هیدروفیزیک

هیدروفیزیک

تشخیص ناهنجاری‌های مغناطیسی بوسیله شبکه عصبی پیچشی یک‌بعدی مبتنی بر یادگیری انتقالی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 بخش فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شیراز
2 مجتمع هوادریا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران
چکیده
شخیص ناهنجاری مغناطیسی یک روش کلیدی در اکتشافات ژئوفیزیکی، شناسایی اهداف فلزی و پایش پزشکی است. روش‌های سنتی مبتنی بر مدل‌سازی ریاضی و پردازش سیگنال، در محیط‌های با نویز بالا با چالش مواجه می‌شوند. رویکردهای یادگیری عمیق، به‌ویژه شبکه‌های عصبی پیچشی ، قابلیت بالایی در استخراج خودکار ویژگی‌ها دارند اما به داده‌های برچسب‌دار حجیم نیازمندند. در این مقاله، یک روش ترکیبی مبتنی بر شبکه عصبی پیچشی یک‌بعدی و یادگیری انتقالی برای تشخیص ناهنجاری‌های مغناطیسی ارائه می‌شود. ابتدا با استفاده از نمونه‌برداری پواسون-دیسک در فضای مکان-زاویه، پروفیل‌های خطی از میدان مغناطیسی شبیه‌سازی‌شده استخراج می‌گردد. سپس یک خودرمزگذار عمیق بر روی مجموعه‌ای از ۲۵۰۰۰۰ سیگنال مصنوعی یک‌بعدی آموزش می‌بیند تا نمایش فشرده‌ای از سیگنال‌ها یاد بگیرد. در مرحله بعد، بخش رمزگذار این شبکه به عنوان استخراج‌کننده ویژگی ثابت به کار گرفته شده و با افزودن لایه‌های طبقه‌بندی، مدل نهایی روی داده‌های هدف (۱۰۰۰ پروفیل) آموزش می‌بیند. نتایج ارزیابی نشان می‌دهد که روش پیشنهادی با دقت ۹۷ درصد و امتیاز F1 معادل ۹۷ درصد، نسبت به مدل پایه بدون یادگیری انتقالی (دقت ۹۲ درصد) بهبود قابل توجهی داشته است. این رویکرد برای کاربردهای عملی با داده‌های محدود راهکاری مؤثر و قابل اعتماد ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Magnetic Anomaly Detection using One-Dimensional Convolutional Neural Network Based on Transfer Learning

نویسندگان English

Yasin Mohammadikashkooli 1
Hassan Zibaeenejad 2
Hadi Tajallizadeh 2
Mohammadreza Kazeranivahdani 2
1 Department of Physics, Shiraz University, Shiraz 71454, Iran
2 Faculty of Naval Aviation, Malek-Ashtar University of Technology
چکیده English

Magnetic Anomaly Detection (MAD) is a key method in geophysical exploration, ferromagnetic target identification, and medical monitoring. Traditional methods based on mathematical modeling and signal processing face challenges in high-noise environments. Deep learning approaches, especially Convolutional Neural Networks (CNNs), have high capability in automatic feature extraction but require large labeled datasets. In this paper, a hybrid method based on one-dimensional convolutional neural networks (1D-CNN) and transfer learning is proposed for magnetic anomaly detection. First, using Poisson disk sampling in the position-angle space, fixed-length 200-sample linear profiles are extracted from the simulated magnetic field. Then, a deep autoencoder is trained on 22,508 synthetic one-dimensional signals to learn a compact signal representation. In the next stage, the encoder part of this network is used as a fixed feature extractor, and by adding classification layers, the final model is trained on 5,130 target profiles. Evaluation results show that the proposed method with 97% accuracy and F1-score of 97% achieves a significant improvement compared to the baseline model without transfer learning (90% accuracy). This approach provides an effective and reliable solution for practical applications with limited data.

کلیدواژه‌ها English

Magnetic Anomaly Detection
1D Convolutional Neural Network
Transfer Learning
Autoencoder
Poisson Disk Sampling

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 31 تیر 1405

  • تاریخ دریافت 06 اسفند 1404
  • تاریخ بازنگری 21 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 08 تیر 1405