Interpretable deep dictionary learning for sound speed profiles with uncertainties

可解释性 计算机科学 人工神经网络 人工智能 噪音(视频) 火车 深度学习 水下 深层神经网络 模式识别(心理学) 机器学习 地质学 海洋学 地图学 图像(数学) 地理
作者
Xinyun Hua,Lei Cheng,Ting Zhang,Jianlong Li
出处
期刊:Journal of the Acoustical Society of America [Acoustical Society of America]
卷期号:153 (2): 877-894
标识
DOI:10.1121/10.0017099
摘要

Uncertainties abound in sound speed profiles (SSPs) measured/estimated by modern ocean observing systems, which impede the knowledge acquisition and downstream underwater applications. To reduce the SSP uncertainties and draw insights into specific ocean processes, an interpretable deep dictionary learning model is proposed to cater for uncertain SSP processing. In particular, two kinds of SSP uncertainties are considered: measurement errors, which generally exist in the form of Gaussian noises; and the disturbances/anomalies caused by potential ocean dynamics, which occur at some specific depths and durations. To learn the generative patterns of these uncertainties while maintaining the interpretability of the resulting deep model, the adopted scheme first unrolls the classical K-singular value decomposition algorithm into a neural network, and trains this neural network in a supervised learning manner. The training data and model initializations are judiciously designed to incorporate the environmental properties of ocean SSPs. Experimental results demonstrate the superior performance of the proposed method over the classical baseline in mitigating noise corruptions, detecting, and localizing SSP disturbances/anomalies.

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