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结合未知类特征生成与分类得分修正的SAR目标开集识别方法

陈健 雍奇锋 杜兰 尹林伟

陈健, 雍奇锋, 杜兰, 尹林伟. 结合未知类特征生成与分类得分修正的SAR目标开集识别方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT240138
引用本文: 陈健, 雍奇锋, 杜兰, 尹林伟. 结合未知类特征生成与分类得分修正的SAR目标开集识别方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT240138
CHEN Jian, YONG Qifeng, DU Lan, YIN Linwei. An Open Set Recognition Method for SAR Targets Combining Unknown Feature Generation and Cllassification Score Modification[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT240138
Citation: CHEN Jian, YONG Qifeng, DU Lan, YIN Linwei. An Open Set Recognition Method for SAR Targets Combining Unknown Feature Generation and Cllassification Score Modification[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT240138

结合未知类特征生成与分类得分修正的SAR目标开集识别方法

doi: 10.11999/JEIT240138
基金项目: 国家自然科学基金(U21B2039, 62201433),中央高校基本科研业务费专项资金(QTZX23067)
详细信息
    作者简介:

    陈健:男,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为雷达目标检测识别与机器学习

    雍奇锋:男,硕士生,研究方向为雷达目标识别与机器学习

    杜兰:女,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为雷达目标识别、雷达信号处理、机器学习

    尹林伟:男,硕士生,研究方向为雷达目标识别与机器学习

    通讯作者:

    杜兰 dulan@mail.xidian.edu.cn

  • 中图分类号: TN957

An Open Set Recognition Method for SAR Targets Combining Unknown Feature Generation and Cllassification Score Modification

Funds: The National Science Foundation of China (U21B2039, 62201433), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (QTZX23067)
  • 摘要: 现有合成孔径雷达(SAR)目标识别方法大多局限于闭集假定,即认为训练模板库内训练目标类别包含全部待测目标类别,不适用于库内已知类和库外未知新类目标共存的真实开放识别环境。针对训练模板库目标类别非完备情况下的SAR目标识别问题,该文提出一种结合未知类特征生成与分类得分修正的SAR目标开集识别方法。该方法在利用已知类学习原型网络保证已知类识别精度的基础上结合对潜在未知类特征分布的先验认知,生成未知类特征更新网络,进一步保证特征空间中已知类、未知类特征的鉴别性。原型网络更新完成后,所提方法挑选各已知类边界特征,并计算边界特征到各自类原型的距离(极大距离),通过极值理论对各已知类极大距离进行概率拟合确定了各已知类最大分布区域。测试阶段在度量待测样本特征与各已知类原型距离预测闭集分类得分的基础上,计算了各距离在对应已知类极大距离分布上的概率,并修正闭集分类得分,实现了拒判概率的自动确定。基于MSTAR实测数据集的实验结果表明,所提方法能够有效表征真实未知类特征分布并提升网络特征空间已知类与未知类特征的鉴别性,可同时实现对库内已知类目标的准确识别和对库外未知类新目标的准确拒判。
  • 图  1  结合未知类特征生成与分类得分修正的SAR开集识别方法示意图

    图  2  闭集训练模块示意图

    图  3  交叉熵损失与原型对比损失约束的特征可视化结果

    图  4  未知类特征生成与模型更新模块示意图

    图  5  已知类特征随机mix-up与挑取内侧边界特征mix-up产生未知类特征示意图

    图  6  结合生成未知类特征与已知类特征的闭集模型更新示意图

    图  7  极值拟合模块示意图

    图  8  不同参数取值下的3种分布的概率密度函数曲线

    图  9  基于分类得分修正的开集测试流程示意图

    图  10  MSTAR 10类不同地面目标的SAR图像及其对应的光学图像示例

    图  11  已知样本特征随机挑选和挑选内部特征mix-up生成的未知样本特征可视化

    图  12  真实未知类特征分布与生成样本特征分布的t-SNE可视化

    图  13  有无未知类特征生成策略的测试已知类样本与未知类样本的t-SNE特征可视化

    图  14  不同未知类生成策略下的F1-score指标

    图  15  4类已知类特征与对应类原型距离的极大值分布柱状图与基于Weibull分布的概率密度函数拟合结果

    图  16  4类已知类测试样本及未知类测试样本的修正量统计图

    图  17  不同开放度下所提开集识别方法F1-score随已知类内侧边界特征挑选比例的变化曲线

    图  18  不同开放度下所提开集识别方法F1-score随极值个数挑选比例的变化曲线

    1  未知类仿制与模型更新流程

     输入:训练数据$\left\{ {{{\boldsymbol{X}}_i}} \right\}_{i = 1}^{{N_{\mathrm{k}}}}$;特征空间中的各类初始化原型${{\boldsymbol{M}}_0}$;特征提取网络${\boldsymbol{E}}$的初始化参数${\theta _0}$;超参数$\lambda $;已知类类别数${N_k}$;已知类
     内侧边界特征挑选比例$K$;学习率$\mu $;Beta分布的参数$ \alpha $,$\beta $;迭代次数$t \leftarrow 0$。
     输出:原型参数${\boldsymbol{M}}$,更新后的网络参数$\theta $。
     (1) while not converge do
     (2) $t \leftarrow t + 1$
     (3)  按照比例$K$从各已知类中挑选较小模值的特征,记为$\left\{ {\left( {{f_{{\theta ^t}}}\left( {{{\boldsymbol{X}}_{1,1}}} \right), \cdots ,{f_{{\theta ^t}}}\left( {{{\boldsymbol{X}}_{1,k}}} \right), \cdots } \right), \cdots ,\left( {{f_{{\theta ^t}}}\left( {{{\boldsymbol{X}}_{i,1}}} \right), \cdots ,{f_{{\theta ^t}}}\left( {{{\boldsymbol{X}}_{i,m}}} \right), \cdots } \right)} \right\}$;
     (4) for i = 1: ${N_{\mathrm{k}}}$ do
     (5)  for j = i + 1: ${N_{\mathrm{k}}}$ do
     (6)   任意挑选$k,m$ do
     (7)   利用已知类特征的凸组合,生成未知样本特征${{\boldsymbol{X}}_{\rm{GEN} }} = \lambda {f_{{\theta ^t}}}\left( {{{\boldsymbol{X}}_{i,k}}} \right) + \left( {1 - \lambda } \right){f_{{\theta ^t}}}\left( {{{\boldsymbol{X}}_{j,m}}} \right)$,其中$\lambda \sim {\text{Beta}}\left( {\alpha ,\beta } \right)$;
     (8)   计算已知类原型损失 $L_{{\text{pro}}}^t = {L_{{\text{pro}}}}\left( {{\boldsymbol{X}};\theta ,{\boldsymbol{M}}} \right)$;
     (9)   计算未知类距离损失 $L_{ {\text{GEN}}}^t = {{H}}\left( {{{\mathrm{softmax}}} \left( {d\left( {{{\boldsymbol{X}}_{{\text{GEN}}}},{\boldsymbol{M}}} \right)} \right),{{{U}}_{{N_{\mathrm{k}}}}}} \right)$;
     (10)   计算总损失${L^t} = L_{ {\text{PRO}}}^t + \lambda L_{ {\text{GEN}}}^t$
     (11)   更新原型、网络参数$\left\{ {\theta ,{\boldsymbol{M}}} \right\}$:${\theta ^{t + 1}} = {\theta ^t} - \mu \dfrac{{\partial {L^t}}}{{\partial {\theta ^t}}}$, ${{\boldsymbol{M}}^{t + 1}} = {{\boldsymbol{M}}^t} - \mu \dfrac{{\partial {L^t}}}{{\partial {{\boldsymbol{M}}^t}}}$;
     (12) end while
     (13) end while
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    2  极值拟合流程

     输入:训练数据$\left\{ {{{\boldsymbol{X}}_i}} \right\}_{i = 1}^{{N_{\mathrm{k}}}}$;特征空间中的各类已知类原型${\boldsymbol{M}}$;特征提取网络的参数$\theta $;用于拟合极值分布的极值个数挑选比例$L$;
     输出:各已知类特征离类原型的极大距离所服从的威布尔分布函数参数$ \left\{ {{F_{{\text{Weibull}}}}\left( {{\boldsymbol{X}};{\lambda _i},{k_i}} \right)} \right\}_{i = 1}^{{N_{\mathrm{k}}}} $
     (1) for $ i = 1:{N_{\mathrm{k}}} $
     (2) 将训练数据${x_i}$通过特征提取网络,得到对应特征${f_\theta }\left( {{{\boldsymbol{X}}_i}} \right)$;
     (3)  按类别计算样本特征与对应类原型的距离$ {d_i} = \left\| {\left. {{f_\theta }\left( {{{\boldsymbol{X}}_i}} \right) - {{{\boldsymbol{m}}}'_i}} \right\|} \right._2^2 $,每类距离从小到大排序,按比例$L$选取取值较大的距离,构成
        距离向量$ {D_i} = \left[ {{d_{i1}},{d_{i2}},\cdots} \right] $,其中$ {d_{ik}} $表示第$i$个已知类的第$k$个极大值样本;
     (4)  采取极大似然估计的方法拟合各类的极值分布参数${\lambda _i}$, ${k_i}$。
     (5) end
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    表  1  MSTAR数据集10类10型的训练测试集划分

    2S1 BMP2 BRDM2 BTR70 BTR60 D7 T62 T72 ZIL131 ZSU234
    训练样本数 299 233 298 233 256 299 299 232 299 299
    测试样本数 274 196 274 196 195 274 273 196 274 274
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    表  2  不同开放度下的已知类与未知类划分

    开放度(%) 随机实验 已知类 未知类
    9.25 实验1 BMP2 BTR70 T72 2S1 BRDM2 BTR60 D7 T62 ZIL131 ZSU234
    实验2 BMP2 BTR60 2S1 D7 T62 ZIL131 ZSU234 BMR70 T72 BRDM2
    实验3 BTR70 T72 BRDM2 BTR60 D7 T62 ZIL131 BMP2 2S1 ZSU234
    实验4 2S1 BRDM2 BTR60 D7 T62 ZIL131 ZSU234 BMP2 BTR70 T72
    实验5 BTR70 2S1 T72 BTR60 T62 ZIL131 ZSU234 BMP2 BRDM2 D7
    13.40 实验1 BMP2 BTR70 T72 2S1 BRDM2 BTR60 D7 T62 ZIL131 ZSU234
    实验2 BMP2 BTR60 2S1 D7 T62 ZIL131 ZSU234 BMR70 T72 BRDM2
    实验3 BTR70 T72 BRDM2 BTR60 D7 T62 ZIL131 BMP2 2S1 ZSU234
    实验4 2S1 BRDM2 ZSU234 D7 T62 ZIL131 BMP2 BTR70 T72 BTR60
    实验5 BTR70 2S1 T72 BTR60 T62 ZSU234 ZIL131 BMP2 BRDM2 D7
    24.41 实验1 BMP2 BTR70 BTR60 D7 BRDM2 T62 ZIL131 ZSU234 2S1 T72
    实验2 BMP2 BTR60 2S1 D7 T62 ZIL131 ZSU234 BMR70 T72 BRDM2
    实验3 BTR70 T72 BRDM2 BTR60 D7 T62 ZIL131 BMP2 2S1 ZSU234
    实验4 2S1 BRDM2 ZSU234 D7 T62 ZIL131 BMP2 BTR70 T72 BTR60
    实验5 BTR70 2S1 T72 ZSU234 BTR60 T62 ZIL131 BMP2 BRDM2 D7
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    表  3  所提方法及对比方法开集实验结果(%)

    开集识别方法 开放度 Accuracy Precision Recall F1-score
    Softmax+概率阈值 9.25 82.14 84.68 90.58 87.82
    13.40 76.09 68.45 86.92 70.45
    24.41 60.45 52.82 84.28 61.26
    GCPL[8] 9.25 88.41 94.48 93.88 93.69
    13.40 80.52 76.14 88.21 78.86
    24.41 64.85 60.74 86.52 68.43
    RPL[23] 9.25 88.83 94.82 93.97 94.02
    13.40 82.76 77.29 89.65 79.74
    24.41 65.25 63.48 85.02 68.48
    DIAS[12] 9.25 93.08 95.90 96.03 96.01
    13.40 84.25 82.36 89.42 82.14
    24.41 70.99 68.17 88.90 72.43
    所提方法 9.25 94.38 96.03 96.58 96.86
    13.40 84.62 83.40 92.38 84.68
    24.41 73.99 70.25 89.24 74.28
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    表  4  所提方法与现有SAR开集识别方法对比(%)

    方法 Precision Recall F1-score
    OsmIL[14] 87.0 93.4 89.9
    GvRSC[14] 67.8 73.2 69.2
    本文方法 93.4 95.7 94.1
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    表  5  消融实验设置

    实验编号 未知类特征生成 分类得分修正 F1-score(%)
    (1) × 72.48
    (2) 74.28
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-04
  • 修回日期:  2024-09-30
  • 网络出版日期:  2024-10-09

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