第25卷 第2期核电子学与探测技术
V ol .25 No .2
2005年 3月
Nuclear Electro nics&Detectio n Techno log y
M a rch 2005
刘代志，苏 娟，王仁铭，李夕海，赵 克
(第二炮兵工程学院602室，西安 710025)
摘要：首先简要介绍了核爆地震自动识别研究的历史和现状，重点介绍了笔者所在的研究集体的
研究进展；然后，针对核爆地震自动识别研究的方法理论——模式识别中的几个关键问题进行了讨论，给出了初步研究结果，并提出了进一步研究设想。 中图分类号:T P391;P315.63 文献标识码:A 文章编号:0258-0934(2005)02-0114-05
收稿日期:2004-01-15
基金项目：得到国家自然科学基金(40274044)和国家高等学校骨干教师资助计划(3247)资助
羞耻心
作者简介：刘代志(1960-)，男，第二炮兵工程学院教授，博士,1989/1993作过两站博士后，博导，从事信号与信息处理及模式研究
国外在20世纪50年代就开始了核爆炸探
测工作，六七十年代随着核武器技术的迅速发展，核爆炸侦察技术也发展很快[1]。美国与其他国家一起建立了世界标准地震台网(WW SSN)，有125个标准地震台；还设立了十多个大小不等的地震台阵。现在，加上卫星侦察手段，世界发达国家已形成了一套先进的核查技术。20世纪80年代以来，地震观测设备不断更新,1992年中国的GSE (全球地震核查)系统并入中国数字地震台网(CDSN)，这样，检测与定位的能力大为提高[2]。
1963年，美、英、苏签订部分禁止核试验条约以来，大气层核试验减少；进入80年代，基本上转为地下核试验。为了监测其他国家的地下核试验，了解他国核武器的发展状况，同时，也为了监视其他国家是否遵守各种条约，进行有效的核查和军备控制，利用地震方法探测地下核爆炸(包括水下核爆炸)
是一项十分重要的工
郑樟林作。它不仅具有重要的军事意义，而且对维护世界和平，促进国防建设都有十分重要的战略意义。从地下核爆炸侦测，特别是进行远区地下核爆炸侦测来说，地震方法是最有效的，有时甚至是唯一有效的方法。然而，利用地震方法侦察地下核爆炸，必须完成三项工作:(1)检测：利用地震仪记录核爆炸或天然地震产生的地震波。(2)定位：根据记录到的地震信号确定震源参数(震中位置、震级、发震时刻)。(3)识别：识别检测到的事件是天然地震还是核爆炸。前两项工作是地震观测的常规工作，用地震方法侦察地下核爆炸的关键是识别。
迄今为止，利用地震波识别地下核爆炸和天然地震的方法大致可以归为两类，一类是人工识别方法，一类是机器自动识别方法。人工识别方法的分类基础是计算出地震事件的震中、震源深度和震级等地震特征。长周期面波震级M s 和短周期体波震级M b 之比是这种分类的最有效的简单的判据。在地震学家经常使用的资料中，一些是数值的，如震级比，而另一些是非数值的，如某些类型面波的存在，例如Love 波等。得出一个确信的结论通常需要不止一个数据，除了M s /M b 外，其他如初动方向、波形复杂度等也可结合起来达到有效识别的目的[2]。我国从20世纪60年代初即在傅承义、许绍燮院士 114
领导下开展了地震核侦察研究[3]，我国地震台上报的核爆侦察第一张速报报告是王碧泉和曲克信先生
作出的[4]。模式识别是一种自动识别技术，依靠这种技术，机器将自动(或尽可能少地干预)把待识别模式分配到各自的模式类中去。它是一种借助于大量的信息和经验进行推理的方法。前苏联学者格尔丰德等人发表了第一篇将CO RA-3方法用于地震危险区划的论文，他们用该方法识别未来可能发生的强震的潜在震源。从此以后，模式识别在地震学中的应用逐步开展起来。美国学者C.H.Chen提出了地震波形分类的统计模式识别方法。他比较了不同特征的有效性，检验了地震波的物理特征，如波形复杂度、频谱比值、频率三次矩、自相关系数、AR模型的Ma rkel系数、短时谱特征以及复倒谱[5]。从70年代中期开始，我国国家地震局即开展了地震和核爆炸的自动识别研究[6]。
从20世纪80年代后期到90年代以来，从我们掌握的文献看，也许有保密的原因，国外在核爆地震模式识别方面发表的文章很少[7,8]，国内也进展不大[2～6,9～12,37,38]。
1 研究进展
以往的核爆地震模式识别主要采用两类方法，一类是地球物理学的方法，即用震源深度、面波震级比等地球物理特征参数来判别[2]；另一类是用统计模式识别方法对地震波进行自动解释，即用复倒谱、频率三次矩、谱比值等数学特征通过各种分类器来进行识别[5]。但是，识别结果尚不理想，以至地震学家得出这样的结论：对于天然地震和地下核爆炸，看来并不存在一个理想的鉴别判据[2]。所以,1995年国际军控谈判专家组仍然认为，要准确无误地识别地下核试验尚无把握[13]。1994年6月，
美国Sandia 国家实验室开始实施“综合核查系统评价模型(IV SEM)计划”，目的是研制一套软件以便估计全面禁止核试验条约(CTBT)监测系统的效能,1995年11月完成了1.0版,1996年7月给出了1.1版,1997年10月升为1.2版,2000年3月推出2.0版，该套评价模型软件包括了地震、次声、水声和放射性核素四种监测方法[14]。虽然我国作为签约国，也可能得到这套系统，但对系统的结构和关键技术仍然一无所知，更谈不上为适应我们的需要而进行改造。
正是基于上述研究现状，我们从20世纪90年代初开始，开展了“地下核爆炸自动识别”的研究，完成了多项课题。主要研究成果有:1)将离散二进小波变换局部模极大值用于特征提取[15,16]；将多分辨率分析与分形的标度不变性结合提取信号的离散小波变换和连续小波变换的分形特征，将这类特征称为多分辨率分形特征，并与基于功率谱分析的自仿射分形方法进行了比较[17];2)基于时频分析思想，将核爆地震识别中常用的时域和频域特征，即波形复杂度、谱比值和频率三次矩，推广为时频平面上的谱比值特征和矩特征，从而可广泛应用于信号分析的特征提取中；根据时频图像的特点，提出将时频面积和累积分布用于特征提取[18]；将奇异值分解应用于时频图像，以降低特征空间维数[19]；提出将模糊函数应用于核爆炸的单站定位识别，并与时域统计相关方法作了比较[20];
3)将关联维、Kolm ogo rov熵方法与最大Lyapunov指数方法结合，经研究发现核爆炸地震波信号具有混沌特性；根据相空间重构参数选取方法的不足、实际信号的特点以及模式识别的需要，提出相空间重构参数选取的类时频分析法，研究了该方法在模型信号和实际信号关联维分析中的有效性和优点[21]
；并将关联维的类时频分布与多重分维相比较，将R/S分析方法应用于核爆炸地震信号分类；将非线性相关度方法应用于爆炸源识别，并与统计相关方法和模糊函数方法相比较[22];4)结合模糊变权的思想，还提出了模糊变权K近邻法，并将其与模糊综合评判相结合用于分类[23,24]；为了充分利用单个特征的识别信息和识别能力，提出了基于单特征识别率的线性判别函数训练方法[25]。
2 模式识别中的几个关键问题研究
我们所进行的上述研究的特点是：用地球物理方法与模式识别方法相结合的“灰箱”方法，和非线性科学与现代信号处理理论进行综合研究，使正确识别率有明显提高。但要进一步提高还存在一些模式识别方法中带普遍性的理论问题需要深入研究。同时，我们在开展其他侦察目标识别研究时，亦遇到了类似的问题。下面就几个我们认为是比较关键的问题进行讨论,
115
并给出我们的初步研究结果。
1)就核爆炸这样的侦测目标识别问题而论，是否存在完整描述一类模式的最少特征数(不相关的)?如果存在，怎样确定?如果确定下来，则有利于最优特征组的选择。
像核爆炸这样的侦测目标识别在侦测工程学领域中还有很多[26]，它们也都可以看成是军事地球物理
学问题[27]，其特点是，所获取的信息都是以一维时间(在信号处理中，空间也可看成时间)序列为其表现形式，多维时间序列亦可作如此对待。在用统计模式识别方法进行目标识别时，一般总是尽可能多地提取模式特征，然后根据各种准(原)则来进行特征选择(如识别率、类间距等)。至于到底要提取多少特征才够?即是否存在完整描述一类模式的最少特征数(不相关的)?以往尚无研究。目标识别实质上也是一种系统辨识，从描述系统的相空间(即状态空间)来看，一般应该存在一组独立的(肯定不相关)状态变量，而这组状态变量就可以看成是不相关的模式特征。我们从混沌动力学的角度对此进行了初步研究，发现像核爆炸识别这种类型的侦测目标识别问题，存在完整描述一类模式的最少不相关特征数[28]，即存在目标识别的特征量下界，通过动力学系统吸引子分析的方法来确定该下界[21,28～29]。
2)与其他模式识别问题不同，对核爆炸识别这样的侦测目标识别问题而言，选择训练样本至关重要，而如何选择又无“法”可依，更无理论依据。
在模式识别中，一般有较好模板(理论的或标准的)可作训练样本，训练样本的选择不是一个突出的问题，所以，现有的模式识别文献中对此讨论不多，更没有提出相应的方法理论。而对核爆炸识别这样的侦测目标识别问题来说，不存在什么标准的模板，而且训练样本的选择对识别结果影响十分显著，所以如何选择训练样本至关重要。对此进行了初步研究[21,30]，其基本思路有二：一是通过特征相空间中的吸引子分析，出吸引子中心所在的吸引域中的样本，作为训练样本[21]；二是构造标准样本[30]。最近，我们在用神经网络技术进行核爆地震模式识别研究时，为了提高神经网络的泛化能力，
提出了一种构造训练样本的新方法，关于这一方法笔者将另文发表。
3)独立的或有一定相关性的特征如何进行组合，才能真正使特征信息互补?
这实际上是一个特征选择与优化组合问题。特征选择的任务是从一组数量为D的特征中选择出数量为d(D>d)的一组最优特征，为此有两个问题需要解决：一是选择的标准，通常采用可分离性判据，即要选出使某一可分性达最大的特征组；另一个需要解决的是寻一个好的算法，以便在允许的范围内出最优的一组特征。枚举法当然能够保证选出最优特征子集，但当特征的维数超过十几维时，枚举法会因计算量太大而无法实现，因此必须寻一种可行的搜索算法，但任何非枚举的搜索算法都不能保证所得结果是最优的。因此，除非求次优解，否则所用算法原则上仍是枚举法，只不过采用某些搜索技术使计算量可能有所降低[31]。
特征选择作为一种优化问题，当然可以用解决优化问题的方法来解决特征选择问题。Siedlecki和Sklansky[32,33]把遗传算法应用到特征选择中获得了较好的结果，但遗传算法常出现过早收敛的问题。张鸿宾[34]等把Tabu搜索算法应用到特征选择中也取得了满意的效果，但Tabu表长度的选择比较困难。近年来，在多传感器信息融台和数据挖掘等问题中，特征的数目一般很大，有时达到上百个，因此解决有效的特征选择算法更成为一个迫切的问题。正是基于这一目的，我们提出用序优化[35](Ordinal Optimization)方法来解决特征选择问题，得到了一些有意义的初步结果。此外，关于特征选
择与优化组合问题，我们还从主分量分析与特征相关性分析等方面进行了探讨，也获得了一些有意义的初步结果，对此，笔者将另文发表。
总而言之，上述三个方面的问题是核爆地震模式识别及相类似的侦测目标识别中带有普遍性的关键问题，有待进一步深入研究。
3 结束语
核爆地震模式识别中的若干关键问题和识别系统有待进一步研究，我们的基本思路是将野外观测、物理实验与数值实验方法相结合，数学建模与数学证明方法相结合，线性与非线性信号分析技术(调和分析、小波分析、时频分析、分形、混沌)相结合，模糊模式识别与统计模式识别和神经网络相结合进行关键问题研究与识
116
别系统设计。主要解决的问题是:1)提出分析最少不相关特征数、特征相关性以及选择训练样本的数值实验方法、数学模型，并尽可能给出问题的数学证明;2)从理论上解决核爆炸(和其他侦测目标)模式识别中的模糊变权问题;3)完善核爆炸模式识别系统，研究成果适用于地基与天基核爆信号识别处理系统[33]。
参考文献:
[1]Bruce A.Bolt,Nuclea r Ex plosio ns and
Ear thquakes,W.H.Fr eeman a nd Company,
San Fr ancisco,1976
[2]吴忠良，等.核爆炸地震学概要[M].北京：地震出
版社,1994.
[3]许绍燮，等.地震核侦察进展简况[A].核爆效果侦
察[C]北京：解放军出版社,1987,154.
[4]席云藻.我国用地震方法对核爆炸进行侦察的简
况[A].核爆远区探测[C]北京：解放军出版社,
321.
[5]傅京孙，等.模式识别应用[M].北京：北京大学出
版社,1990.
[6]王玉秀.核爆炸的识别与侦察[A].核爆炸探测
[C].核电子学与核探测技术学会核爆探测专业
组编,190.
[7]Baumga rdt D R,et al.Spectral ev idence fo r so ur ce
multiplicity in ex plosio ns:applicatio n to
r eg io na l discrimination o f ear thquakes and
ex plosio ns[J].Bull Seism Soc Amer,1988,78
(5):1773.
[8]Shim sho mi Y.,e t a l.Classifica tion o f seismic
sig nals by integ ra ting ensembles of neural
netwo r ks[J].IEEE T rans Sig nal Pr ocessing,
1998,46(5):1194.
[9]钟放庆，等.地下爆炸地震波的数值模拟及震源函
数的研究[J].爆炸与冲击,2001,21(1):53. [10]魏富胜，等.震源性质的倒谱分析[J].地震学报,
2003,25(1):47.
[11]Ying ping Li,e t al,So urce time functions o f
nuclear ex plo sio ns and ear thquakes in cent ral
Asia determined using empirical Green’s
functions[J].Jour nal of Geo phy sica l Research,
1995,100(B1):659.
[12]J ia ka ng Xie,et al.Spectral chara cteristics of the
excitation and pro pag ation o f Lg f ro m
underg r ound nuclea r ex plo sio n in centra l Asia
火力发电厂设计技术规程[J].Jour nal of Geoph ysical Resea rch,1996,101
(B3):5813.
[13]CD/1341,Pr og ress r epo r t to the confer ence o n
disar mament o n the fo r ty-first sessio n o f the ad
ho c g ro up o f scientific ex per ts to consider
international co opera tiv e measur es to detect and
identify seismic ev ents,Confere nce o n
Disarma ment,1995
[14]M ichael W.Edenbur n,et al,CT BT integ ra ted
v erificatio n sy stem eva luation mo del supplement
[R].SAN DI A REPO RT,2000
[15]邹红星，等.基于离散二进小波变换局部模极大
值的地震波模式识别[.J].第二炮兵工程学院
学报,1995,9(3):
[16]Daizhi Liu,e t al.Fractal analysis with
a pplica tio ns to seismolog ical pa tter n r ecog nitio n
o f under gr ound nuclea r ex plo sio n.Sig na l
Pro cessing,2000,80:1849-1861
[17]刘代志，等.分形分析与核爆地震模式识别[J].模
式识别与人工智能,1997,10(2):153.
[18]赵克，等.核爆地震波的时频特征[J].核电子学
与戒
与探测技术,2000,20(4):272.
[19]赵克，等.时频表示的奇异值特征[J].第二炮兵工
程学院学报,1999,13(4):42.
[20]刘代志，等.核爆炸地震的统计特征分析与识别研
究[A].陕西地球物理文集[C].西安：西安地
图出版社,1999,22.
[21]刘代志，等.吸引子分析与核爆地震模式识别[J].
电子学报.1997,25(10):122.
[22]苏娟.核爆地震信号的非线性分析与模糊模式识
别研究[J].第二炮兵工程学院学报,1998,12
(1),1.
[23]刘代志，等.FU ZZY综合评判与模式识别[J].第
二炮兵工程学院学报,1998,12(1):16.
[24]苏娟，等.一种改进的K近邻法[J].第二炮兵工
程学院学报,1997,11(4):16.
[25]Zha o Ke,et al.A new alg o rith m fo r linea r
discriminant functio n a nd its a pplicatio ns to
pat tern recog nitio n o f nuclea r ex plosio n.
Four th Inte rnatio na l Co nference o n Sig na l
Pro cessing Pr oceeding s,O ctober12-16,1998,
Beijing,China.Publishing Ho use of Elect ro nics
Industry,1998,1237-1240
[26]刘代志.《侦测工程学》刍议[J].第二炮兵工程学
院学报,1996,10(4):1.
[27]刘代志.军事地球物理学刍议[J].第二炮兵工程
学院学报,2003,17(4):1.
[28]赵克，等.目标识别的特征量约束[J].信号处理,
1999,15(增刊):53-.
[29]李夕海，等.目标识别中的特征相空间吸引子分
析[J].信号处理,2001,17(增刊):
117
[30]王飞，等.核爆地震的统计特征分析与识别研究
[A].陕西地球物理文集[C].西安：西安地图出
版社,1999,22.
[31]边肇祺，等.模式识别(第二版)[M].北京：清华
大学出版社,2000.
[32]Siedlecki W,et al.O n auto matic fea ture selectio n
[J].Patter n Recog nition a nd A rtificial
Intellig ence,1988,2(2):197.
[33]S iedlecki W,e t a l.A no te o n g enetic alg o rithm fo r
la rg e-scale fea ture selection.Patter n
Recog nition L etter s,1989,10(11):335-347[34]张鸿宾，等.T abu搜索在特征选择中的应用[J].
自动化学报,1999,25(4):7.
[35]Yi-Chi H o,e t a:O rdinal O ptimizatio n in D ED S
[J].J o urnal o f D ED S,1992,2(2):
[36]刘代志，等.天基核爆信号识别处理系统技术方案
研究[J].核电子学与探测技术,2003,23(4):
292.
[37]刘贤伦.单站识别核爆的方法初探[J].地震地磁
观测与研究,1995,16(3):8.
[38]沈萍，等.瞬时谱在地震与核爆识别中的应用[J].
地球物理学报,1999,42(2):233.
Studies on pattern recognition of nuclear explosion and earthquake
LIU Dai-zhi,SU Juan,W AN G Ren-ming,LI Xi-hai,ZHAO Ke
(Sec tio n602,The Seco nd Artiller y Institute o f Eng ineering,Xi’an,710025,China)
linpackAbstract A brief introduction to the history and present condition of the research on pat tern recognition of the underground nuclear explosion and earthquake is made,and the achieved research prog ress of the research g roup to which authors belong is mainly introduced.Then,the methods and theories of the several key questions in patt ern recognition are discussed,and the preliminary research results are given.Finally,the further research plan is presented.
Key words:nuclear ex plosion;na tural earthquake;pat tern recog ni tion
(上接第123页,Continued fro m pag e123)
The driving and controlling techniques of CompactPCI bus in
VxWorks real-time operating system
LI An-zong1,2;JU Xiao-dong1;Q IAO Wen-xiao1
(1.Scho ol of Reso urces a nd Info rmation,U niv er sity o f Pe tro leum,Beij ing102249,China;
2.Xi’an Pet ro leum Ex plo ratio n Instrument Complex,Xi’an of Shaanxi Prov.710061,China)
Abstract Compact PCI bus and interface f eaturing,the content and f unction of PCI configuration register are introduced herein.The driving and controlling t echniques of Compact PCI bus in VxWorks real-time operating syst em are det ailed.Hardware interrupt handling is one of key sig nificance in real-ti me systems,because it is usually through interrupts that the system is informed of ex ternal events. V xWo rks allows C f unctions to be connected to any i nterrupt.A routine connected to an int errupt in this way is called an interrupt service routine(ISR).For response of int errupt,interrupt co nt rol/status register of PCI9054interface chip needs to be set.The g eneral-purpose binary semaphore used in ISR is capable of addressing the requirement s of bo th forms of task coordination:mut ual exclusion and synchronization.Therefore,the system runs stably and reliably.
Key words:cPCI bus;PCI configuration space;interrupt cont rol;semaphore
汉城大学
118
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议