本發(fā)明涉及海洋聲學(xué)，尤其涉及一種基于物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海底底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、海底底質(zhì)是海洋聲傳播的下界面，底質(zhì)聲學(xué)特性是海洋聲場(chǎng)，聲吶探測(cè)效能評(píng)估所必不可少的輸入?yún)?shù)，如何準(zhǔn)確獲取，預(yù)測(cè)海底底質(zhì)的聲學(xué)特性是目前研究的重難點(diǎn)。傳統(tǒng)的底質(zhì)預(yù)測(cè)方法包括經(jīng)驗(yàn)方程和理論模型，經(jīng)驗(yàn)方程是基于單個(gè)或兩個(gè)物理參數(shù)構(gòu)建的，其輸入?yún)?shù)獲取較難，且單個(gè)或兩個(gè)參數(shù)無(wú)法完全代表底質(zhì)聲學(xué)特性性質(zhì)，因此預(yù)測(cè)精度有限；理論模型的輸入?yún)?shù)有13個(gè)，且有部分參數(shù)，如彎曲度，孔隙大小等，均難以測(cè)量獲取，使得理論模型應(yīng)用難度大，無(wú)法滿足應(yīng)用需求。而機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型，如隨機(jī)森林，支持向量機(jī)等，是輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)，然后直接利用算法訓(xùn)練，輸出的是單個(gè)頻率的聲學(xué)特性參數(shù)預(yù)測(cè)值，如聲速，聲衰減，這里的聲學(xué)特性參數(shù)僅僅是單個(gè)頻率的預(yù)測(cè)值，無(wú)法同時(shí)給出不同頻率下的聲學(xué)特性參數(shù)，這是因?yàn)橛?xùn)練數(shù)據(jù)無(wú)法同步輸入多個(gè)頻率的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因此如何解決多頻率的聲學(xué)特性預(yù)測(cè)是目前研究的難點(diǎn)。進(jìn)一步，傳統(tǒng)方法和普通的機(jī)器學(xué)習(xí)算法容易導(dǎo)致過(guò)擬合或誤差較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)局限性問(wèn)題。為此，本發(fā)明提出一種基于物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海底底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行海底底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)。

2、一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海底底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

3、獲取目標(biāo)海域的海底樣本；

4、根據(jù)海底樣本測(cè)量得到海底樣本數(shù)據(jù)集；海底樣本數(shù)據(jù)集包括每個(gè)海底樣本對(duì)應(yīng)的聲學(xué)特性參數(shù)、物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)；

5、基于海底樣本數(shù)據(jù)集對(duì)預(yù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而利用損失函數(shù)優(yōu)化構(gòu)建得到物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；其中，損失函數(shù)的約束包括波動(dòng)方程的信息；

6、基于待預(yù)測(cè)海底底質(zhì)的物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，利用物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)得到待預(yù)測(cè)海底底質(zhì)的聲學(xué)特性參數(shù)。

7、可選地，獲取目標(biāo)海域的海底樣本，包括以下步驟：

8、利用海底采樣設(shè)備從目標(biāo)海域采集多份海底底質(zhì)沉積物柱狀樣本作為海底樣本。

9、可選地，海底樣本數(shù)據(jù)集包括訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集；根據(jù)海底樣本測(cè)量得到海底樣本數(shù)據(jù)集，包括以下步驟：

10、基于預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)所有海底樣本進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)和物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)；

11、基于聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)獲得每個(gè)海底樣本在不同頻率下的聲學(xué)特性參數(shù)；

12、基于物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)獲得每個(gè)海底樣本對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)及環(huán)境參數(shù)；

13、對(duì)所有海底樣本對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而基于預(yù)設(shè)比例劃分得到訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集；

14、其中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括聲學(xué)特性參數(shù)、物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。

15、可選地，海底樣本數(shù)據(jù)集包括訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集；基于海底樣本數(shù)據(jù)集對(duì)預(yù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而利用損失函數(shù)優(yōu)化構(gòu)建得到物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括以下步驟：

16、將訓(xùn)練集中每個(gè)海底樣本對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)處理得到聲學(xué)特性預(yù)測(cè)值；

17、其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于多層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)構(gòu)建得到，多層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括依次連接的輸入層、多層隱藏層和輸出層；輸入層的神經(jīng)元數(shù)量基于物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)維度確定，多層隱藏層中每層隱藏層的神經(jīng)元數(shù)量按照預(yù)設(shè)比例逐步遞減，多層隱藏層還設(shè)置有激活函數(shù)；

18、基于聲學(xué)特性預(yù)測(cè)值，通過(guò)波動(dòng)方程求解得到波動(dòng)方程解聲學(xué)特性值；

19、根據(jù)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)值與其對(duì)應(yīng)的波動(dòng)方程解聲學(xué)特性值構(gòu)建物理?yè)p失；根據(jù)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)值與其對(duì)應(yīng)的聲學(xué)特性值構(gòu)建數(shù)據(jù)損失；

20、對(duì)數(shù)據(jù)損失和物理?yè)p失進(jìn)行加權(quán)求和構(gòu)建得到損失函數(shù)；

21、根據(jù)損失函數(shù)，通過(guò)反向傳播算法和預(yù)設(shè)的優(yōu)化器對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；

22、基于優(yōu)化調(diào)整后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)驗(yàn)證集得到驗(yàn)證集損失；

23、將迭代次數(shù)加1，返回執(zhí)行將訓(xùn)練集中每個(gè)海底樣本對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)處理得到聲學(xué)特性預(yù)測(cè)值的步驟，直至連續(xù)預(yù)設(shè)輪次的驗(yàn)證集損失符合預(yù)設(shè)條件，或者，迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)最大訓(xùn)練輪次，將最后一次優(yōu)化調(diào)整后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

24、可選地，方法包括以下步驟：

25、根據(jù)物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的預(yù)設(shè)統(tǒng)計(jì)范圍值確定約束邊界條件；

26、基于約束邊界條件對(duì)海底樣本數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理。

27、可選地，方法還包括以下步驟：

28、基于海底底質(zhì)的本構(gòu)方程確定本構(gòu)關(guān)系涉及的孔隙流體壓力；

29、基于孔隙流體壓力，通過(guò)固體波動(dòng)方程和流體波動(dòng)方程互相耦合得到波動(dòng)方程。

30、可選地，方法還包括以下步驟：

31、利用測(cè)試集對(duì)物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型評(píng)估操作，得到模型評(píng)估結(jié)果。

32、另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海底底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)系統(tǒng)，包括：

33、第一模塊，用于獲取目標(biāo)海域的海底樣本；

34、第二模塊，用于根據(jù)海底樣本測(cè)量得到海底樣本數(shù)據(jù)集；海底樣本數(shù)據(jù)集包括每個(gè)海底樣本對(duì)應(yīng)的聲學(xué)特性參數(shù)、物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)；

35、第三模塊，用于基于海底樣本數(shù)據(jù)集對(duì)預(yù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而利用損失函數(shù)優(yōu)化構(gòu)建得到物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；其中，損失函數(shù)的約束包括波動(dòng)方程的信息；

36、第四模塊，用于基于待預(yù)測(cè)海底底質(zhì)的物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，利用物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)得到待預(yù)測(cè)海底底質(zhì)的聲學(xué)特性參數(shù)。

37、可選地，系統(tǒng)還包括：

38、第五模塊，用于根據(jù)物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的預(yù)設(shè)統(tǒng)計(jì)范圍值確定約束邊界條件；

39、第六模塊，用于基于約束邊界條件對(duì)海底樣本數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理。

40、可選地，系統(tǒng)還包括：

41、第七模塊，用于基于海底底質(zhì)的本構(gòu)方程確定本構(gòu)關(guān)系涉及的孔隙流體壓力；

42、第八模塊，用于基于孔隙流體壓力，通過(guò)固體波動(dòng)方程和流體波動(dòng)方程互相耦合得到波動(dòng)方程。

43、可選地，系統(tǒng)還包括：

44、第九模塊，用于利用測(cè)試集對(duì)物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型評(píng)估操作，得到模型評(píng)估結(jié)果。

45、另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種電子設(shè)備，包括：處理器以及存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序；處理器執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)上述基于物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海底底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)方法。

46、另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，其中存儲(chǔ)有處理器可執(zhí)行的程序，處理器可執(zhí)行的程序在由處理器執(zhí)行時(shí)用于實(shí)現(xiàn)上述基于物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海底底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)方法。

47、本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)獲取目標(biāo)海域的海底樣本；根據(jù)海底樣本測(cè)量得到海底樣本數(shù)據(jù)集；海底樣本數(shù)據(jù)集包括每個(gè)海底樣本對(duì)應(yīng)的聲學(xué)特性參數(shù)、物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)；基于海底樣本數(shù)據(jù)集對(duì)預(yù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而利用損失函數(shù)優(yōu)化構(gòu)建得到物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；其中，損失函數(shù)的約束包括波動(dòng)方程的信息；基于待預(yù)測(cè)海底底質(zhì)的物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，利用物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)得到待預(yù)測(cè)海底底質(zhì)的聲學(xué)特性參數(shù)。本發(fā)明包括有益效果：本發(fā)明通過(guò)將底質(zhì)聲學(xué)特性的波動(dòng)方程代入到物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)合海底底質(zhì)的約束條件，構(gòu)建一種基于物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海底底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)方法，從而能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)底質(zhì)聲學(xué)特性預(yù)測(cè)。