信号40的^阶FRFT变换为m=Fxw=xtKtudt(2.1)()[](){){,)p^^^其中核函数为-cot16马1y2sm0eQ幸nTtJ,V27t=■-=tuS(tu02"7t(22)K.{,))g,=St+u,02n+\7t(){)=?1。1的阶数=1FRFT,式中,《是整数;白/2是旋转角度7为当片时退化成仍;;;—=傅立叶变换7〇时,就是原信号。阶数只从〇,,1时信号从时域向频域渐变因;当;此时域和频域均可看作是FRFT域的特例。FRFT变换的基本性质如表2.1所示。表2.1FRFT变换的性质Tab.2.1ProertiesfFractionalFourierTransformpo ̄序号性质^"二1阶数为整数F巧丫--P、P2逆F=F()-P、P=F3酉性F()(fpPp午P4旋转相加性p'Fi二f、2PPpP5交换性F'!二:iFpFA巧巧巧巧6结合性护/7/T护())除了上述性质,FRFT还具有尺度特性、时移特性和频移特性,并且分数阶傅里叶变换为偶运算。-7- 海杂波背景下弱目标检测2.2非平稳随机信号特征l本文研究的特征向量主要描述海杂波信号时频域的非平稳持性:()Hurs,包括t指数;(2)Lyapunov指数;(3)分形维数;(4侈重分形谱;(5法相关时间;佩近似搁。2.2.1Hurst指数Hu一rst指数的数学模型基础,它是时间序列分形性质的种度量是分数布朗运动。海杂波序列具有分形特性,可建立分数布朗运动模型进行分析,因此可巧指Py数作为分析海杂波特性的特征向量。典型的欠/5算法由Hurst和Mande化rot提出。=.-,nl27V,时间序列x7其部分和和样本方差为〇),,,=y(打)(2.3)=i]22=-^2.4刪)3的>()>'去去|由式2..34得出序列的统计分析为(卿式口)二--—"maxM.5)()封_y(〇_y(;)严口)S5"〇。幻,n〇加,n()1__Hurst指数的幕律定义为"="〇7.6()口)|式中,C为常数rst,。Hu指数的估计过程如下:将长度为7V的序列分成K段单位长度?=-..为A7/:*t";计算欠化n/S",/12指数的值是欠化"/*5,)化,),,乂;Hurs,)化,)的对数回归斜率。2.2.2Lyapunov指数""美国气象学家E.N.Lomez在1963年提出了著名的蝴蝶效应,他将这种介于概率论与确定论之间的过程命名为混浊,。混巧系统对初始条件具有极强敏感性它描述了系统的不规则性。Lyapunov指数表征了系统在相空间中相邻轨道间收敛或发散的平均PW指数率,即系统对初始条件的敏感性。如果Lyapunov指数的值为正值,则系统存在混浊。一学者通过研巧发现海杂波是混祀的,并且是维系统,其模型可W定义为W下映射:x=(2)/h.7,+i)初始值X。与临近值;C0+Ax。之间的距离进行第1次迭代后可得:-8- 大连理工大学硕±学位论文^=^-x=^+ArAx(2.8)/(/(1〇〇)〇)〇ax进行A次迭代后可得:("‘"化*=-=^iAxxxAx=eAx(),/(〇+Ax。)/(〇)^〇〇2.9ax式中,LE为Lyapunov指数,是相邻点平均发散程度的定量表。相邻数据点之间示[^指数形式远离。Lyapunov指数的为左左=全EH/化)(2.10)去去|一对于海杂波系统,每组数据只有个Lyapunov指数值。可W用Lyapunov指数作为海杂波的特征向量。2.2.3分形维数在严格的数学定义上,分形是Hausdorff维数严格大于拓扑维数的集合ausdo。Hrff维数的定义为:"对于任意给定集fei?,其Hausdorff维数记为dirriHF,、d=>===imFinf550//0su护00.11{,(巧}p"/{V(巧}口)diniwF的性质见表2.2。表2.2Hausdorff维数的性质Tab.2.2PropertiesofHausdorffDimension性质1单调性GF,dim^^<dimy护...1加11护二2,8_/,为可数集序列贝]可数稳定性若巧巧,"日叩拉血"^}/<<〇=]!/〇/3可数集若F为可数集,则dimHF=04开集若Fc/r为开集,则dimF=nH"5/?,=光滑集若Fg为光滑的W维曲面则出m分形维数分为:①关联维数;②计盒维数;③信息维数;④容量维数。经常用于计算的分形维数是计盒维数巧0Xdimension),其定义如下:^设Fe/r为非空子集,表示直径为r,可文覆盖F的集的最小个数,则F的下计盒维数为-9- 海杂波背景下弱目标检测hW。,(d=imuFlim1.2(2)0-一Inr上计盒维数为T——nV10、d=imlim及F2.13()r->o—Inr若式(2.12巧式2.13相等,则f的计盒维数为(佩值h^f()r=dimFl.14img口)?-〇—/>Inrdim。F的性质见表2.3。表2.3计盒维数的性质Tab.2.3ProertiesofBoxDimensionp序号M1单调性dinip^F和dimwF是单调的"=2光滑集若Fc欠为光滑的w维曲面,则dim^ws3有限稳定上计盒维数是单调有限的2.2.4多重分形谱PUSI多重分形谱表征分形体测度分布的不同层次和特征。分形体分成W个区域,第/个区域的线度为C,其测度分布概率为,^=...=P,1种ij\,2,,N.5)口),I其中趋于0,贝J=^a1im(2.16),A一0In’其中a是第,!个区域的分形维是区域测度分布概率的大小。,’a表示区域的分形维,在一0时,区域的数目Z增加,得到由不同a组成的序列构成的谱,用表示/批。为多重分形谱。)/的)即2.2.5去相关时间随机时间序列jcn的自相关函数W定义为()()=w厂W?xwjc+w217.J()巧()(Xl()其中m为时间位移量。物理意义为信号时间延迟:--10 大连理工大学硕±学位论文W>0,jc(n)左移;口m<0,xn右移;)()(3)r,w)>0,有同相成分存在;(件)r,(w)<0,有反相成分存在;=(如rw)0,表示两序列正交或相互独立。,(s实际信号具有因果性,当《<〇时,xn〇。信号数值个数W都是有限的,为有限()常数值。则自相关函数的表达式为AM1m=—xx--mlim^nn\2.18{){){)()NN一定义归化处理得到的函数为相干函数,相干函数的值为相干系数。相干系-数由i1下降到e对应的延迟时间定义为去相关时间2.2.6近似赌1991年,Pincus从度量时间序列复杂性的角度提出了近似摘AppropriateEntropy(,8ApEnf^近似滴定义:相似向量在由w维增加至w+l维时继续保持其相似性的条件概一率,是。从统计角度描述时间过程的复杂性种对非线性时间序列复杂度非负的定量描脚述。=---W的时间…Mxnx?l?Ml对于长度为序列X(,:X,77)定义向量义的)[(),(),,(()Xf?-—M0<M<iV2<n<7ViV+1;^r乂,M,显然,向量义(内)共有个。定义化印(〇,〇)]为?向量乂的和乂〇)的Z1范数,即KX=---<dx:iimax/kxA0k<M2.19,,(^{){j)\(){)|)|j给定容许偏差为正实数r,C(M,r)定义为与向量乂巧的无穷范数不大于r的向量的个,数与向量总数的比,即1CMr=-disti-rHXX.20,,,()Yi[{){j)])口).N-M+\—品、.eavse其中H为Hiid函数。CMr的对数平均值为()(,),—1A1'M=nM(r,.p{,)XlQ,)(22^于是,近似烦令沁n(M,r)定义为=M-MAEr>r(+1rMlim2.22(,)g,p,P[{){)]()—〇〇jV?--11 海杂波背景下弱目标检测=r-对于时间序列,其rM+计算。近似煽与Jc(n)近似贿可用4龙n(M,,W口(,)种;MU),当规则程度发生变化时信号规则程度有关,时间序列中产。非平稳信号通常都不规则一生新模式的概率越大,相应的近似楠也越大。因此近似滴可作为信号非平稳程度的种度量。2.3深度信念网络与隐马尔科夫模型、深度学习神经网络与传统神经网络之间有很多异同之处,它们均由输入层隐藏层、输出层组成同层节点之间没有连接,彼此相互独立,邻层节点间有连接。这种结构近似于人类大脑的认知结构。深度学习神经网络比传统神经网络的隐层数量更多,往 ̄往达到510层,更加突出模型深度和特征学习。深度学习神经网络不仅可W做为分类器,也可作为特征提取工具使用。画邏誦欄:a传统神经网络(b度学习神经网络)深()图2.1传统神经网络与深度学习神经网络.21TrNerNrDLNNetwor巧复.aditionalualetwokandeepearnineuralkg-2-1 大连理工大学硕±学位论文21.3.深度信念网络44'^61深度信念网络6661说化1?〇也08明请多个隐含层,隐含层由受限玻尔(〇口8兹曼机组成每层的输入都是上一层的输出,各层之间有紧密的关联性。DBN的可视;层和隐藏层之间的关系可由联合概率分布表示。简言之,DBN是由多层RBM组成的概率生成模型。深度信念网络的优点是;(1)DBN克服了DNN整体训练带来的高复杂性,运算量得到降低,节省了训练时间,提髙了系统效率;(2)DBN克服了BP神经网络由于不适当参数选取造成的收敛于局部最优解的情况;(3)DBN灵活性较高,可W扩展为其它网络,或与其他模型相结合。参???????Hidden????laersyVisible??00laer00y图2.2深度信念网络模型BFi.2.2ModelofDeepeliefNetworkg--13 海杂波背景下弱目标检测.2.3.2隐马尔科夫模型Z,时间序列+1时刻状态的直接影处理时间序列的过程中?时刻的状态往往会受到响,处理这样的序列时,隐马尔科夫模型得到了广泛应用。隐马尔科夫模型是基于马一尔科夫链的种模型,具有设置好的参数,该姐参数可W很好地解释特定类别中的样本。测试样本被归类于能产生最大后验概率的那个分类。令;C为时刻f的可见状态,Z为对应的隐藏状态。典型HMM模型中Z,隐藏状态序,,,一丄乙丄列满足马尔可夫链第准则Z,丄。可见状态由当前状态X,1,_,之,得到,,…是统计独立的Zel2。。数量为K,则Z,,,,,{句’典型隐马尔科夫模型是可见状态分布和参数化的状态转换。具体来说,从状态7过=====ZAz尸ZA为状态A的初始状渡到A是通过转移概率疋巧_实现的。;r〇*一,,,_/)(,)|态概率。NCt/,。为均值//和方差S的分布。在/时刻,状态A的可见状态X可由分布,N(a,公)得到。T一下(Xi^)图2.3典型隐马尔科夫模型的图形表示F*23lRiHMMig..Graphicaepes州tationofClassical建立隐马尔可夫模型在于确定模型参数,即从训练样本中确定转移概率。从数学上一来讲,个广义期望最大化问题,。这是即在迭代过程中,数据的似然函数递归增加核-屯、思想:通过递归更新权重,得到能最好解释训练样本的模型参数。通常使用前向后--We向算法脚rwardbackwardalgorithm或者称为Baumlch算法来确定。)--14 大连理工大学硕±学位论文2.4特征选取特征选择FeatureSelection也称特征子集选择FeatureSubsetSelectionFSS,,或属()()性选择Atrib山eSelection,是指从己有特征中选取特征子集,使选取的新特征模型更深()刻的表征事物的本质属性。2.4.1特征选取过程在模式识别应用中,特征往往个数较多,,维数较离。个数多导致存在无关特征导致"分类需要的时间增加,降低了系统的实时性。维数高意味着存在数据冗余,易引发维"数灾难,导致系统模型复杂,无法大范围应用。wsi通过特征选取剔除无关和冗余的特征,减少特征个数,简化模型,降低特征维数复杂度,提高分类准确度,提高了系统的实时性。特征选取的过程包含产生过程、评价WSj函数、停止准则和验证过程四部分。48tl1产生过程就是生成新特征子集,为搜索特征集的过程。搜索算法分为完全搜索()、=14814启发式搜索和随机搜索类。主要捜索算法如表2.所示:24表.常见搜索算法Tab.2.4SearchAlorihmsgt^索类别广度优先搜索(BreadthFirstSearch)^分支界限搜索(Br她chandBound)山Aw±元全搜索定向搜索(;BeaniSearch)最优优先搜索(;BestFirstSearch)序列前向选择OSequentialForwardSelection)序列后向选择巧equentialBackwardSelection)双向搜索巧idirectionalSearch)户寸禪宏'>L民--去lLM民S选择算法usinuselection)增(PF序列浮动选择巧equentialloatingSelection)决策树(DecisionTreeMethod)随机产生序列选择算法(民andomGenerationplusSequentialSelection)随机搜索模拟退火算法SimulatedAnnealing)遗传算法(GeneticAlgorithms)2评价函数主要用于判决新生成特征子集的好坏。主要基于相关性、距离、信息增()一致性益、、分类错误率等方法进行度量。--15 海杂波背景下弱目标检测一(3)停止准则是与评价函数相关的个阔值。当选出的子集达到阔值后,搜索即可停止。4将达到阔值的特征子集进行验证,达到理想效果后。特征选取过程即结束。()^原始特征产生过程评价函数J||(产生特正子集()1)1评价特征子集j子集评价结果子集的有效性图2.4特征选取过程F.4FPrsig.2eatureSelectionoces2.4.2遗传算法49[]遗传算法GeneticAlorithmGAand在1975年首次提出,是(g,)由美国科学家Holl一一特征选取算法中应用较为广泛的种算法,。遗传算法是种随机搜索算法它的数学基础是模式定理一般表达式为。模式定理的MH{t+1>(2.23)[)]tJ()L-1其中:+是r+次迭代群体中模式W的期望的个数;是^欠迭代模式好0]的期望的个数.为杂交概率;为变异概率^//为模式W的长度0好为模式W的;巧();()阶数;Z是每个个体编码后的长度;/的是整个群体的平均适应性值;模式W的平均适应性值/(//)为二潮揣(2.24)'其中乂为第Z个个体的适应性值。wsi遗传算法算子主要有:。:①选择;②杂交;③变异下面对其详细描述1选择是在特征子集根据适应度原则生成后进行。轮盘赌是最常用的选择方法。如()、果父代个数为n,则轮盘旋转n次。个体对应轮盘圆屯角的大小,由其适应度高低决定。搜索前期过程要缓慢,搜索范围大。搜索后期要加速,迅速求的最优解。-16- 大连理工大学硕±学位论文个体B10%个体C20%网个体A40%个体D30%图2.5分为四个扇形的轮盘赌Fig.2.5民ouletewbhFourSections,生成两个新个体口。即编码对)杂交指两个随机配对个体按某种规则互换遗传物质应位置的值进行互换。杂交运算可W避免局部最优解。i〇(i1可巾E问||#—种广1^7^。1。11i11中1|刮|!|!小!|小1杂交前杂交后图2.6杂交算子运算过程Fi.2.6CrossoverOerationgp3变异指个体某个位置的遗传物质进行取反操作。即相应编码位置的值取反。变异()可取得局部最优解。010101变异前10001011变异后图2.7变异算子运算过程F.ig2.7MutationOperation--17 海杂波背景下弱目标检测3特征提取与选择实测海杂波信号如图3.1所示,从图3.1可W看出,各距离单元区别并不明显。为了更好地区分不同距离单元的特征,需要对信号进行变换,提高海杂波数据信噪比,增大特征区分度。-—10??■?'?II■■1rII1海杂波单元I-LiiiAiliAAiA1I埋會5广可甲:I■-10O20406080100120140s时间()10 ̄.’■■■'';—^I次目标占元I,■,I.10.itIII?I*1■.O204060SO100120140时间(s)'?—^I主目标单I-.-10S■処.暨iiilliiiJiliAillJ?iff:叩甲0之O406080100120140s时间C)图3.1海杂波信号Fi31SCltterSinalg..eaug--18 大连理工大学硕dr学位论文3.1兰参数分数阶傅里叶变换一分数阶傅里叶变换可^兰使chi巧信号能量得到最大程度的聚集。但它只有个可变,在处理复杂信号时,灵活性不足,量。FRFT变换经过推广形成了线性正则变换线性正则变换的可变参变量是3个,灵活性得到提高,但是线性正则变换的计算复杂度高,一一快速算法实现比较困难,。为解决这问题,本文提出了种三参数分数阶傅里叶变换可变参变量依旧为3个,,,相比线性正则变换计算复杂度大幅度降低可实现快速算法。H参数分数阶傅里叶变换T一一一FRFT也是种统时频变换。TFRFT变换用单变量()来表示时频信息,且无交叉项的困扰。适合处理非平稳信号,尤其是雷达、声巧常用的chirp类信号。lTFRFT变换原理()为了提高信号;C的在FRFT域内能量聚集程度,对FRFT变换进行了改进,重新定义了FRFT变换的核函数,核函数参变量个数增加为3个。本文将这种改进FRFT变换称之为TFRFT变换或ABC变换,本文提出的TFRFT变换的核函数为23A:"=—1)+"+叫++3.a片)巧|7抑(知的叫]()a其中a6,c是核函数的相位参数0。,)信号X的的TFRFT变换为==f油3.2乂>)。J蛛)]£蛛成(M)()TFRFT变换的基本性质见表3.1。表义1TFRFT的性质Tab.3.1ProriThreeParameterFractionalFourierTransformpetesof号性质1线性:护。Ac艺打J内_=W2二元性:WA:化,)a(〇=3:wifw共辆片),)。C(4加权正交性.过=-:K/"油^""广,)(,)a(,1a5二?瓜凶:\w"可逆性部)()_)f3化a--19 海杂波背景下弱目标检测因为TFRFT变换具有加权正交性,乂。知)出现能量聚集时,其相位多项式的系数是一一==个恒定振幅信号-=-定值的核函数。假设蛛)如是。当6式,c式时,=1/它的TFRFT变换为'u=-XA^wudu5d+3.3S)f,){,)().台a的模为"=^3义(+.4。)(4)()|1|布^《-由于函数具有敏感性,可^有效识别信号参数微小变化。当乃^/+取最大值时,),a即时,模为最大值,即与运动目标状态匹配时,目标信号达到最佳能量聚集,a峰值最大。此时目标幅值最大,,整个变换域的粗糖程度越小对海杂波的抑制作用越大,与海杂波的特征差异最大。寻找恰当的a、6、C取值,是扩大特征差距的途径。(巧快速算法信号如果直接根据式32进行计算,TFRFT变换的计算复杂度很高,计算效率较低,()不适合应用于实时性很强的场合,因此,必须提高数据处理速度。M=实际数据处理时,x和尤必须是离散的。假设f和采样频率是,rn/t,(〇大y;=w,A//TFRFT变换可賊示为':;33乂=e++口.5()()+()()]问()叫)]})?夺l>如每剧To夺子去早f'台*:sssfsffsfsff,如果采样频率,根据抽样定理和微积分理论.足够高义的精度也足够高,公/l。(^)JS22-式3方="-.5可1^^看成为。将"4+4皆/2代入式3.5,可糾导()?的数值计算[的]()到。乂-=—-exp+ca)_/()](^2as乂fsJ(3.6)2.32ex+.+cex(}pW()_()]p()|>/]子子子护与n-2〇2〇=。f乂fssfs定义/作)、各(A)和A(A)分别为-20- 大连理工大学硕dr学位论文23足二哪+6+.7/()L/(去)()知)]口)全嗦23=A6:ve如++)].8g()(不)y(古)(户)知(方口)2=难e如()]口.9))户夺2口A式(3.巧可写成=-尤?AA3.10a()/W[gW(〇]()^’I=-...式中,?代表线性卷积运算,可W用F巧进行计算c和撕:〇4iVl)。对每个a,6,,,,式(3.10运算复杂度可W从降低到0Aa〇A〇。)(g2h猫?FFTA^)iXa"(u)一 ̄?QIFF了*〇?Jk11g(k)—?FFT—图3.2TFRFT快速算法示意图F.2FATFRFTig.3astlgorkhmof图3.3分别是对17#海杂波文件的3号海杂波单元,8号次目标单元,9号主目标单元应用快速算法后得到的幅值变化情况。'’..1.孤哥-.刊.接-11iiir^巧-100巧.1巧-imQ0(a)纯海杂波(b)次目标(C)主目綺图3.3EFR巧幅值图Fi.3.3AmlitudesofEFRFTgp-2-1 海杂波背景下弱目标检测可看出,将雷达回波信号变换至M域,在低SN民状态下,纯杂波起伏剧烈,能量平均分在M域上。而含有目标的回波在M域形成峰值,能量集中。3性能对比()TFRFT变换相对于FRFT变换,不仅参数设置更灵活和快速算法计算复杂度低,其对信号能量的凝聚性能大幅度提高。为了便于比较性能,本文引入《域子带能量占整个W域能量百分比来表征信号凝聚程度。设;c为输入信号乂M为JC对应M域信号,通过TFRFT变换或FRFT变换(0;()(0得到;MG如n,Wimx);种M)为第个子带的W域信号,其中Me(M,?^n,W,nm)。M域能量5£为S3.叫古謀(…W域子带能量*为amX乂"幻,()|口.12")maX、幻^帥=U"min图3.4和3.5分别为主目标单元和次目标单元分别在FRFT变换和TFRFT变换最佳变换条件下的幅值图。530...111300-一:户主目标单元TFRFTH\ ̄主目标单兀FRFT.250--2奶--^.I--暨1扣--100I??如0501的100变换域U图3.4FR巧和TFR巧幅值图(主目标)Fig.3.4AmpliUidesofFRFTandTFRFT(MainTarget)-22- 大连理工大学硕±学位论文160.,11I"14。-<户次目标TFRFl''If一V-次目标FRFT*■120?--100〇鸿80--?..--60-100-500孤100变换域u图3.5FR巧和TFR巧幅值图(次目标)Fig.3.5AmplitudesofFRFTandTFRFT(SubTarget)通过对100组海杂波数据分别进行TFRFT变换和FRFT变换。对其计算峰值周围各10%频带的子带能量占M域能量的百分比,结果表明,TFRFT相比FRFT,主目标信号能量的凝聚程度提高约5?8%比FRFT变,而次目标能量凝聚程度几乎没有变化,相换主目标和次目标更易区分。3.2特征提取3..21时域特征提取lHurst()指数时域Hurst指数计算方法主要有iU下几种:方差时间法(VarianceTime,VT)、绝对值法AbsoluteMomentAbs、留数法Varianceof民esidualsRes和民/S法。海杂波数据(,)(.)2属于短时相关序列,应用R/S法较为适用,但法的时间复杂度为0(iV),计算较为复杂,耗时较长。本文计算海杂波时域Hurst指数时,采用了基于标准差STD的方法,时间复杂度为〇A〇。(一=…首先计算海杂波序列x(n,《12TV的标准差,将得到的标准差作为个新序),,,列::K句,定义新序列的标准差为"ST二m.。柳)(3)-23- 海杂波背景下弱目标检测其中S7D〇j)是序列jKn)的标准差,W为标度,//为Huret指数。离散海杂波序列jc(n),Af为采样时间间隔,其对数收益率为=A-=---lnjc/lnxA/,n\2N(3.14,,,)?^,?对数收益率的标准差为i-。阔打皆AM1==…-wr,z。其中,l2W1对应的n得到新的标准差序列计算y计算n,,,W)()N-lttz(n)的7M步位移和Z如);扣—1=—二r…zm/,W12TV13.16()又(),,,()=mlAz=2-如)/?+mz如,则新序列标准差为:其增量(。)))-=■AzAz3STDmmmf(.17()j\)({))’=?=...0)令少21/?,皆抑12,所,贝[]扣,倍,,£][倍脚(化控(),控脚〇()][^-'3H=AA.1\gB(如[]应用最小二乘法求得Hurst指数值。。丰巨标''II'■0-.350占。么次目标。0〇000々海杂波〇--0.3000公A么气〇A么AO〇么\0。么-0.250A么巳、〇化化〇么心■〇AaA么^〇〇2"0’扣必。。。。。。么么谷S。。。WA。°0.-0.I15么么A’正-A么么々々-0-.10A々.々々々.古々々*々々々々--々0.05々公*访^々々&☆*々s5^r々*试^々?A*心*护々々如如々护咕**☆&々々—-■_^'''.III'*'000rIIIITI广II05101520253035404550巧d"样IV本I数图3.6Hurst指数分布图Fig.3.6HurstExponentialDistribution-24- 大连理工大学硕±学位论文随机选取海杂波单元、主目标单元和次目标单元各50个样本,计算Hurst指数。rs ̄Hut指数分布情况如图3.6所示:主目标单元的Hurst指数主要分布在化150.35之间,Hurst ̄0t海杂波单元的指数主要分布在0.11之间,主目标单元与海杂波单元的Hurs指?数分布区间几乎无重合,。次目标单元的Hurst指数主要分布在0.10.3之间与主目标单元的分布区间重合度较高。0)Lyapunov指数Lyapunov指数计算方法主要有W下四种:Wolf法、定义法、正交法、小数据法。在只需计算最大Lyapunov指数时,小数据法应用最为广泛。该方法计算Lyapunov指数,一耗时少,,而且抗噪声性能较好。其缺点是对嵌入维数波动较为敏感。为了解决这问题对小数据发嵌入维数确定方法进行了改进。=-.,《1海杂波序列:^如),2,,^,i/为嵌入维数,取值确定方法如下:海杂波序列中任意两点X和;C.的欧氏距离为,j1r2]2=-XXX.1,(+*)(3明,艺,r如r./IkII*=〇[__一若任意对临近点满足下式时,则为虚假临近点。-2_-+&记+),化/馬化y)片下10■ii(,j)(,j)_巧」巧其中1;成和的化乃为临近点在嵌入维数分别为^+和^/时的距离的平方。当^/取+1化乃,,值増加时虚假临近点不再减少,则此时d值为最佳嵌入维数。重构相空间得到新的=--A=l2...=数据集X:7V,7VWDlr,r詹。W其中,,,yr?,,,C),’公找出点;的对应临近点;CC,计算这两个点/个离散时间步后的距离/:dt/),()丄?./-=-A'+/X+XX片21()()j0)?.rr0'+/+"…H.SI||.、=L.〇_—-=…V—-其中mn/VZ12i7j。,,,(,J),。。,对每个’/求出所有/对应的In0/的平均值5/:()(),=丄挪)yinO/3进,()()q,=1-方用最小二乘法求nA/(/)曲线的斜率,斜率K为-25- 海杂波背景下弱目标检测NN,,_NU乙挪),—-"-社如钟巧]}5^K=且^—^—心。)而N,公W-替可、一=心。式中:为g对应的前个/值。最大Lyapunov指数的值ZZ£K/计算17#海杂波数据各单元的最大Lyapunov指数。其演化过程如图3.7所示。从图一3,aunov指数曲线随演化步数增加弯曲上升.7可1^^看出最大Lyp,曲线的斜率是个正值,证明了海杂波的混浊特性;在演化步数较大(如70)时,海杂波单元的最大Lyapunov指数几乎为0,小于主目标单元和次目标单元对应的最大Lyapunov指数;次目标单元与主目标单元的曲线近乎平行,最大Lyapunov指数值区别不太明显。1.6■■■■■■■■■■■■I、■■I■■I:::一^主目璋单萃'-1-掩.0一^次目标单元一-?暫/I磊若凌车元I0-■视.8/一户—一々々々-|〇.6/^护-。-.4/。1-';.0I.I.I.I.I.I.I.I.I0010203040凯60708090100演化步数图3.7演化过程Fivol山irProceg.3.7Eonayss322..变换域特征提取(1)分形维数变化规律=-本文先用最小二乘拟合法求Hurst指数,再根据分形维数02好求出分形维数。为使数据更具代表性,对300组数据(海杂波距离单元,次目标距离单元,主目标距离--26 大连理工大学硕±学位论文单元各一100姐求值后进行统计平均。不同核函数参变量对数据分形维数有定影响,) ̄ ̄11海杂波单元分形维数值在1.7.9之间.5.9;次目标单元分形维数值在1之间;主目标 ̄单元的分形维数值在1.31.8之间。主目标距离单元在核函数取某个参变量值时,分形维数会取得最小值,,在其左右分形维数取值变化剧烈海杂波单元分形维数变化比;而较平缓;次目标单元的分形维数也有较明显变化,剧烈程度大幅度降低。 ̄,,C取最优值时图3.8描述的是在核函数参数a取0.0556,17#海杂波各典型距离单元分形维数值的变化规律。为了减少数据运算量,提取最佳变换参数两侧各4个对一个应的分形维数加上最佳变换参数对应的分形维数组成9维的特征向量,该特征向量可W很好地表征分形维数在不同核函数参变量情况下的变化规律。2.0■■11I-袋1.6朱一主目标单兀?■J海杂提单元IfI汝自接单元I.I.畫024核函数参数a图3.8分形维数变化规律F.民Dnig.38Changeu]eofFractalimensiop)多重分形谱一化处理①对变换域海杂波进行归,即3.24兵)(=/1-27- 海杂波背景下弱目标检测=,数据长度iV2式中n。②建立海杂波随机乘法分形模型一个具有单位测度r设定//的单位区间,将区间划分为左、右两部分,长度分别为和W1-r<<r,0rl、。,对应测度也分为左右两部分这里是倍乘因子,由概率分布函数rr决定,,巧。模型中被重写为r其中/表示阶数表示第/阶奇数项测度的分布概)y。、率-=l/2,偶数项测度的分布概率则为1。令/关于r对称C巧),则与均有边缘,一|?^=...=..概率密度尸的,第7^项的测度/122可科表示为^层每《,其?,,,,从/^/^{/}1?=?..-V=...中A/12,,T可取r或1^,,?口122为独立同分布的随机变量。,)因此,,({。,,。。}对于//,取g次方并求和,得到。'"g)ccf57.2义g()(3)若r与g不是线性相关的,可知测度是多重分形的(如。’w=-aT-17V③海杂波序列,z,2V,2,是第阶的测度分布序列,则第7V1阶的测度{,}|1'..-"1叫1412)>).=...^=1..=1/22,乂乂+乂,!22。分布序列为,,,,尸_,其中义的上,,,,,2,2/{}1一标W阶一2表示本阶的个元素对应第序列中的元素个数:不断重复这过程,若第y1+严.-1)川=12...阶序列为,!,,,2,贝峰7阶序列为}'""''?'^==???12X+X,/.ff,,226,(3)—一=f=,2式中尺度为r。最后这过程在第0阶停止,得到单位测度,对应尺度为r^。得到分配函数为’A/cr「y二乂似.27Xww(3),ZI'==Al/I__最小二乘法求解式(3,r.27即可得到g为)()化义。+c饼W常量eR3的.2()q(叫9? ̄对r(g)g进行Legendre变换,得到多重分形谱a/(a)。31图.97#数据HH极化情况下的3号纯杂波单元、8号次目标单元9号主是,目标?单元的多重分形谱,。可看出海杂波a值在化250J5之间/批最大值出现在a为0.35) ̄左右,图形近似对称,a;主目标单元a值在化20.9之间/最大值出现在a为0.35() ̄左右,图形左侧变化较为陆峭次目标单元a值在0..2509之,a;间/()最大值出现在a为0.35左,图形左侧值变化也较为迅速右,但陡峭程度小于主目标单元。说明主目标奇-28- 大连理工大学硕±学位论文异性变化最小,次目标次之,纯杂波奇异性变化较大。这种特征差异可作为检测器的输入,用来进行检测。——0--.4々主目柄单兀一一:次目标单元,\.I茜杂&卓元I\0-.200.20.40.6a?图3.9多重分形谱(a/批))?Fig.3.9MultifractalSpectruma()e-correatvemePliTi)去相关时间(D)■■■■■.......■■III■IjItIIIIIII22■:^17#海杂波时域A9--20-A-17#海杂波U域./\/\.一:^310#海杂波时域ig/X\-'?I^310#海杂波u域圓jy■I.I.I.I.I■I■I■I■I.I■I.I.I.I■0123456789101112131415距离波口图3.10去相关时间巧.3.10De乂orrelativeTimeg--29 海杂波背景下弱目标检测计算17#低海情数据和310#高海情数据14个距离单元时域和变换域去相关时间,每段数据时长为Is,1000个数据点。极化方式为HH极化。由图3.10可W看出下:①在时域和变换域中,主,、次目标信号和海杂波信号去相关时间有较大差别。②在变换域主目标与次目标的去相关时间的差值更大,区别更明显。产生的原因:①主、次目标信号为规则物体回波信号,,为相对平稳信号相关程度高。杂波信号为非平稳信号,相关程度低。②在变换域中,,主目标单元能量更加凝聚次目标单元的凝聚程度与时域相比,几乎没有改变,因此主、次目标的去相关时间差值变大。主目标单元和次目标单元的特征差别显者提商,这为提局检测准确率打下了良好的基础。(4化似赌近似贿在人体生物电信号处理、机械设备故障检测、地震预报、语音信号端点检测和气候突变检测中己得到广泛应用。本文采用下快速算法计算海杂波信号近似烦,取==?=…w2r0.10)运.2况D,其中义TZ12,是原始数据jc(w)(m,,,的标准差,经实际行,其运算速度达到了近似楠定义算法的6倍左右。具体过程如下:①对iV点序列,先计算iVxTV的距离矩阵公。矩阵0的第f行第Jy列元素记为d,,U,为节点/之间的距离。-二-二…二1d...NJxiX,i、1N23.29,,,单(,Pj)。),j,,Jj)一式中,<r,为常数值^。公中的レ(二2)②利用矩阵元襄可ッ方便地计算得到巧假设m。(叫和马的二二-Cr2…Nf(),、,,2(3.30A、j)ji、州3=rnd=...-crwi27v23()_,,,,(.31,,<,,y)IX脚2m"’+1C-③由,(r)和C;V)分别计算口(r)和口(,)。’"+’'ApEn=—inrf。感,<j。护()p()对高、低海情数据分别选取主、次目标单元及纯杂波单元各100段数据来进行近似 ̄?1.赌计算。从图3.11中可W看出:①主目标单元近似赌在〇5之间,主要集中在01.2 ̄?之间,;②次目标单元近似煽在〇.41.6之间主要集中在0.413之间海杂波单元近;③ ̄?.似赌在1.020之间,主要集中在L01.6之间。近似烦分布区间存在较明显的差异。产生上述现象的原因一:海杂波可レッ看成个稳定系统,目标信号可看成突发信号,系统受到冲击,其近似摘值发生改变。--30 大连理工大学硕±学位论文-'。r ̄^mmEEMKh ̄低海清主标单元广;1画目确補麵!^0.002040怎06101.21.41.6任40.60.81.01.21.41.6近似贿值范围近化贿值范困■巧——’—幽波单元'"’為主占单元了I画扇海目叶[隱圓幢L1114161800020608111416.0.2...么0..0.4.,0.2..近似贿取值范围近似贿取值范围 ̄ ̄ ̄ ̄—*■ ̄ ̄— ̄'巧'''因团:窩海渚次标单元巧i£海清抽杂波单元1胃目I「I^f誦y嘯t060610121416820.40.0.61.1.21.41....1..近似巧取值范围近化巧取值范围图3.11近似滴分布情况Fig.3.11ApproximateEntropyDistribution33.特征融合与选取用于海杂波数据提取的TFRFT变换域特征主要有:分形维数变化规律、多重分形谱、去相关时间和近似赌;时域特征主要有;Hurst指数、最大Lyapunov指数。我们将时域特征与分数阶变换域特征进行融合,然后运用遗传算法对联合特征进行选取。选取,且维数得到降低,减少了数据处理的计算量,节省了时间,后,可去除兀余特征提高了整个系统的实时性。-3-1 海杂波背景下弱目标检测■ ̄ ̄?■"*??—?—?—?—??—????????—?—?—?■—??——■—?—'—?—?.11I1IJ分形维数变化规律II1II1In\FDI\FD()i9)V\IIIIuII:IIII:I-多重分形巧—域—:参巧I一,II…'19))广[腳,,竭1!i這I__II一 ̄—I傅里WII去相关时间,,I遗IgI圆I叫]卡合海杂波叫I!向!;S,: ̄^IL_Jm"■|'nI巧「Inr特iromi;yII征I征III-IHuIrs舶数^一留取IIII域\VIn\M()I?I特I,;I''.!;征!_—InovI-L指数组1yapuI| ̄_I|N剛fI合IInIj'IIIIII特征选取I数据预处理II特征提取IIII—-;:I图3.12特征融合与选取框图2FFK.3.1BlockDiagramofCombiningeaturesandeaturesSelectiong31.3.特证局虫合为了减少计算量和有效表征信号特征,初步选取分形维数变化规律为9维特征向量第五维为最小分形维数值,多重分形谱特征向量维数为19维包含分形谱的起点、终()(点、极大值点,其余特征向量维数均为1维,将其组成联合特征,作为进斤特征选取)的初始值。每个输入信号的特征向量可分别表示如表3.2所示。一表3.2特征向量览表Tab.3.2ListofFeatureVectors1¥^持征名称向量表达式1分形维数变化规律义形巧)PV..巧)19.W(),。()f2r多重分形谱乂=A^yXM^...2MSl9[C),,MS;〇W3mm乂妨恤邮4去相关时间=。户1[(沪r5urs=Ht指数//l而[()]6unov最大Lyap指数二Zl[()f-32- 大连理工大学硕±学位论文则联合特征向量的维数为32维,可表示为:f?FD"M5^nl07//lLllFD2FD9lM52MS19。M如(),X化(),(),(),(V,(),(),(),,X)]332..特征选取1判据确定(),判据选取原则:类间距离最大类内距离最小。即适应度函数应满足分属于海杂波主目标单元与次目标单元不同样本之间的距离越大一单元,同属于同类别的样本之间;的距离越小。类内散布矩阵Sw为r'=省-3义-32|>(巧)巧(,)妒%)]()/=!同理,类间散布矩阵&为-=co-MMSpMMY.33,{){){(3)Y,=/!>3=M=式1(3.32),:C为,3为.3卿式中各参数定义如下类别数本文中C(;,去N完鮮=\jk二丄X=。第如,为样为第/类的先/类均值向量;M)本总均值向量片(巧)N玄,是的巧,==\,1i验概率。依据适用度函数选取原则,定义分类判据D为D=签34(3.)HSJ=其中《用来调节&和Sg.的迹对判据的影响程度。本文中《2。具体实施(巧""""首先将联合特征用二进制编码表示。0表示未被选中1表示被选中。初始;设定所有特征均被选中。其次生成初始特征群体,随机选取W个初始特征向量构成初始特征种群。根据分类一种类确定,每个种类的样本数致。一。最后,进行选择选择采用随机通用采样法。它是轮盘赌法的、杂交和变异运算种非标准形式。。根据设定好的适应度函数得出最优特征向量在特征选取中,随机选择主目标单元,次目标单元,海杂波单元各50个联合特征.向量,进行特征选取运算,进化代数为100。进化过程如图313所示:-33- 海杂波背景下弱目标检测?????■??■?■?■???■IIIIIIIIIIIIIII?100-〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇0〇0〇--80黯60--安.南40----20〇〇。。°〇。。°°〇0024681012141618202224262830记特征编号图3.13进化过程巧1EvrProg.3.3ol山ionaycess经过特征选取,得到的新特征向量剔除了时域Hurst指数和时域最大Lyapunov指数两个特征32,大大降低。3.3。,并且维数从维降低到20维了计算量具体结果见表表3.3特征选取结果Tab.3F民.3eatuKSelectionesultsL'去相关Hurstaunov分形维数/.、々壬化"以,化yp_4^瓦化特£沮成近似,i楠多M分开外普时间指数指数变化规律初始二进制编码1iiiiiniiniiiiiiiimiinii1I11111111111选取后特征编码1100111111001000000100-34- 大连理工大学硕±学位论文4基于DBN-HMM的弱目标检测算法4.1深度信念网络优化4.1.1DBN网络训练westrcet深度信念网络由多层受限玻尔兹曼机(RitdBolzmannMachine,REM^钮成。一输入层V为可视层,;输出层h为隐藏层。同层节点之间没有连接。己知V的条件下h的节点之间是条件独立的,即满足下式:二…V4ihMi.1ppAMpiKI)()同理,已知h的条件下,有,h二h…h4pW)i(.2py、I)pyj)(),h通过7/zv,逆向生成输入层V,当输入V时/(/)产生同理可W通过p(vA)。由上可知/’一调整参数可W使V生成h一,与通过h逆向生成V与V趋近致,即h可看作是V的另种表示。RBM联合概率分布函数为fww=4.3巧()定义概率归一化系数巧巧为―-占(嘲Z0=(4.4()衣)hv、式中,£vA为能量函数。(,|巧隐藏剧QQQ必胃&V〇〇巧〇飞)图4.1受限玻尔兹曼机Fig.4.1Restric化dBoltzmannMachine-35- 海杂波背景下弱目标检测0一1用b)bs采样GibbsSampling卢是种采样方法。由梯度下降算法,得到RBM权值(的更新公式为二-Awfv'vA4.5()"(A,〈〉d"u〈,〉wJ其中:的L。是给定样本的数据期望;〈vAU是模型产生的数据期望,SGibbs采样得到。首先将海杂波样本拟合成平稳分布的马尔科夫过程,通过概率转移,得到与样本相一个平衡的马尔科夫链,近的平衡分布。将G化bs采样作为变换算子,通过运行确定h的节点的个数,对V的节点进行采样,最后通过获得的h的节点采样反过来得到V,其具体过程如图4.2。h巧()m参)图4.2G化bs采样过程F.filiig42ProcessoGbbsSampng.若提高vA参数的精确度,就要增加状态转移次数和采集的样本数量,这会导()wdw致RBM的计算量急剧增加。5i一£1trtence为解决这问题,对比散度学习算法(ConasiveDiverg,CD应运而生。该)、算法的核屯是通过迭代来建立对模型的估计,迭代次数取1即可。CD算法通过计算V的状态来得到h的状态,反过来再用计算所得h的状态计算V,重构V。调整参数时,按照下准则进行:細=46(.)"夺心=-1成心批)rem)。=-4.8^()槪,。〈也)-36- 大连理工大学硕±学位论文其中为重构V分布。f为学习率。0412DBN..网络深度选取深度信念网络的层数往往是根据经验进行选择。为了能够定性量化的进行网络层数确定,定义了系统重构误差,作为确定网络层数的参照量,排除了人为因素干扰,鲁棒性提高,网络层数确定更加严密。重构误差为垃化,RError=4.9()mnpx其中?为样本个数,w为特征向量的维数,为网络计算值,为真实值,化为取值范围。判决条件为=LN\RError>e薩+,\z=iVRError<s|胃,其中Z为隐含层个数,c是的设定值。DBN网络深度选择流程图如下:系统初始化()加层数RBM训练^寸比散〔R於预设值计算系统^构误差RE^]RE<预设值[)图4.3深度选择流程图Fii4.3BlockDiaramofDe化Selecggpton4.2隐马尔科夫模型优化将HMM模型与DBN模型两者结合后,其基本结构如图4,.4所示DBN网络输出值是HMM网络输入值,为了降低HMM模型训练复杂度,采用Softmax模型计算HMM后验概率目标函数F.为预测分布的考状态标签的交叉贿u叫与参,其表达式为:-37- 海杂波背景下弱目标检测=-'o4g旅.…&E芝公)(u=\n=\j式中,是/时刻的状态。设/时刻的输出为r,其状态分布表达式为:。哗〇,[()]=sP4,2W)(恥、()么exp[a。(圳、式中,fl?(句为状态5的输出值。可W得到表达式为=-loglolo4.13巧k)g(句g巧叫()y。式中,巧句为状态s出现的先验概率。则Ff£与a。(S)之间的关系可W用下式表达:==九似4.14()5adas),似?(’"=式中’《巧。。{*;0,5T共5[。_勾1\A+19\勾t<4c5<5<5;^^^^c!0<i0<50<50c^0:::s:<^M)M::;::c5)c^l<^crj)0?X\I//.-..哥r^ror^摩WnIWnIWnIWnIWnI*.幽幽幽区妇.?应扫??■■??????-m--HD四KD丄W|丄W,丄W|.???V-VtiViIVVmIIIIIIII_*____2 ̄2 ̄ ̄z ̄ ̄X ̄ ̄??■■I图4-.4DBN陆咖结构图F-i.44SureModelofDBNHMMg.化uct-38- 大连理工大学硕±学位论文5354’tDBN-HMM模型,噪用并行结构训练时的算法复杂度相对较低,可缩短训练^^时间,可W在网络调谐过程中通过较小的参数波动,达到较高的精度。通过HMM计算,提高分类准确度。二者结合后,分类的后验概率,提高了检测模型训练效率减少了分类所用时间。4.3方案与流程 ̄5559[1DBN-本文使用的HMM检测器,分为训练和测试两个部分。训练完成后,将4模型参数传递给测试部分。结构框图如图.5所示。训练标签测试标签<Ag_99/9-9',i,+1勺了?/1一1<3<3<3<5^^^^c^<:5c5^))3)c53)0000)0::::::::::。。。。,'<5<5Mc!<<3;^;^:巧^立巧^(^:巧二;;^追^M::::::::::c!@<5c!@c5c5<!@<5<3^^^^^c!c5c!<5c5c5c!c5<3@^0;^0^@^^.--.---祐fei由S3祐r^由r#iBnw4w4w、w4www4w、.w4丄w444,!-?-?幽幽爾爾-?画画函画爾-?函???■????巧義型I???????I-?-?--E-SDCS3SD哪SCraKD四w7.WiWiWiw.^w.w.w.Wi,j丄i丄;[丄丄丄^*?.?*Vt?*v7V-.v.,V.v-,.V..IIiIIIl1IIVIIIVIII11 ̄ ̄? ̄ ̄z ̄'z ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄z ̄ ̄z ̄ ̄ ̄'¥^^?????争I优选后的联合特征优选后的联合特征II遗传算法特征选取遗传算法恃征选取It_了T_u域特征提取时域特征提取U域特征提取时域特征提取I数据预处理数据预处理ItT ̄训练海杂波数测试海杂波数据I4-图.5DBNHMM检测器原理图F-i.4.5BlockDiaramofDBNHMMDerggtecto-39- 海杂波背景下弱目标检测实现该算法的具体步骤如下:1)首先对海杂波数据进行扩展分数阶傅立叶变换,得到最佳变换域的数据和整个变(换域的数据(对应不同核函数参变量取值)。将得到的数据分别计算分形维数,得到分形维数在不同核函数参变量取值情况下(巧的变化规律,其次计算最佳变换数据的多重分型谱,近似赌,去相关时间。计算时域数据的Hurst指数和最大Lyapunov指数。3)应用遗传算法对特征进行选取。(4生成特征样本的监督信息。()(5)使用随机方法生成训练样本集,测试样本集由剩余样本组成。6DBN-HMM系统参数设定BN输入节点数通过重构:根据联合特征维数确定D();误差法确定隐含层数;按照常用隐含层节点设置原则设置各层节点数;根据分类结果类型设定输出层节点数;RBM的迭代次数和系统学习率设置成DBN常用数值。7器训练DBN-HMM网络进行训练及网络优化。(啦测;对,,,巧;训练好网络模型后对测试样本进行检测输出检测结果得到检测)网络测试准确率。44实验仿真与.结果分析441..实验条件和评价标准1本文所涉及的海杂波背景下弱目标检测实验都是在Windows864位操作系统上()-,1,完成的,计算机的内存为4GBCPU为A4620G编程环境为MatlabR2013a。2用检测准确率Z和召回率欠来评价算法的检测性能,准确率Z为:(巧Z=—x415lOO%.()N式中,W为测试样本总数,《为检测正确的样本数量。召回率定义如下:欠二互iLxlOO%(4.16)Sm式中,为检测正确的主目标样本数,为样本集中主目标样本总数。442..实验参数设定I样本选取()测试数据是加拿大McMaster大学IPIX雷达数据。数据具体情况如表4.1所示,海态等级1为低海情,等级24为高海清。通常HH极化方式较为常用,本文所用测试样,-40- 大连理工大学硕±学位论文本和训练样本均为HH极化方式的海杂波数据。每个文件有14个距离波口。共196组数据13化。随机对数据进行截取,截取后的每个样本长度为Is。。每姐数据长度为采用随机数法选择高100个,、低海情杂波样本、次目标样本、主目标样本各对其进行联合特征提取,组成样本数为600个的样本集。表4.1海杂波数据基本情况Tab.4.1化eSituationofSeaClutterData编号s件名极化方式5S ̄ ̄ ̄#1719931107135603starea.cdf19^HH、VV、HV、VH_l冉1111071411:118993630starea.cdf98HH、W、HV、VH__#1919931107145028starea.cdf287:9HH、VV、HV、VH__227冉2519931108138starea.cdf176:8HH、VV、HV、VH__^冉2619931108220902stareaxdf176:8HH、VV、HV、VH__#3099df26、V、199311091144starea.c7:8HHV、HVVH__冉1120221727631199309starea.cdf:9HH、W、HV、VH__冉40199311100016%starea.cdf175:8HH、VV、HV、VH__扭5419931110001635stare^cdf287:10HH、VV、HV、VH__#280199311180Z?604stareC0000.cdf1871HH、VV、HV、VH:0__#28319931118023604stareC0000.cdf1108:12HH、VV、HV、VH__冉31019931n81621^stareCOOOO.cdf476:9HH、VV、HV、VH__#31119931118162155stareCOOOO.cdf476HH、VV、HV、VH:9—_#3201993]118174259stareC000(Kcdf276:9HH、VV、HV、VH__4表.2样本集选取情况Tab.4.2SamleSelectionp ̄1¥^权重设置训练样本集测试样本集1=400样本集1W:w2200,,:l随机选取个样本剩余个样本=22w;w.l2400样本集,:随机选取200个样本剩余个样本=33w:wl1样本集i,:随机选取300个样本剰余300个样本4=4W:w:::样本集m,w.il23随机选取300个样本剩余300个样本=55W:l样本集t〇Ws:Wi:3:2300300c随机选取个样本剩余个样本=目目W.样本集:W:Wtil:2:3300300sm随机选取个样本剩余个样本=7样本集7Ws:Wu,:w<il:3:2随机选取300个样本剩余300个样本=8样本集8w<i:Ws:Wnl:2:3随机选取300个样本剩余300个样本=99w.:w;l::样本集i.w,32随机选取300个样本剩余300个样本10w=10样本集,:w,2:l300300,随机选取个样本剩余个样本=11l样本集11w,:wi:2随机选取300个样本剩余300个样本=12样本集12w,:wil:l随机选取300个样本剩余300个样本-4-1 海杂波背景下弱目标检测训练样本采用随机数法进行选取。对训练样本和测试样本中的各种个体的权重进行设置,生成不同的训练样本集和测试样本集。样本集生成过程如图4.3所示。图中样本 ̄集112为训练样本集和测试样本集的集合。考虑到试验时间和便利,W及数据代表性,选取时分别按照整数值权重进行训练样本集和测试样本集的选取,按照广泛代表性原则进行选取。样本集选取情况如表4.2所不。 ̄W,>Wc叫样本集1户l''' ̄ ̄^^?'3W,。W羊马曼2训练测试WtWc_ ̄=^W,W叫样本集3c1<W<WHWmscl叫样本集"_-Wm<W—5c\<Ws样本集H^_-?Ws<Wm<Wc权重主目标单元Wml6^样本集?-设置次目标单元Ws"*W7Wds<Wcl<Wm方式纯染泌苗元i中^本集-<W<WHWclsm叫样本集8 ̄<W<W—9叫WdmsH样本集 ̄?>'部广T样本菓Tor而IIi-?wh低海情W?-高海清?Wh<w?11!i!样本集I]I-?=',1厂IWW/1叫样本集图4.6样本生成过程Fig4.6SampleGenerationProcess2DBN网络参数设定()应用重构误差法对DBN隐含层数进行选取,得到最优结果时,隐含层数为仁日,为一=了进行进步比对检测效果,分别设置隐含层数Z4,6两种情况的DBN网络,进行试验验证。邮N网络具体参数设置如表4.3所示:-42- 大连理工大学硕±学位论文43表.DBN参数设置T化4ParamrsofDBN..3ete ̄模型参数片5取值=4A=6Z取值取值输入层节点数^^Yo一层节点数第808080第二层节点数60406日第H层节点数402040第四层节点数201040第五层节点数1020第六层节点数10输出层节点数333RBM迭代次数202020学习率0.0060.006.00604.4.3实验结果与分析=5N-HMM系统分别用46的DB,并对主目标12个样本集对隐含层数Z,,进行测试检测准确率,,次目标检测准确率,海杂波目标检测准确率总检测准确率和召回率进行计算:,结果如下DBN网络隐Z=(l)藏层数5的检测结果44仁5表.检测结果=Tab.4.45DetectResuLionlt特征子集之次目权Z海东波1R ̄ ̄1.子集9i%^100%^982%子集296%95%97%96.5%96%子集396.5%96%99%97%96.5%子集497.3%96%96%96.7%97.3%596.子集.3%94%99%97%963%子集696%98%98%96.3%96.2%798%97.7%子集.3%98%9798%子集8%%97%%.6%98%98%子集95>8%98%96.3%97.3%98%98子集10%97%99%98%98.1%子集97%96%96%97%97.2%11子集12化.3%97.4%98%97%96.5%-43- 海杂波背景下弱目标检测=汇总表中数据,在隐含层数15惰况下,主目标单元检测准确率最低为96%,最高为98%;次目标单元检测准确率最低为94%,最高为98%;杂波单元检测准确率最低为96%,.,最高为100%总检测准确率最低为96.3%最高为99%。召回率最高982%,最;,检测结果达到了较理想状态低96.2%。召回率和准确率都达到较高值。DBN网络隐藏层数=4的检测结果口)Z=表4.日Z4检测结果=T.54De化ctRab.4Zionesult特征子集z主目标z次目巧z海巧巧z民 ̄ ̄子集1^^^98.5%97.5%〇)294%95%S>6%S5子集.3/〇95.5%%〇96%96.5子集3.5%97/〇96%子集4%%5)6%96%96.3%97%子集596.3%94%S>8%96.7%S>6%48>子集696%9.6%9%%.7%S5.5%子集796%96.7%98%97%97.5子集898%97%96.7%97%97%97%S?6%96.3%96子集9.7%97%798%97%975子集109%%%.%子集1195%96%97%96%96.597%97%S>%?子集1296%6.7S6%=4汇总表4,.5中数据,在隐含层数1情况下主目标单元检测准确率最低为94%,次目标单元检测准确率最低为94%,杂波单元检测准确率最低为96%,总检测准确率最低为95.3%。召回率最低%.5%。检测准确率和召回率降低,说明层数减少情况下,系统训练不能达到最优状态,检测准确率和召回率下降。DBN网络隐藏层数I二(3)6的检挪幡果汇总表=4.6中数据,在隐含层数Z6情况下,主目标单元检测准确率最低为96%,次目标单元检测准确率最低为94%,杂波单元检测准确率最低为95%,总检测准确率最低为95.3%。召回率最化%.5%。说明层数增加情况下,误差在层内转移而增大,检测准确率和召回率均有不同程度下降。--44 大连理工大学硕±学位论文=表4.6Z6检测结果=Tab.4.6i6De化ction民esult特征子集Z主目惊Z次郎Z巧杂z及 ̄子寞1^^^^97%*子集296%55%96%95.75%95%子集396%96%97%%.3%96%子集496%96%96%96%96.5%〇>%955/〇子集556.3%94%98%%.7.子集6^>6%%%96%%95%)%子集796%97.3%58%97.396.5%>86%98.子集89%S.6%976%97%子集997%98%96.3%97%96%子集1097%96%98%97%97.5%).%子集1197%96%95%56%9551296.3%95.4%97%96子集.3%95%4不同样本集检测准确率和召回率对比()III■■100III?■*IIIIIIIIIIIII-〇—L=5=L4.0.I■■I.I■I.I.I.I.I.II■I.I.123456789101112样本集编号图4.7不同样本集的检测准确率Fi47DetionAccuracofDifferentSamleSetsg.kcyp--45 海杂波背景下弱目标检测?—100■'■*'''■■'*IIIIIIIIIII1IDBN-HMM5-HMM4.99-DBNDBN-HMM6II.I.I.i.i.i.I.I.I.I.I.I.i.123456789101112样本集编号图4.8不同样本集的召回率F4.8RecaDrenmligllofi祗tSapeSetsDBN参数设置不同情况下,各样本集对应检测准确率如图4.7所示,由图可知:=①隐含层数15情况下检测准确率最高,隐含层数减少和增加都导致了检测准确率的降低。?②由样本集3的检测准确率可知,大样本训练,小样本测试情况下准确率高于小1样本训练,大样本测试。?9的准确率可得,样本数相同情况下③由样本集4,训练样本集次目标样本与主目标样本合计权重大的情况下,检测准确率高。 ̄④由样本集1〇12的准确率可得,样本数相同情况下,训练样本集高海清样本权重大的情况下,检测准确率高。-,对提高检测准确度有很大作用构建合理的海杂波训练样本集,因此在DBNHMM系统进行训练时,应进行大样本训练,并提高复杂情况样本在训练样本集的比例,使系统参数能够达到最优值,系统结构可适应海杂波信号的检测。DBN参数设置不同情况下,各样本集对应召回率如图4.8所示,由图可知:-46- 大连理工大学硕±学位论文=①隐含层数15情况下最高,隐含层数减少和增加都导致了的降低。 ̄13,,②由样本集的召回率可知,大样本训练小样本测试情况下欠高于小样本训练大样本测试。 ̄9的召回率可得③由样本集4,样本数相同情况下,训练样本集次目标样本与主目标样本合计权重大的情况下,i?值高。?④由样本集1012的召回率可得,样本数相同情况下,训练样本集高海清样本权重大得情况下,值高。Z=Z和召回i?总之,在DBN网络5时,系统的检测准确率率均取得的理想值。说明系统在此情况下达到了最优状态。5次目标检测准确率和低SN民检测准确率()QQ次目标检测准确率.tQO.I.I.II.I.I■I.I.I.I.I..123456789101112样本集编号4图.9次目标和低信噪比检测准确率FATrendLNRig4.9DetectionccuracyofSubataowSg49所示,可知在任意样本,次目标检测准确率和低SN民情况下检测准确率如图.集中次目标的检测准确率均不低于94%,最高达到了%%,有效降低了对主目标的干扰,说--47 海杂波背景下弱目标检测明该检测系统对次目标有优秀的识别能力。低信噪比情况下的检测准确率最低96%,最高达到了97.3%,说明该检测系统在低信噪比情况下有较好的检测性能。4.4.4不同检测系统性能对比本文采用了海杂波几种常见特征和常见检测器,与本文算法检测性能进行了比较,并对结果进行了分析。不同特征与不同检测器的检测准确度如图4.10所示。、、'"'、'"巧六V?六77V"*"*-》>}/",/")"/}///)///)"/)/////7,)々77^777/7、山TIJ*-////,、T、'A/r-、\\\'^^T^Y-成、成成成kwt^nTiT济林巧衍化押、巧巧於识S碎坏杯化処化口巧化邮样桐化M而稱体奸倘朴诉偷输补楠滿每稱稱浴稱稱稱稱稱^-I邱I’’’TTTnnrn111IIIIihillihih1……川IINiiim)IImhll|1iHiHiIIllfiInmir口nln111MIT1川^"川川!T^//////////////////////////////////7//////////////////////////^"、丄/一,AI联合特征JI-■WMDBNHMM5汾做做服'.p释暨《做做做做做冷众做燃做置<做做冷㈱傲匆Abnp-im:攒纖资纖稱嚇飾谢碱圓DBNHMM6''*'-illnTirn]llilu[MrnmltlUiTtiiiiiiiiMll)iiii)iiinimiliilhilh^iii!illllIIIrtlhrllhlhnlhlnlrmRNx-HMM4WWWr"""/》》WWWUWW/W)WWW巧77/,r^tVyWxNDLJiIIIVIIV口?ue[ime-''S鐵巧卸衝郑敬巧巧管野畔野於牌费鄉卸學靖斬微 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大连理工大学硕七学位论文.''DBN-HMM5杉知滅命衣卸如咬喊知诚备碱痴如妓却……'…….…'.**||||..i|||T|::i111111il,m||T|||Vfffffn111111111"|"ffff!nnilvPTT11M11111111LI」10.1nITITIIII1IIIIIIIIIIII1III[IMI]IItLjjjI^77777.'■\/1??TiiA..1日DBN-HMM6苗增峨迎M联合向量兰姪鄉给娩*In1lI11IiI11IIIII1III]I1I1111[11111[I[IIIXy1II[M111111I11111111I11JIi1//_I''T.,iIIIIIIIIIIIIIMIIIIIII111lI!IIIIIN111111IIII11IX///AAtn1IIII1IMIiIIII:Ilp^/ ̄|.^ 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海杂波背景下弱目标检测不同检测器的召回率如图4.13所示;*'*' ̄* ̄ ̄ ̄* ̄ ̄''HTrnTlTTTTT1I!IllI<liIIIl1111mTTrrrrTTi111Vrrrfr111111VrrrrrfrfFTT1翔麵應DBN-HMM6微總纖激誦^口'*巧巧化^AUU.iJ.U.-AivMj-T?(}.li分-D巨NHMM4-t絕磯錢惑驟爭气Deime■IIIIIIINI分形谱;^巧打另;0^>从\^从^如U山I人WA人W人人分形维数LS-SVMg ̄ ̄11T11111111nvfrffffTt11111111TIiTrmTtnTTiinrniiTiTiTirrfffItniniVI111111npn赢iLy过unov巧巧jjjjjp1.J>从^Hurst扩数 ̄(奇SVM含之三乏含責蓋之完占n** ̄ ̄* ̄ ̄'_TnnIi11iI11iiiiliimTiTnTrrrTT11niVrrrrrrrrrITn1111rrrrrrrrrrnTTTtjy■-i'WtJ去从My決AW其共从决A-?—^x^^^^■i^i^^<x^x^;<■^!x■>J;^^Jv■yJ!>^■^?^>?■レ乂)<■^x;^;j<Jwl^v?lv6^:)*3<J<■fc^<J■v6vJv^■w■>■?U■>^リ-レA、>l\>[\^k^人>乂)^シパvl<■^。rSIJ*X* 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大连理工大学硕±学位论文结论海面上小目标的雷达检测技术在实际中具有广泛应用。但对海面上的小目标,其雷达信号通常较弱,,,,且是非平稳随机信号而海杂波情况复杂与许多因素有关因此,,对其进行有效检测难度较大,为。在复杂海杂波背景下了实现海面弱目标检测需要提取雷达回波信号中的有用特征,并进行模式分类。一本文主要对海杂波背景下弱目标检测算法进行了研究DBN-HMM,给出了种基于、网络的的弱目标检测算法。该算法核屯思想分为两大部分:1针对海杂波的非平稳特性,应用H参数分数阶傅里叶变换来处理海杂波信号,()使易混淆的主目标与次目标信号特征差别增大。用Hurst指数、Lyapunov指数、分形维。数进行联合特征提取时,、多重分形谱、近似摘等对其进行表征提取了海杂波时域和变换域的6种特征向量,通过遗传算法对其进斤特征选择,得到联合特征向量。2基于DBN-HMM模型的弱目标检测器。将深度信念网络与隐马尔科夫模型相结()合,构建海面弱目标分类器。在仿真实验时,测试数据选用加拿大McMaster大学IPIX雷达数据,,,结果表明本文的海杂波目标识别方法检测准确度较高具有良好的性能。经过理论研究与实测海杂波数据验证,得到下结论:1优化后联合特征性能在低信噪比情况下优于其他常见特征。()口。)联合特征扩大了主次目标单元的特征差别-3基于DBNHMM的弱目标检测器的检测准确率和召回率,均高于其他使用相同()特征的检测器;一受限于时间和条件,未能进行大样本验证,。此外本文的算法还有定改进和提升的空间,例如:1由于DBN网络有强大的学习能力和特征提取能力,联合特征对DBN网络是合()一一DBN网适的。因此,为了进步提高检测性能,需要进步寻找更适合络的特征。2DBN网络节点数、层数、迭代次数和学习率对检测精度有很大影响,由于时间()关系,本文只讨论有限的几种变化,未能详细讨论整个系统的变化情况,。因此未来可一进步进行研巧,期达到更高的检测精度。一(3)目前,还没有能真实拟合海杂波的模型,现有模型都存在定的不足,现有的特一征向量也只是在定情况下可W反映海杂波的特性,。因此合适的海杂波模型和准确描一述海杂波特性的特征向量,也是研究的个方向。-曰-I 海杂波背景下弱目标检测参考文献[1..]何友,王国宏,陆大金,彭应宁多传感器信息融合及应用[M]北京:电子工业出版社,2007.2,邢孟.M.:,2005.[]保挣道,王通编著雷达成像技术[]北京电子王业出版社2005巧]黄培康,殷红成,许小剑.雷达目标特性M.北京:电子王业出版社,.-4.V.Trunk..[]G..rDtitrNoGaussianseacluterJIEEETran,,SFGeoe巧aconofagetsinnsong[]Ae-rospaceandElectronicSystems.19706:620628.,口)[5]dhileherriirJ.IETran,AerosaceandElecrc.c.sc.adarde化ctonnweibullCluteEEsontoni[]pms-Sys化.l976126:8288.,()6E-[].JakemanPPuAmrRechoJ.IEEETrans,onAnnna.N.se.odelfononayleihsea化sand,yg[]Proaa-ion.197246:814.pgt6,()0687-Wlld[]M.SekineT.MushaY.TomitaT.IrabuE.Kiuchi.LoeibuistribWedseaclutterJ.lEE,^,,g[]-Proc.F.19801273:225228.,()[8]A.Frina,F.Gini,V.Greco,P丄ombardo.CoherentradardetectionoftargetsagainstacombinationofK-suedandausancrWasd.IEEEInernanaRrnferenceitribtGsiIutteCttioladaCohington[],DC-1995:8388.,键..[9]关,刘宁波,黄勇等雷达目标检测的分形理论及应用[M]北京:电子工业出版社,2011.10HenrLeun?巨xerimentalmodelinofelectromaneticwavescaterinfromanoceansurface[]ygpggg-basedonchaotic化eorJ.ChaosFractasndSoons.199221:2543.ylalit,,()[][11]S.Haykin,LiXiaobo.Detectionofsignalsinchaos[C].Proceedingsof化eIEEE.1995,83(1):95-12212JnboGaoKYao-.MlrIEEERadarConferenceLiunutifractalfeaturesofseacIuteC.on[],呂[],gB-505eachCA2002.:500,,13HenrLeun.Ad別ii1linchaotradrnanoceanenvironment:anxerimen[]ygppygsoaectonep化d-stuJliii.664.[].I巨目EJournaofOceanc巨nneernl9952〇l:5ygg,()*-14LanceM.Ka.CJK.Fomno[]lanCauorac化1estimationfrisdataviadiscie化fractionalp,yyGaussannoseDFGNand化eHaaaiJIEEETns,onSnaProcessn14112ii(rbss].raigli.993():)[g,3554-35621--弓HeYouJ[]ianTaoSuFenetalNlrretdtetrsiGssiancluerJ..oveanesadtareeconnonau打,,g,gpg[]-lEE巨Tr46313121.ans,onAerosaceandElectronicSstons.2010:328py,()MM-[16]ehrdadSas.MorresHDnandanalifflcorforhlmaidaashemi.esissoractade化ti,gyghres-oluirrshaorac.200940:21332145.tonada.CsSolitonsandFtalsU,,]17刘宁波.FR巧.[],王国庆,包中华,关键海杂波谱的多重分形特性与目标检测[J]信号处-理.201329(1):19.,--52 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海杂波背景下弱目标检测攻读硕±学位期间发表学术论文巧况一1,,陈酷殷福亮康克成.种海杂波背景下的弱目标检测方法及系统,国家发明专利,申请号:201610202619.X。(本硕±学位论文第四章)-56- 大连理工大学硕±学位论文致谢工作十年后一,,,,又次走进校园。再次重温校园岁月这三年走过风雨走过艰辛我终于走到了毕业收获的季节,在这H年里,,是大工让我重燃学习的激情良好的校园环境,知识的海洋,让我陶醉其中。!首先,,,我最想要感谢我的导师殷福亮教授您蓉智的思想渊博的知识广阔的科一!让我的思想不再束缚!,给我打开了扇新的口,闪现出新的火花研视野科研的路上,每个关键时刻都给予了我关键的建议!!识接触不多同时工作多年后的我,理解不透。,我还要感谢陈酷老师,对很多新知一,论文开题,撰写,给我帮助。您对待科研的研究方向的确定,每步您都指引我前行!精神,勤奋严谨的工作态度给我了巨大的影响我将W您为榜样,继续前行!一然后,!H年时光,起度过,你们的青春飞扬我还要感谢教研室的全体同学我们、!自信阳光感染了我,让我好像又回到了大学时代送些种种的回忆,,都将使我终生难忘感谢有你们的陪伴!!最后,感谢我的父母,他们含辛茹苦,将我培养长大我要感谢我的家人,而我由、!!,尽孝甚少,深感不安于工作原因,每思之内屯感谢我的岳父母感谢他们对我的支、!感谢我的妻子王佳!,执子之手感谢你默默地付出,让我可W全身屯持,与子携老的!!投入学习感谢我的儿子康锦寅,你是上天带给我最好的礼物你九月即将进入小学,一步,希望你能开屯快乐的学习生活!最后谨^>开始你学习生涯的第11此文纪念结婚十周年和儿子六周岁生日!-57- 大连理工大学硕±学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定,在校攻读学位期间工作的知识产工大学。论文权属于大连理,允许论文被查阅和借阅学校有^权保留论文并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版1,可乂将本学位论文的全部或部分巧容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。:景下弱目标检测学位论文题目海杂波背作者签名;樣屯氏__日期:2016年月8日:日期:2016导师签名—年月《日和娩备J_

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