Developing a system for characteristics estimation of heterogeneous objects by acoustic data

Abstract

Выпускная работа посвящена решению обратных задач по акустическим данным. В рамках выпускной работы реализована система для поиска звуковых характеристик с применением метода моделирования звуковой волны, метода оптимизации для поиска звуковых характеристик объектов, система проверена на экспериментальных данных. В первой главе описываются требования к ПО и конфигурации компьютера, на котором будет испытана система. Также в этой главе описаны требования к представлению входных акустических данных и к процессу их обработки. Обработка данных должна соответствовать математической модели с волновым уравнением, по которому распространяются звуковые сигналы. Во второй главе описываются компоненты системы, а также подробно расписаны два их них: «Моделирование волны» и «Определение характеристик». Ключевой аспект компонента «Моделирование волны» в том, что в нём моделируется процесс распространений сигнала по волновому уравнению. Моделирование происходит по соответствующей схеме второго порядка с применением векторизации для ускорения расчетов. В компоненте «Определение характеристик» применяется метод оптимизации Левенберга – Марквардта с модификацией, а именно с применением случайного приближения с одновременным возмущением всех параметров (SPSA). В третьей главе представлены результаты апробации системы на акустических данных двух экспериментов. В первом эксперименте присутствовала только водная среда без объектов в ней. Во втором эксперименте присутствовали водная среда и объект в ней. Система дала хороший результат по локализации объектов.

Thesis work is devoted to solving inverse problems on acoustic data. As part of the thesis work, a system was implemented for searching for sound characteristics using sound wave modeling, an optimization method for finding the sound characteristics of objects, the system was tested on experimental data. The first chapter describes the software requirements and configuration of the computer on which the system will be tested. Also in this chapter, the requirements for the presentation of input acoustic data and for the process of their processing are described. Data processing should correspond to a mathematical model with a wave equation along which sound signals propagate. The second chapter describes the components of the system, and also details two of them: Wave Modeling and Characterization. The key aspect of the "Wave Simulation" component is that it simulates the process of signal propagation according to the wave equation. Modeling takes place according to the corresponding second-order scheme using vectorization to speed up calculations. In the "Characterization" component, the Levenberg-Marquardt optimization method is applied with a modification, namely, using a simultaneous perturbation stochastic approximation (SPSA). The third chapter presents the results of testing the system on the acoustic data of two experiments. In the first experiment, only the aquatic environment was present without objects in it. In the second experiment, there was an aquatic environment and an object in it. The system gave a good result in the localization of objects.