嚴(yán)良濤, 項(xiàng)曉麗

基于GA-KPCA的特征選擇在水下目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用

嚴(yán)良濤1, 項(xiàng)曉麗2

(1. 中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì), 廣東 湛江, 524022; 2. 廣州杰賽科技股份有限公司, 廣東 廣州, 510220)

水下輻射聲場(chǎng)和水聲信道的復(fù)雜性使得聲吶接收的噪聲信號(hào)相互耦合、調(diào)制畸變, 具有很強(qiáng)的非線性。文中利用核函數(shù)將原始特征空間的非線性數(shù)據(jù)映射至高維特征空間, 在高維特征空間進(jìn)行主元分析(PCA)法提取特征, 并采用遺傳算法(GA)對(duì)核參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 形成了基于GA-核主元分析(KPCA)的水下目標(biāo)特征選擇方法。實(shí)際樣本數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明, 該方法在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)線性PCA方法處理非線性數(shù)據(jù)的不足, 能夠獲得更高的識(shí)別正確率。

水下目標(biāo)識(shí)別; 遺傳算法; 核主元分析法; 核函數(shù)

0 引言

水下目標(biāo)識(shí)別是水聲技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題之一。水聲目標(biāo)作為復(fù)雜的輻射源, 其噪聲由主機(jī)、輔機(jī)和各種機(jī)泵噪聲耦合構(gòu)成, 同時(shí)螺旋槳也會(huì)對(duì)輻射噪聲產(chǎn)生調(diào)制作用; 水聲信道是緩慢時(shí)變、空變的非線性系統(tǒng), 會(huì)使輻射噪聲頻率之間產(chǎn)生各種耦合。上述因素使得聲吶接收的噪聲信號(hào)相互耦合、調(diào)制甚至畸變, 具有很強(qiáng)的非線性。因此, 水下輻射聲場(chǎng)和水聲信道的復(fù)雜性是水下目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵因素。

目標(biāo)噪聲信號(hào)的特征提取是目標(biāo)識(shí)別器的關(guān)鍵技術(shù), 為此學(xué)者們提出了多種特征提取方法[1-4], 試圖從不同角度獲得噪聲信號(hào)的特征。為保證識(shí)別的正確率應(yīng)將多種特征加以組合, 但會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)維數(shù)過(guò)高, 識(shí)別速率下降的問(wèn)題。主元分析(principal components analysis, PCA)是一種可有效對(duì)高維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維的工具, 但傳統(tǒng)線性PCA特征提取方法未考慮目標(biāo)噪聲信號(hào)的強(qiáng)非線性特點(diǎn)[5]。根據(jù)模式識(shí)別理論, 在低維空間的非線性不可分?jǐn)?shù)據(jù)映射至相應(yīng)的高維空間后, 可實(shí)現(xiàn)在該空間的線性可分。基于此, 文中將核技巧引入目標(biāo)噪聲信號(hào)處理中, 利用核函數(shù)(kernel)將原始空間的非線性特征數(shù)據(jù)映射至高維特征空間, 并在高維特征空間進(jìn)行PCA提取特征, 同時(shí)采用遺傳算法[6](genetic algorithm, GA)對(duì)核參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 形成了基于遺傳算法-核主元分析(kernel principal component analysis,)的水下目標(biāo)特征提取方法。該方法可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)線性PCA特征提取方法處理非線性數(shù)據(jù)的不足, 獲得更好的識(shí)別效果。

1 水下目標(biāo)特征選擇

1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

數(shù)據(jù)中心化處理就是將數(shù)據(jù)進(jìn)行平移, 使其均值為0。對(duì)數(shù)據(jù)矩陣中心化得

不同特征的量綱不同, 造成不同特征的變化信息不能在同一尺度進(jìn)行比較, 文中利用歸一化方差的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理

1.2 空間映射及核函數(shù)

1.3 KPCA特征選擇

圖1 核矩陣K和協(xié)方差矩陣C的關(guān)系

1.4 GA-KPCA算法

1) 編碼: 對(duì)核參數(shù)進(jìn)行編碼, 采用二進(jìn)制編碼, 原始的核參數(shù)經(jīng)編碼后表示成遺傳空間的基因型串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù), 核參數(shù)的初始編碼值為任意值。

2) 生成初始種群: 隨機(jī)產(chǎn)生個(gè)初始串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù), 每個(gè)串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)代表1個(gè)個(gè)體。GA算法以這個(gè)串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)作為初始種群開(kāi)始優(yōu)化。

3) 解碼: 將種群中的個(gè)體進(jìn)行解碼得到值, 并將值與原始特征數(shù)據(jù)樣本一起輸入到KPCA算法中。

6) 交叉操作: 選中2個(gè)個(gè)體并對(duì)其染色體上的第位進(jìn)行交叉操作。

7) 變異操作: 在父代中選擇1個(gè)基因點(diǎn), 采用均勻分布的隨機(jī)數(shù)替換, 使替換后的個(gè)體更加適應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)環(huán)境。

8) 重復(fù)進(jìn)行3)~7)直到達(dá)到設(shè)定的遺傳代數(shù), 得到最優(yōu)化的核參數(shù)值0, 注意0與初始0值無(wú)關(guān); GA-KPCA算法流程如圖2。

圖2 遺傳算法-核主元分析算法流程

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 核參數(shù)值進(jìn)化過(guò)程

圖4 GA-KPCA與主元分析的主元方差貢獻(xiàn)率

從圖4可以看出, GA-KPCA第1個(gè)主元占方差總和的26%左右, 前11個(gè)主元占總體方差的95%左右; PCA第1個(gè)主元占方差總和的21%左右, 前13個(gè)主元占總體方差的95%左右。所以將原始特征數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性映射后, 再在映射空間進(jìn)行KPCA特征選擇能在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)PCA在處理非線性問(wèn)題的不足。

表1 GA-KPCA與PCA特征矩陣分類效果比較

由表可知, GA-KPCA特征矩陣的平均識(shí)別正確率為85%, 高于PCA特征矩陣11.25%, 平均耗時(shí)為23.427 s, 高于PCA特征矩陣4.264 s。GA-KPCA特征矩陣分類識(shí)別的平均耗時(shí)略高于PCA特征矩陣, 在可接受范圍內(nèi), 但其平均識(shí)別正確率遠(yuǎn)高于PCA特征矩陣。所以可知, 在水下目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用中, 基于GA-KPCA特征選擇能在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)PCA在處理非線性問(wèn)題的不足, 從而提高水下目標(biāo)識(shí)別的正確率。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中利用核技巧將原始特征空間數(shù)據(jù)映射至高維特征空間, 在高維特征空間進(jìn)行PCA特征選擇, 并采用遺傳算法對(duì)核參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 實(shí)現(xiàn)了原始空間的非線性耦合數(shù)據(jù)在高維特征空間的線性可分, 在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)PCA在處理非線性問(wèn)題的不足。文中闡述了GA-KPCA算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程, 分析了核參數(shù)值的進(jìn)化過(guò)程, 比較了GA-KPCA與PCA主元方差貢獻(xiàn)率以及二者特征矩陣分類識(shí)別效果。綜合看來(lái), 與傳統(tǒng)線性PCA特征選擇對(duì)比, 基于GA-KPCA特征選擇方法在水下目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用中能得到更好的效果。

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Application of Feature Selection Based on GA-KPCA in Underwater Target Recognition

YAN Liang-tao1, XIANG Xiao-li2

(1. 91388thUnit, the People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China; 2. Gci Science & Technology Co. Ltd. Guangzhou510220, China)

The complexity of underwater radiated acoustic field and underwater acoustic channel results in intercoupling of the noise signals

by sonar, modulation distortion, and strong nonlinearity. In this paper, the kernel function is used to map the nonlinear data of the original feature space to the high-dimensional feature space; the principal components analysis(PCA) method is used to extract the features from the high-dimensional feature space, and the genetic algorithm(GA) is used to optimize the kernel parameters, thus an underwater target feature selection method based on GA-kernel principal components analysis(KPCA) is established. Actual sample data validation shows that, to a certain extent, this method compensates the insufficiency of the traditional linear PCA method in dealing with nonlinear data, and it has higher recognition accuracy.

underwater target recognition; genetic algorithm(GA); kernel principal component analysis(KPCA); kernel function

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TJ630.34; TB56

A

2096-3920(2020)01-0113-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.016

嚴(yán)良濤, 項(xiàng)曉麗. 基于GA-KPCA的特征選擇在水下目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(1): 113-117.

2019-03-13;

2019-06-05.

嚴(yán)良濤(1989-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗履繕?biāo)識(shí)別技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)