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Stokes参数结合多任务注意力U-Net的浅海地声参数反演方法

黄千卓 李晓曼 毕雪洁 张子时 童晗 李菲

黄千卓, 李晓曼, 毕雪洁, 张子时, 童晗, 李菲. Stokes参数结合多任务注意力U-Net的浅海地声参数反演方法[J]. 电子与信息学报, 2026, 48(6): 2493-2503. doi: 10.11999/JEIT251085
引用本文: 黄千卓, 李晓曼, 毕雪洁, 张子时, 童晗, 李菲. Stokes参数结合多任务注意力U-Net的浅海地声参数反演方法[J]. 电子与信息学报, 2026, 48(6): 2493-2503. doi: 10.11999/JEIT251085
HUANG Qianzhuo, LI Xiaoman, BI Xuejie, ZHANG Zishi, TONG Han, LI Fei. Shallow-Water Geoacoustic Parameter Inversion Using Stokes Parameters and an Attention-Enhanced Multi-Task U-Net[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2026, 48(6): 2493-2503. doi: 10.11999/JEIT251085
Citation: HUANG Qianzhuo, LI Xiaoman, BI Xuejie, ZHANG Zishi, TONG Han, LI Fei. Shallow-Water Geoacoustic Parameter Inversion Using Stokes Parameters and an Attention-Enhanced Multi-Task U-Net[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2026, 48(6): 2493-2503. doi: 10.11999/JEIT251085

Stokes参数结合多任务注意力U-Net的浅海地声参数反演方法

doi: 10.11999/JEIT251085 cstr: 32379.14.JEIT251085
基金项目: 国家自然科学基金(12204199, 12204200)
详细信息
    作者简介:

    黄千卓:男,硕士生,研究方向为水声信号处理

    李晓曼:女,博士,副教授,研究方向为水声信号处理

    毕雪洁:女,博士,讲师,研究方向为水下目标探测

    张子时:男,硕士生,研究方向为水声信号处理

    童晗:男,硕士生,研究方向为水声信号处理

    李菲:女,硕士生,研究方向为水声信号处理

    通讯作者:

    李晓曼 lixiaoman@just.edu.cn

  • 中图分类号: TN929.3

Shallow-Water Geoacoustic Parameter Inversion Using Stokes Parameters and an Attention-Enhanced Multi-Task U-Net

Funds: The National Natural Science Foundation of China (12204199, 12204200)
  • 摘要: 浅海地声参数对水声传播特性的分析具有重要作用,然而,传统的反演方法在实际应用中面临计算复杂度和成本较高以及对模型准确性依赖性较强等问题。为此,该文提出一种基于矢量声场Stokes极化参数与注意力增强多任务U-Net的地声参数反演方法。针对单矢量水听器各通道所接收的信号实施warping变换处理,把将提取到的各阶简正波信号经计算和归一化后所得的Stokes参数作为网络输入特征;构建多任务U-Net神经网络模型,采用共享编码器与多分支独立预测纵波声速等地声参数,同时引入通道和空间注意力机制,增强关键特征提取能力并抑制无关特征;此外,采用多任务不确定性加权损失函数实现各地声参数反演任务的自适应平衡,使得反演结果更准确。200组测试集数据的仿真结果表明,引入注意力机制后模型预测波动范围降低,整体反演精度与稳定性均有所提升,该反演方法受模型参数失配影响较小,展现出较强的鲁棒性。进一步的海事实验数据验证表明,所提方法在实际浅海环境下的地声参数反演中具有高效性和可靠性。
  • 图  1  Stokes参数与频散曲线的对比分析

    图  2  不同阶简正波的Stokes参数在海底环境下的分析

    图  3  不同输入特征相对于5个海底参数的MIV结果

    图  4  U-Net神经网络流程图

    图  5  浅海环境模型示意图

    图  6  U-Net下模型预测值与真实值的对比

    图  7  CBAM-U-Net下模型预测值与真实值的对比

    图  8  TCN下模型预测值与真实值的对比

    图  9  不同距离下提取与反演$ {s}_{3} $对比

    图  10  不同距离下$ {s}_{3} $各模态RMSE

    表  1  浅海波导仿真环境参数及地声参数反演范围与步长设置

    待反演参数 参考值 搜索范围 步长
    海底纵波声速$ {c}_{\mathrm{b}} $ (m/s) 1800 [1600,1800] 1
    海底横波声速$ {c}_{\mathrm{s}} $ (m/s) 400 [200,600] 1
    海底密度$ {\rho }_{\mathrm{b}} $ (g/cm3) 1.7 [1.6,1.8] 0.1
    海底纵波衰减$ {\alpha }_{\mathrm{p}} $ (dB/λ) 0.15 [0.1,0.2] 0.01
    海底横波衰减$ {\alpha }_{\mathrm{s}} $ (dB/λ) 0.5 [0.3,0.7] 0.01
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    表  2  测试集的模型评估结果MAE

    参数 MAE
    海底纵波声速$ {c}_{\mathrm{b}} $ (m/s) 60.931
    海底横波声速$ {c}_{\mathrm{s}} $ (m/s) 27.415
    海底密度$ {\rho }_{\mathrm{b}} $ (g/cm3) 0.051
    海底纵波衰减$ {\alpha }_{\mathrm{p}} $ (dB/λ) 0.024
    海底横波衰减$ {\alpha }_{\mathrm{s}} $ (dB/λ) 0.098
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    表  3  测试集的模型评估结果MAPE(%)

    参数 MAPE
    海底纵波声速$ {c}_{\mathrm{b}} $ 3.521
    海底横波声速$ {c}_{\mathrm{s}} $ 7.825
    海底密度$ {\rho }_{\mathrm{b}} $ 3.023
    海底纵波衰减$ {\alpha }_{\mathrm{p}} $ 17.337
    海底横波衰减$ {\alpha }_{\mathrm{s}} $ 21.323
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    表  4  不同模型测试集MAE结果对比

    参数 U-Net CBAM-U-Net TCN
    海底纵波声速$ {c}_{\mathrm{b}} $ (m/s) 60.931 9.828 79.696
    海底横波声速$ {c}_{\mathrm{s}} $ (m/s) 27.415 19.205 168.026
    海底密度$ {\rho }_{\mathrm{b}} $ (g/cm3) 0.051 0.050 0.052
    海底纵波衰减$ {\alpha }_{\mathrm{p}} $ (dB/λ) 0.024 0.024 0.025
    海底横波衰减$ {\alpha }_{\mathrm{s}} $ (dB/λ) 0.098 0.099 0.099
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    表  5  不同模型测试集MAPE(%)结果对比

    参数 U-Net CBAM-U-Net TCN
    海底纵波声速cb 3.521 0.570 4.615
    海底横波声速cs 7.825 5.347 49.772
    海底密度ρb 3.023 2.945 3.009
    海底纵波衰减αp 17.337 17.407 17.450
    海底横波衰减αs 21.323 21.409 21.412
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    表  6  实验数据上的反演结果

    距离
    (km)
    方法 cb cs
    (m/s)
    ρb αp
    (dB/$ \lambda $)
    αs
    (dB/$ \lambda $)
    (m/s) 误差(%) (g/cm3) 误差(%)
    9.7 U-Net 1652.72 3.10 442.57 1.67 1.76 0.15 0.50
    CBAM 1622.80 1.23 430.63 1.71 0.59 0.14 0.46
    17.4 U-Net 1660.81 3.60 448.65 1.74 2.35 0.16 0.54
    CBAM 1630.56 1.71 440.01 1.69 0.59 0.15 0.49
    匹配场 1603.10 - - 1.70 - - -
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-10-13
  • 修回日期:  2026-04-22
  • 网络出版日期:  2026-05-05
  • 刊出日期:  2026-06-15

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