兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 385-394.doi: 10.12382/bgxb.2022.0842
杨家铭1, 潘悦1, 王强1,2,*(), 曹怀刚1, 高荪培1
收稿日期:
2022-09-17
上线日期:
2024-02-29
通讯作者:
基金资助:
YANG Jiaming1, PAN Yue1, WANG Qiang1,2,*(), CAO Huaigang1, GAO Sunpei1
Received:
2022-09-17
Online:
2024-02-29
摘要:
针对水下弱目标跟踪受干扰和噪声影响容易出现量测丢失或偏差,导致传统Kalman滤波方法跟踪误差显著增加甚至出现发散的问题,为此提出一种基于神经网络的目标跟踪方法,利用深度神经网络解决不同运动模式下目标方位跟踪的问题。水下目标跟踪的神经网路模型可通过运动模型生成大量量测数据进行充分训练,有效解决水声目标数据少、标记样本不足的问题;在量测不连续条件下,提出一种新的损失函数用于增强目标跟踪模型的稳健性;对未学习的仿真数据及实测海试数据进行测试。研究结果表明:构建的卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)模型适用于3种不同运动模式下的目标,能在平台静止和运动两种情况下稳定跟踪目标;CNN模型较传统Kalman滤波方法跟踪误差分别降低了7.75°和1.41°,验证了该模型的稳健性和可推广性。
中图分类号:
杨家铭, 潘悦, 王强, 曹怀刚, 高荪培. 水下弱目标跟踪的深度学习方法研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 385-394.
YANG Jiaming, PAN Yue, WANG Qiang, CAO Huaigang, GAO Sunpei. Research on Deep Learning Method of Underwater Weak Target Tracking[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(2): 385-394.
运动模式 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
目标与观测平台距离/km | 0.05~10 | |
CV | 目标初始方位角/(°) | 0~360 |
目标速度/(m·s-1) | 0.1~10 | |
目标速度方向/(°) | 0~360 | |
目标与观测平台距离/km | 0.05~10 | |
目标初始方位角/(°) | 0~360 | |
CA | 目标速度/(m·s-1) | 0.1~10 |
目标速度方向/(°) | 0~360 | |
目标加速度/(m·s-2) | 0.1~2 | |
目标与观测平台距离/km | 0.05~10 | |
目标初始方位角/(°) | 0~360 | |
CV+CT | 目标速度/(m·s-1) | 0.1~10 |
目标速度方向/(°) | 0~360 | |
目标角速度/((°)·s-1) | -2~2 |
表1 数据集仿真参数
Table 1 Data set simulation parameters
运动模式 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
目标与观测平台距离/km | 0.05~10 | |
CV | 目标初始方位角/(°) | 0~360 |
目标速度/(m·s-1) | 0.1~10 | |
目标速度方向/(°) | 0~360 | |
目标与观测平台距离/km | 0.05~10 | |
目标初始方位角/(°) | 0~360 | |
CA | 目标速度/(m·s-1) | 0.1~10 |
目标速度方向/(°) | 0~360 | |
目标加速度/(m·s-2) | 0.1~2 | |
目标与观测平台距离/km | 0.05~10 | |
目标初始方位角/(°) | 0~360 | |
CV+CT | 目标速度/(m·s-1) | 0.1~10 |
目标速度方向/(°) | 0~360 | |
目标角速度/((°)·s-1) | -2~2 |
事件 | 概率/% |
---|---|
目标被探测 | 97.82 |
出现野值 | 2.31 |
表2 量测不确定性参数统计
Table 2 Measurement statistics
事件 | 概率/% |
---|---|
目标被探测 | 97.82 |
出现野值 | 2.31 |
网络层 | 卷积核 | 节点数 | 输出维数 | 参数数量 |
---|---|---|---|---|
512×2 | 199×512 | 1536 | ||
卷积层 | 256×2 | 198×256 | 262400 | |
256×2 | 197×256 | 131328 | ||
128×2 | 196×128 | 65664 | ||
最大值池化层 | 128×2 | 98×128 | 0 | |
200 | 1×200 | 2509000 | ||
全连接层 | 1000 | 1×1000 | 201000 | |
200 | 1×200 | 200200 |
表3 CNN参数设置
Table 3 Parameter settings of CNN
网络层 | 卷积核 | 节点数 | 输出维数 | 参数数量 |
---|---|---|---|---|
512×2 | 199×512 | 1536 | ||
卷积层 | 256×2 | 198×256 | 262400 | |
256×2 | 197×256 | 131328 | ||
128×2 | 196×128 | 65664 | ||
最大值池化层 | 128×2 | 98×128 | 0 | |
200 | 1×200 | 2509000 | ||
全连接层 | 1000 | 1×1000 | 201000 | |
200 | 1×200 | 200200 |
网络层 | 节点数 | 输出维数 | 参数数量 |
---|---|---|---|
1000 | 1×1000 | 201000 | |
1000 | 1×1000 | 1001000 | |
全连接层 | 800 | 1×800 | 800800 |
800 | 1×800 | 640800 | |
600 | 1×600 | 480600 | |
400 | 1×400 | 240400 | |
输出层 | 200 | 1×200 | 80200 |
表4 全连接神经网络参数设置
Table 4 Parameter settingsof fully-connected neural network
网络层 | 节点数 | 输出维数 | 参数数量 |
---|---|---|---|
1000 | 1×1000 | 201000 | |
1000 | 1×1000 | 1001000 | |
全连接层 | 800 | 1×800 | 800800 |
800 | 1×800 | 640800 | |
600 | 1×600 | 480600 | |
400 | 1×400 | 240400 | |
输出层 | 200 | 1×200 | 80200 |
损失函数形式 | 网络结构 | RMSE/(°) |
---|---|---|
MSE损失函数 | 全连接神经网络 | 3.12 |
CNN | 1.44 | |
方位关联损失函数 | 全连接神经网络 | 2.07 |
CNN | 0.72 |
表5 测试数据集跟踪RMSE对比
Table 5 Comparison of tracking RMSEs of test data
损失函数形式 | 网络结构 | RMSE/(°) |
---|---|---|
MSE损失函数 | 全连接神经网络 | 3.12 |
CNN | 1.44 | |
方位关联损失函数 | 全连接神经网络 | 2.07 |
CNN | 0.72 |
机动模式 | 跟踪方法 | RMSE/(°) |
---|---|---|
KF | 5.26 | |
一次转弯 | 全连接神经网络 | 4.51 |
CNN | 2.41 | |
KF | 5.88 | |
CV+CA | 全连接神经网络 | 4.42 |
CNN | 2.66 | |
KF | 7.66 | |
CV+CT | 全连接神经网络 | 2.74 |
CNN | 1.63 |
表6 平台进行一次机动情况下各方法跟踪RMSE
Table 6 Comparison of tracking RMSEs for a maneuver of the platform
机动模式 | 跟踪方法 | RMSE/(°) |
---|---|---|
KF | 5.26 | |
一次转弯 | 全连接神经网络 | 4.51 |
CNN | 2.41 | |
KF | 5.88 | |
CV+CA | 全连接神经网络 | 4.42 |
CNN | 2.66 | |
KF | 7.66 | |
CV+CT | 全连接神经网络 | 2.74 |
CNN | 1.63 |
跟踪方法 | RMSE/(°) |
---|---|
KF方法 | 2.31 |
全连接神经网络 | 1.73 |
CNN | 0.90 |
表7 SwellEx-96实际数据跟踪RMSE对比
Table 7 Comparison of tracking RMSEs of SwellEx96 data
跟踪方法 | RMSE/(°) |
---|---|
KF方法 | 2.31 |
全连接神经网络 | 1.73 |
CNN | 0.90 |
[1] |
doi: 10.1109/TSMC.6221021 URL |
[2] |
|
[3] |
王宇杰, 李宇, 鞠东豪, 等. 一种基于水下无人航行器的多目标被动跟踪算法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(8): 2013-2020.
|
|
|
[4] |
马艳, 刘小东. 状态自适应无迹卡尔曼滤波算法及其在水下机动目标跟踪中的应用[J]. 兵工学报, 2019, 40(2): 361-368.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.02.016 |
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.02.016 |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
doi: 10.1038/scientificamerican08211915-128supp URL |
[8] |
|
[9] |
doi: 10.1016/0005-1098(75)90021-7 URL |
[10] |
|
[11] |
doi: 10.1109/7.250437 URL |
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
邵鹏飞, 王蕾, 王方勇. 基于序贯蒙特卡洛与概率假设密度滤波的主动分布式声纳多目标跟踪[J]. 兵工学报, 2020, 41(5): 941-949.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2020.05.013 |
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2020.05.013 |
|
[15] |
|
[16] |
doi: 10.1016/j.ins.2019.06.039 URL |
[17] |
doi: 10.1016/j.inffus.2019.06.012 URL |
[18] |
李悦, 马晓川, 刘宇, 等. 非等声速信道下的循环神经网络机动目标跟踪模型[J]. 声学学报, 2021, 46(6):1013-1027.
|
|
|
[19] |
|
[20] |
doi: 10.1109/Access.6287639 URL |
[21] |
|
[22] |
张永梅, 赖裕平, 马健喆, 等. 基于视频的装甲车和飞机检测跟踪及轨迹预测算法[J]. 兵工学报, 2021, 42(3): 545-554.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.03.010 |
|
|
[23] |
|
[24] |
doi: 10.1109/TSP.2006.881190 URL |
[25] |
|
[1] | 田大明, 苗圃. 融合模型求解与深度学习的可见光通信非线性均衡器[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 466-473. |
[2] | 张堃, 杜睿怡, 时昊天, 华帅. 基于Mogrifier-BiGRU的飞行器轨迹预测[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 373-384. |
[3] | 秦昊林, 许廷发, 李佳男. 基于超像素注意力和孪生结构的半监督高光谱显著性目标检测[J]. 兵工学报, 2023, 44(9): 2639-2649. |
[4] | 彭沛然, 任术波, 李佳男, 周鸿伟, 许廷发. 基于光照感知的多光谱融合行人检测方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(9): 2622-2630. |
[5] | 周宇, 曹荣刚, 栗苹, 马啸. 一种用于外场试验图像的引信炸点检测方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2453-2464. |
[6] | 王洋, 冯永新, 宋碧雪, 田秉禾. DP-DRCnet卷积神经网络信号调制识别算法[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 545-555. |
[7] | 张良安, 陈洋, 谢胜龙, 刘同鑫. 基于机器视觉与深度学习的飞机防护栅裂纹检测系统[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 507-516. |
[8] | 王强, 吴乐天, 李红, 王勇, 王欢, 杨万扣. 基于双支网络协作的红外弱小目标检测[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 3165-3176. |
[9] | 郑志伟, 管雪元, 傅健, 马训穷, 尹上. 基于卷积神经网络与长短期记忆神经网络的弹丸轨迹预测[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 2975-2983. |
[10] | 王亮, 陈建华, 李烨. 一种基于深度学习的无人艇海上目标识别技术[J]. 兵工学报, 2022, 43(S2): 13-19. |
[11] | 王晓琦, 赵旸, 张键, 王硕. 基于深度学习的船体三维模型自动生成方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(S2): 115-119. |
[12] | 李良福, 陈卫东, 高强, 许开銮, 刘轩, 何曦, 钱钧. 基于深度学习的光电系统智能目标识别[J]. 兵工学报, 2022, 43(S1): 162-168. |
[13] | 李锦青, 刘泽飞, 满振龙. 基于生成对抗网络的密钥生成方法及其在微光图像加密中的应用[J]. 兵工学报, 2022, 43(2): 337-344. |
[14] | 杨传栋, 钱立志, 薛松, 陈栋, 凌冲. 图像自寻的弹药目标检测方法综述[J]. 兵工学报, 2022, 43(10): 2687-2704. |
[15] | 普运伟, 刘涛涛, 郭江, 吴海潇. 基于卷积神经网络和模糊函数主脊坐标变换的雷达辐射源信号识别[J]. 兵工学报, 2021, 42(8): 1680-1689. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||