《核爆地震模式識別》共分9章。第1章是緒論,主要對核爆地震監(jiān)測與識別,重點是核爆地震監(jiān)測的研究歷史和現(xiàn)狀進行評述,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別技術。并且為了照顧非地震專業(yè)和非信號與信息處理專業(yè)的讀者(事實上,在核爆地震模式識別領域這兩方面的科技工作者都有)。
1996年9月聯(lián)合國通過《全面禁止核試驗條約》以后,核爆炸的監(jiān)測和識別就成為國際核查與反核查的主要內容之一!度娼购嗽囼灄l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量。核查要解決的首要問題是確定震源的性質,即對核爆炸(地下、水下和空中)和非核爆炸事件(天然地震、化學爆炸等)進行識別。解決地下核爆炸識別問題的關鍵技術有兩類:一是設置盡可能合理的檢測臺陣;二是利用模式識別技術對測量信號進行識別處理。然而,要解決偵測工程中的一系列目標識別問題,關鍵是模式識別技術的應用。因此,核爆地震模式識別的方法理論不僅有著廣泛的應用前景,而且可以為其他偵察目標識別提供思路與相應的方法技術。
以往的核爆地震模式識別主要采用兩類方法:一類是地球物理學的方法,即用震源深度、面波震級比等地球物理特征參數(shù)來進行判別;另一類是用統(tǒng)計模式識別方法對地震波進行自動解釋,即用復倒譜、頻率三次矩、譜比值等數(shù)學特征通過各種分類器來進行識別。但是,識別結果尚不理想,以至地震學家得出這樣的結論:對于天然地震和地下核爆炸,看來并不存在一個理想的鑒別判據(jù)。
我們從1989年開始,采用地球物理與信號處理及模式識別相結合的方法,即采用“灰箱”的方法對核爆炸模式識別中的關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,或可以與地震學特征相類比。此外,與傳統(tǒng)的統(tǒng)計模式識別方法不同的地方是,我們在特征提取與選擇,分類器設計、訓練與識別等環(huán)節(jié)中,引入了分形、混沌等非線性時間序列分析方法和模糊綜合評判、人工神經網絡、協(xié)同學等智能信號處理理論,以及小波分析、時頻分析、隨機過程等非平穩(wěn)信號處理方法。
第1章 緒論
1.1 核爆地震監(jiān)測
1.2 棱爆地震監(jiān)測歷史、現(xiàn)狀與趨勢
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 核爆地震識別技術
1.2.4 核爆地震監(jiān)測的未來發(fā)展
1.3 核爆地震識別的傳統(tǒng)方法
1.4 地震波基礎知識
14.1 地震波
1.4.2 爆炸激發(fā)地震波
1.4.3 地震波的運動學特征
14.4 地震波的動力學特征
1.4.5 地震波探測方法與技術
1.5 核爆地震數(shù)據(jù)集
參考文獻
第2章 模式識別的基本理論
2.1 基本概念和方法
2.1.1 統(tǒng)計模式識別
2.1.2 句法模式識別
21.3 智能模式識別
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 分類器設計
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
第3章 核爆地震信號分析與預處理
3.1 核爆地震信號的常規(guī)處理
3.2 核爆地震信號的分形與混沌分析
3.2.1 核爆地震信號的分形分析
3.2.2 基于重采樣的混沌序列相空間重構算法
3.2.3 基于相空間相關性與PCA的嵌入維和時間延遲選擇算法
3.3 數(shù)據(jù)預處理
3.3.1 事件的檢測
3.3.2 初至點檢測
參考文獻
第4章 核爆地震信號的特征提取與選擇
4.1 常用的特征提取與選擇方法
4.1.1 時域特征
4.1.2 頻域特征
4.1.3 時頻域特征
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 基于核非負矩陣分解的特征提取算法
4.5.1 非負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 基于時頻分析的特征提取算法
4.6.1 時頻平面上的譜比值特征和矩特征
4.6.2 時頻平面上的時頻面積特征
4.6.3 時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
第5章 核爆地震信號的傳統(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別
5.2.1 基于最近鄰方法的分類器設計
5.2.2 基于K近鄰方法的分類器設計
5.2.3 基于模糊變權x近鄰方法的分類器設計
5.3 基于最小均方誤差準則的分類器設計
5.4 基于Fisher-和KFisher判別的核爆地震模式識別
5.5 基于x相關的核爆地震模式識別
5.5.1 K相關分類原理
5.5.2 核爆地震分類實驗
參考文獻
第6章 核爆地震信號的非線性判別分析
6.1 基于支持向量機的核爆地震模式識別
6.1.1 基于支持向量機的核爆地震自動識別
6.1.2 基于先驗知識的核函數(shù)構造
6.1.3 信息幾何在支持向量機中的應用
6.2 基于隱馬爾可夫模型的核爆地震模武識別
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在核爆地震模式識別中的應用
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用
6.3.3 基于最近鄰支持向量特征線融合的分類器設計及應用
6.4 基于核K相關的核爆地震模式識別
64.1 算法闡述
6.4.2 分類實驗及結果分析
6.5 基于分類器集成的核爆地震模式識別
6.5.1 分類器組合方法的優(yōu)點
6.5.2 分類器輸出結果融合規(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)計算與結果分析
6.6.3 特征相空間等價性的數(shù)值實驗及結果分析
6.6.4 討論與應用
參考文獻
第7章 神經網絡在核爆地震模式識別中的應用
7.1 神經網絡基本原理
7.1.1 神經網絡基本概念
7.1.2 BP網絡模型與BP算法
7.2 神經網絡在核爆地震模式識別中的應用
7.2.1 標準BP算法的識別結果
7.2.2 BP網絡的改進學習算法
7.2.3 改進算法的選擇及其識別結果
7.3 遺傳算法在神經網絡模式識別中的應用
7.3.1 遺傳算法的基本原理
7.3.2 基于GA的多層前饋神經網絡學習算法
7.3.3 MFANN的泛化學習GA算法
7.3.4 泛化學習GA算法在核爆地震模式識別中的應用
參考文獻
第8章 協(xié)同神經網絡與核爆地震模式識別
8.1 協(xié)同模式識別方法簡述
8.1.1 常用的協(xié)同模式識別算法
8.1.2 協(xié)同模式識別算法中的關鍵技術
8.2 基于支持向量樣本加權平均的原型模式選擇算法
8.2.1 算法闡述
8.2.2 對算法的進一步改進
8.2.3 分類實驗與結果分析
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 分類實驗與結果分析
8.4 變步長的基于獎懲學習機制的注意參數(shù)訓練算法
8.4.1 算法闡述
8.4.2 分類實驗與結果分析
8.5 基于核函數(shù)的協(xié)同模式識別
8.5.1 基于核函數(shù)的協(xié)同模式識別算法
8.5.2 分類實驗與結果分析
參考文獻
第9章 核爆地震模式識別的模糊綜合評判
9.1 模糊集的基本知識
9.1.1 模糊特征和模糊分類
9.1.2 模糊關系與模糊變換
9.2 模糊綜合評判模型
9.2.1 模糊綜合評判的初始模型
9.2.2 多層次模糊綜合評判
9.2.3 廣義運算子模糊綜合評判
9.3 核爆地震模式識別的模糊綜合評判
9.3.1 方法思路
9.3.2 權向量構造
9.3.3 單因素評判矩陣
9.3.4 多層次模糊綜合評判
9.3.5 模糊綜合評判識別結果及分析
9.4 核爆地震模式識別系統(tǒng)框架:挑戰(zhàn)與展望
9.4.1 核爆地震模式識別系統(tǒng)框架
9.4.2 挑戰(zhàn)與展望
參考文獻
附錄名詞術語中英文對照
后記
在核爆地震的自動識別中,對地震信號初至點的自動檢測是核爆探測系統(tǒng)涉及的一個重要問題。核爆探測系統(tǒng)中的各類信號采集裝置在大部分時間里接收和采集的只是一些隨機噪聲信號。對于識別系統(tǒng)而言,地震記錄中的噪聲信號并沒有任何實際意義,核爆地震模式識別系統(tǒng)真正關心的是由各種事件(核爆或其他自然現(xiàn)象)產生出來的地震信號。如果不進行初至點檢測,直接將地震信號送入后續(xù)模式識別系統(tǒng),將給后續(xù)系統(tǒng)帶來很大負擔;同時,由于信號的特征提取過程對于信號的起始點位置比較敏感,為了保證特征提取的準確一致性,信號的初至點檢測必須做到盡可能準確。因此,在完成事件檢測之后,還要對初至點位置進行檢測。
1.常用的初至點檢測方法
目前,對地震波初至點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驗直接判讀;另一類是計算機自動判讀法。
人工判讀初至點有其固有的缺陷:一是判讀精度不高,不同的人判讀的初至點位置很可能不一樣,這對整個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驗,因而它限制了對地震事件和核爆炸事件的進一步研究。
在計算機自動判讀法中,又可分為兩類。