《核爆地震模式識(shí)別》共分9章。第1章是緒論,主要對(duì)核爆地震監(jiān)測(cè)與識(shí)別,重點(diǎn)是核爆地震監(jiān)測(cè)的研究歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述,介紹了核爆地震波區(qū)域特征及傳播、源特征研究和核爆地震識(shí)別技術(shù)。并且為了照顧非地震專業(yè)和非信號(hào)與信息處理專業(yè)的讀者(事實(shí)上,在核爆地震模式識(shí)別領(lǐng)域這兩方面的科技工作者都有)。
1996年9月聯(lián)合國通過《全面禁止核試驗(yàn)條約》以后,核爆炸的監(jiān)測(cè)和識(shí)別就成為國際核查與反核查的主要內(nèi)容之一!度娼购嗽囼(yàn)條約》規(guī)定的核查方法有四種:地震、次聲、放射性核素和水聲測(cè)量。核查要解決的首要問題是確定震源的性質(zhì),即對(duì)核爆炸(地下、水下和空中)和非核爆炸事件(天然地震、化學(xué)爆炸等)進(jìn)行識(shí)別。解決地下核爆炸識(shí)別問題的關(guān)鍵技術(shù)有兩類:一是設(shè)置盡可能合理的檢測(cè)臺(tái)陣;二是利用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理。然而,要解決偵測(cè)工程中的一系列目標(biāo)識(shí)別問題,關(guān)鍵是模式識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用。因此,核爆地震模式識(shí)別的方法理論不僅有著廣泛的應(yīng)用前景,而且可以為其他偵察目標(biāo)識(shí)別提供思路與相應(yīng)的方法技術(shù)。
以往的核爆地震模式識(shí)別主要采用兩類方法:一類是地球物理學(xué)的方法,即用震源深度、面波震級(jí)比等地球物理特征參數(shù)來進(jìn)行判別;另一類是用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法對(duì)地震波進(jìn)行自動(dòng)解釋,即用復(fù)倒譜、頻率三次矩、譜比值等數(shù)學(xué)特征通過各種分類器來進(jìn)行識(shí)別。但是,識(shí)別結(jié)果尚不理想,以至地震學(xué)家得出這樣的結(jié)論:對(duì)于天然地震和地下核爆炸,看來并不存在一個(gè)理想的鑒別判據(jù)。
我們從1989年開始,采用地球物理與信號(hào)處理及模式識(shí)別相結(jié)合的方法,即采用“灰箱”的方法對(duì)核爆炸模式識(shí)別中的關(guān)鍵問題展開了深入研究,具體表現(xiàn)在所提取的特征不完全是純數(shù)值特征,而是有一定的地球物理意義,或可以與地震學(xué)特征相類比。此外,與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法不同的地方是,我們?cè)谔卣魈崛∨c選擇,分類器設(shè)計(jì)、訓(xùn)練與識(shí)別等環(huán)節(jié)中,引入了分形、混沌等非線性時(shí)間序列分析方法和模糊綜合評(píng)判、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同學(xué)等智能信號(hào)處理理論,以及小波分析、時(shí)頻分析、隨機(jī)過程等非平穩(wěn)信號(hào)處理方法。
第1章 緒論
1.1 核爆地震監(jiān)測(cè)
1.2 棱爆地震監(jiān)測(cè)歷史、現(xiàn)狀與趨勢(shì)
1.2.1 核爆地震波區(qū)域特征及傳播
1.2.2 源特征研究
1.2.3 核爆地震識(shí)別技術(shù)
1.2.4 核爆地震監(jiān)測(cè)的未來發(fā)展
1.3 核爆地震識(shí)別的傳統(tǒng)方法
1.4 地震波基礎(chǔ)知識(shí)
14.1 地震波
1.4.2 爆炸激發(fā)地震波
1.4.3 地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征
14.4 地震波的動(dòng)力學(xué)特征
1.4.5 地震波探測(cè)方法與技術(shù)
1.5 核爆地震數(shù)據(jù)集
參考文獻(xiàn)
第2章 模式識(shí)別的基本理論
2.1 基本概念和方法
2.1.1 統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別
2.1.2 句法模式識(shí)別
21.3 智能模式識(shí)別
2.2 特征提取與選擇
2.2.1 特征提取
2.2 2特征選擇
2.3 分類器設(shè)計(jì)
2.3.1 線性判別函數(shù)
2.3.2 非線性判別函數(shù)
23.3 其他分類判決
參考文獻(xiàn)
第3章 核爆地震信號(hào)分析與預(yù)處理
3.1 核爆地震信號(hào)的常規(guī)處理
3.2 核爆地震信號(hào)的分形與混沌分析
3.2.1 核爆地震信號(hào)的分形分析
3.2.2 基于重采樣的混沌序列相空間重構(gòu)算法
3.2.3 基于相空間相關(guān)性與PCA的嵌入維和時(shí)間延遲選擇算法
3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理
3.3.1 事件的檢測(cè)
3.3.2 初至點(diǎn)檢測(cè)
參考文獻(xiàn)
第4章 核爆地震信號(hào)的特征提取與選擇
4.1 常用的特征提取與選擇方法
4.1.1 時(shí)域特征
4.1.2 頻域特征
4.1.3 時(shí)頻域特征
4.1.4 特征選擇方法
4.2 基于PCA和KPCA的特征提取
4.3 基于最佳分類主分量分析的特征提取算法
4.4 多分辨率能量分形特征提取算法
4.5 基于核非負(fù)矩陣分解的特征提取算法
4.5.1 非負(fù)矩陣分解的基本理論
4.5.2 基于NMF的核爆地震特征提取
4.5 3核非負(fù)矩陣分解(KNMF)算法
4.5.4 基于KNMF的核爆地震特征提取
4.6 基于時(shí)頻分析的特征提取算法
4.6.1 時(shí)頻平面上的譜比值特征和矩特征
4.6.2 時(shí)頻平面上的時(shí)頻面積特征
4.6.3 時(shí)頻表示的奇異值特征
4.7 基于序優(yōu)化的核爆地震特征選擇
4.7.1 序優(yōu)化概述
4.7.2 基于序優(yōu)化的核爆地震特征選擇
4.8 基于Gamma Test的特征選擇
4.8.1 Gamma Test理論概述
4.8.2 基于Gamma Test的核爆地震特征選擇
4.9 基于序優(yōu)化和Gamma Test的核爆地震特征選擇
參考文獻(xiàn)
第5章 核爆地震信號(hào)的傳統(tǒng)判別分析
5.1 一維特征空間中的二分法
5.2 基于近鄰規(guī)則的核爆地震模式識(shí)別
5.2.1 基于最近鄰方法的分類器設(shè)計(jì)
5.2.2 基于K近鄰方法的分類器設(shè)計(jì)
5.2.3 基于模糊變權(quán)x近鄰方法的分類器設(shè)計(jì)
5.3 基于最小均方誤差準(zhǔn)則的分類器設(shè)計(jì)
5.4 基于Fisher-和KFisher判別的核爆地震模式識(shí)別
5.5 基于x相關(guān)的核爆地震模式識(shí)別
5.5.1 K相關(guān)分類原理
5.5.2 核爆地震分類實(shí)驗(yàn)
參考文獻(xiàn)
第6章 核爆地震信號(hào)的非線性判別分析
6.1 基于支持向量機(jī)的核爆地震模式識(shí)別
6.1.1 基于支持向量機(jī)的核爆地震自動(dòng)識(shí)別
6.1.2 基于先驗(yàn)知識(shí)的核函數(shù)構(gòu)造
6.1.3 信息幾何在支持向量機(jī)中的應(yīng)用
6.2 基于隱馬爾可夫模型的核爆地震模武識(shí)別
6.2.1 隱馬爾可夫模型
6.2.2 HMM基本算法
6.2.3 HMM的類型
6.2.4 矢量量化編碼
62.5 HMM在核爆地震模式識(shí)別中的應(yīng)用
6.3 基于最近鄰支持向量特征線融合的核爆地震模式識(shí)別
6.3.1 最近鄰特征線分類算法及分析
6.3.2 最近鄰支持向量特征線分類算法及應(yīng)用
6.3.3 基于最近鄰支持向量特征線融合的分類器設(shè)計(jì)及應(yīng)用
6.4 基于核K相關(guān)的核爆地震模式識(shí)別
64.1 算法闡述
6.4.2 分類實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
6.5 基于分類器集成的核爆地震模式識(shí)別
6.5.1 分類器組合方法的優(yōu)點(diǎn)
6.5.2 分類器輸出結(jié)果融合規(guī)則
6.5.3 基于樣本重采樣的分類器組合
6.5.4 基于模糊積分的分類器組合
6.6 核爆地震識(shí)別中的特征相空間研究
6.6.1 基本思路與方法原理
6.6.2 吸引子維數(shù)計(jì)算與結(jié)果分析
6.6.3 特征相空間等價(jià)性的數(shù)值實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
6.6.4 討論與應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
第7章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在核爆地震模式識(shí)別中的應(yīng)用
7.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理
7.1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本概念
7.1.2 BP網(wǎng)絡(luò)模型與BP算法
7.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在核爆地震模式識(shí)別中的應(yīng)用
7.2.1 標(biāo)準(zhǔn)BP算法的識(shí)別結(jié)果
7.2.2 BP網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)學(xué)習(xí)算法
7.2.3 改進(jìn)算法的選擇及其識(shí)別結(jié)果
7.3 遺傳算法在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別中的應(yīng)用
7.3.1 遺傳算法的基本原理
7.3.2 基于GA的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法
7.3.3 MFANN的泛化學(xué)習(xí)GA算法
7.3.4 泛化學(xué)習(xí)GA算法在核爆地震模式識(shí)別中的應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
第8章 協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與核爆地震模式識(shí)別
8.1 協(xié)同模式識(shí)別方法簡述
8.1.1 常用的協(xié)同模式識(shí)別算法
8.1.2 協(xié)同模式識(shí)別算法中的關(guān)鍵技術(shù)
8.2 基于支持向量樣本加權(quán)平均的原型模式選擇算法
8.2.1 算法闡述
8.2.2 對(duì)算法的進(jìn)一步改進(jìn)
8.2.3 分類實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
8.3 基于模糊c-均值的原型模式選擇算法
8.3.1 算法闡述
83.2 分類實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
8.4 變步長的基于獎(jiǎng)懲學(xué)習(xí)機(jī)制的注意參數(shù)訓(xùn)練算法
8.4.1 算法闡述
8.4.2 分類實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
8.5 基于核函數(shù)的協(xié)同模式識(shí)別
8.5.1 基于核函數(shù)的協(xié)同模式識(shí)別算法
8.5.2 分類實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
參考文獻(xiàn)
第9章 核爆地震模式識(shí)別的模糊綜合評(píng)判
9.1 模糊集的基本知識(shí)
9.1.1 模糊特征和模糊分類
9.1.2 模糊關(guān)系與模糊變換
9.2 模糊綜合評(píng)判模型
9.2.1 模糊綜合評(píng)判的初始模型
9.2.2 多層次模糊綜合評(píng)判
9.2.3 廣義運(yùn)算子模糊綜合評(píng)判
9.3 核爆地震模式識(shí)別的模糊綜合評(píng)判
9.3.1 方法思路
9.3.2 權(quán)向量構(gòu)造
9.3.3 單因素評(píng)判矩陣
9.3.4 多層次模糊綜合評(píng)判
9.3.5 模糊綜合評(píng)判識(shí)別結(jié)果及分析
9.4 核爆地震模式識(shí)別系統(tǒng)框架:挑戰(zhàn)與展望
9.4.1 核爆地震模式識(shí)別系統(tǒng)框架
9.4.2 挑戰(zhàn)與展望
參考文獻(xiàn)
附錄名詞術(shù)語中英文對(duì)照
后記
在核爆地震的自動(dòng)識(shí)別中,對(duì)地震信號(hào)初至點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)是核爆探測(cè)系統(tǒng)涉及的一個(gè)重要問題。核爆探測(cè)系統(tǒng)中的各類信號(hào)采集裝置在大部分時(shí)間里接收和采集的只是一些隨機(jī)噪聲信號(hào)。對(duì)于識(shí)別系統(tǒng)而言,地震記錄中的噪聲信號(hào)并沒有任何實(shí)際意義,核爆地震模式識(shí)別系統(tǒng)真正關(guān)心的是由各種事件(核爆或其他自然現(xiàn)象)產(chǎn)生出來的地震信號(hào)。如果不進(jìn)行初至點(diǎn)檢測(cè),直接將地震信號(hào)送入后續(xù)模式識(shí)別系統(tǒng),將給后續(xù)系統(tǒng)帶來很大負(fù)擔(dān);同時(shí),由于信號(hào)的特征提取過程對(duì)于信號(hào)的起始點(diǎn)位置比較敏感,為了保證特征提取的準(zhǔn)確一致性,信號(hào)的初至點(diǎn)檢測(cè)必須做到盡可能準(zhǔn)確。因此,在完成事件檢測(cè)之后,還要對(duì)初至點(diǎn)位置進(jìn)行檢測(cè)。
1.常用的初至點(diǎn)檢測(cè)方法
目前,對(duì)地震波初至點(diǎn)的分析主要有兩類方法:一類是人工判讀法,即由人從地震相圖上依靠經(jīng)驗(yàn)直接判讀;另一類是計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀法。
人工判讀初至點(diǎn)有其固有的缺陷:一是判讀精度不高,不同的人判讀的初至點(diǎn)位置很可能不一樣,這對(duì)整個(gè)波群作波形分析和特征提取是有影響的;二是需要有豐富的判讀經(jīng)驗(yàn),因而它限制了對(duì)地震事件和核爆炸事件的進(jìn)一步研究。
在計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀法中,又可分為兩類。