
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 |
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