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https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/846116
Título: | Localização de fontes submarinas por processamento de campo casado, focalização e aprendizagem de máquina |
Autor(es): | Diniz, Pedro Mendes |
Orientador(es): | Rogério de Moraes Calazan |
Palavras-chave: | problema inverso localização de fontes processamento de campo casado aprendizagem de máquina acústica submarina |
Áreas de conhecimento da DGPM: | Acústica submarina |
Data do documento: | 2023 |
Editor: | Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira (IEAPM) |
Descrição: | A localização de fontes é um clássico problema inverso de grande interesse para a acústica submarina. O processamento de campo casado (MFP) combina o pro- cessamento de um sinal recebido com réplicas do campo acústico calculadas por um modelo de propagação para inverter a distância e a profundidade da fonte, explo- rando a complexidade do campo acústico completo em um guia de ondas. Embora uma técnica versátil com diversas aplicações na inversão acústica, o MFP é limitado pelo modelo ambiental usado para descrever o guia de ondas. Se o modelo não é uma representação precisa, ocorre um problema denominado desajuste de modelo que possui implicações quanto à robustez da técnica. Esta dissertação explora o uso de dois métodos desenvolvidos como alternativas mais robustas ao MFP clássico. O primeiro, focalização, é uma extensão adaptativa do MFP que trata a inversão como um problema de otimização global ao incluir outros parâmetros do modelo no espaço de busca. Uma heurística de busca, neste trabalho baseada em algoritmos genéticos, é usada para encontrar o máximo global de uma função objetivo. A heu- rística é usada para localizar em profundidade e distância a fonte de um conjunto de dados experimentais em um ambiente incerto com baixo conhecimento a priori de seus parâmetros. Os resultados apresentam significativa melhora quando compa- rados ao MFP clássico, levando a taxa de acerto de 31% a 73%. Outra abordagem é desenvolvida à luz da aprendizagem de máquina, mantendo um enfoque no uso de campos modelados para o treinamento de redes neurais. É demonstrado que uma rede neural é capaz de aproximar o processador usado no MFP e que, quando as incertezas do ambiente são consideradas no treinamento da rede neural, ela se torna mais robusta e produz resultados mais consistentes que o MFP na estimação da distância da fonte, obtendo erro de somente 2,69% para o conjunto de dados usado. |
Abstract: | Source localization is a classic inverse problem of great interest in underwater acoustics. Matched field processing (MFP) combines the processing of a received signal with replicas of the acoustic field calculated by a propagation model to invert for source range and depth, thereby exploiting the complexity of the full acoustic field in a waveguide. Although a versatile technique with multiple applications in acoustic inversion, MFP is limited by the environmental model used to describe the waveguide. If the model is not an accurate depiction of the waveguide, a problem called model mismatch arises, with implications to the technique’s robustness. This dissertation explores the use of two methods developed as more robust alternatives to classic MFP. The first one, focalization, is an adaptive extension of MFP that treats inversion as a global optimization problem by including other model parameters in the search space. A search heuristic, in this work based on genetic algorithms, is used to find the global maximum of an objective function. The heuristic is used to locate in depth and range the source of an experimental dataset in an uncertain environment with low a priori knowledge of its parameters. Results show significant improvement over classic MFP, taking the accuracy from 31% to 73%. Another approach is developed based on machine learning with a focus on the use of modeled fields for neural network training. It is demonstrated that a neural network is capable of approximating the processor used in MFP and that, when environment uncertainty is considered in the training of the neural network, it becomes more robust and produces more consistent source range estimations than MFP, obtaining only 2.96% error for the dataset used. |
Tipo de Acesso: | Acesso aberto |
URI: | https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/846116 |
Tipo: | Dissertação |
Aparece nas coleções: | Ciência, Tecnologia e Inovação: Coleção de Dissertações |
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