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结合相似度预测和阈值自动求解的开集条件下毫米波雷达点云步态识别方法

杜兰 李逸明 薛世鲲 石钰 陈健 李真芳

杜兰, 李逸明, 薛世鲲, 石钰, 陈健, 李真芳. 结合相似度预测和阈值自动求解的开集条件下毫米波雷达点云步态识别方法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(6): 1850-1863. doi: 10.11999/JEIT241034
引用本文: 杜兰, 李逸明, 薛世鲲, 石钰, 陈健, 李真芳. 结合相似度预测和阈值自动求解的开集条件下毫米波雷达点云步态识别方法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(6): 1850-1863. doi: 10.11999/JEIT241034
DU Lan, LI Yiming, XUE Shikun, SHI Yu, CHEN Jian, LI Zhenfang. Millimeter-wave Radar Point Cloud Gait Recognition Method Under Open-set Conditions Based on Similarity Prediction and Automatic Threshold Estimation[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(6): 1850-1863. doi: 10.11999/JEIT241034
Citation: DU Lan, LI Yiming, XUE Shikun, SHI Yu, CHEN Jian, LI Zhenfang. Millimeter-wave Radar Point Cloud Gait Recognition Method Under Open-set Conditions Based on Similarity Prediction and Automatic Threshold Estimation[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(6): 1850-1863. doi: 10.11999/JEIT241034

结合相似度预测和阈值自动求解的开集条件下毫米波雷达点云步态识别方法

doi: 10.11999/JEIT241034 cstr: 32379.14.JEIT241034
基金项目: 国家自然科学基金(U21B2039, U24B20137, 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:

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

    李逸明:男,博士生,研究方向为SAR图像目标识别与开放世界学习

    薛世鲲:男,硕士生,研究方向为毫米波雷达步态识别与机器学习

    石钰:男,博士生,研究方向为雷达目标检测识别与多模态学习

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

    李真芳:男,博士,教授,博士生导师,研究方向为干涉/极化合成孔径雷达信号处理与系统设计

    通讯作者:

    杜兰 dulan@mail.xidian.edu.cn

  • 中图分类号: TN957

Millimeter-wave Radar Point Cloud Gait Recognition Method Under Open-set Conditions Based on Similarity Prediction and Automatic Threshold Estimation

Funds: The National Natural Science Foundation of China (U21B2039, U24B20137, 62201433), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (QTZX23067)
  • 摘要: 现有的雷达步态识别方法多局限于闭集设置,即假设测试阶段的所有身份类别均已包含在模板库中,不适用于库内已知身份类别和库外未知新身份类别共存的真实开放识别环境。针对非完备身份类别模板库条件下的步态识别问题,该文提出一种结合相似度预测和阈值自动求解的开集条件下毫米波雷达点云步态识别方法。在点云特征提取的基础上,结合对潜在未知类相似度得分分布的先验认知,设计了一种伪开放环境训练策略来学习相似度预测网络,提升相似度得分空间中已知类别与未知类别的鉴别性;最后,阈值自动求解模块通过极值理论对相似度得分的极值分布进行概率拟合,并通过最小虚警与漏检准则实现未知类拒判阈值的准确求解。基于实测毫米波雷达点云数据的实验结果表明了所提方法在开集条件下具有良好的识别稳健性。
  • 图  1  检索任务框架下闭集步态识别模型的训练和测试流程

    图  2  结合相似度预测和阈值自动求解的开集条件下的毫米波雷达点云步态识别方法示意图

    图  3  文献[15]所提细粒度空时特征提取网络架构

    图  4  最近欧式距离分布示意图与相似度预测网络结构图

    图  5  阈值自动求解流程

    图  6  已知类和未知类样本的相似度得分分布

    图  7  不同开集步态识别方法的混淆矩阵

    图  8  不同拒判依据下的已知类和未知类分布

    表  1  不同开集步态识别方法在不同开放度条件下的F1分数(%)

    开集方法 开放度
    7.42 12.29 18.35 26.15 36.75 52.86
    基于最大后验概率的方法 85.99±0.71 82.61±0.49 73.39±0.83 61.77±1.85 43.93±2.56 25.85±3.52
    OpenMax方法[10] 83.18±1.23 79.07±1.21 75.37±1.08 69.95±1.64 61.66±1.79 49.35±2.45
    最近距离比方法[19] 79.08±1.31 79.76±0.99 81.57±4.38 81.42±3.65 75.21±3.35 69.16±4.11
    一类SVM方法[14] 84.87±2.85 82.78±1.12 80.73±1.83 78.74±3.09 77.45±3.88 74.38±4.13
    类归属概率方法[11] 85.83±1.77 83.35±2.38 82.69±2.09 81.67±3.78 78.86±3.83 73.93±3.73
    本文方法 88.87±0.54 88.61±0.69 88.41±1.62 86.94±1.19 83.50±2.15 78.84±2.72
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    表  2  所提模块的消融实验(%)

    相似度预测
    模块
    阈值自动
    求解模块
    开放度
    7.42 18.35 36.75
    Baseline × × 85.99 73.39 43.93
    所提
    模块
    × 86.69 84.54 82.35
    × 76.26 74.19 66.81
    88.87 88.41 83.50
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    表  3  基于不同拒判依据的方法对应开集识别F1分数(%)

    拒判依据 开放度
    7.42 18.35 36.75
    最大类中心概率 76.26 74.19 66.81
    最近类中心距离 85.59 80.44 74.45
    最近样本欧式距离 88.56 85.57 82.51
    本文所提相似度 88.87 88.41 83.50
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    表  4  不同点云特征提取网络对开集识别性能的影响(%)

    不同模型 开放度
    7.42 18.35 36.75
    SRPNet[9] 33.92 32.37 16.62
    HDNet[20] 38.10 34.26 21.98
    PcGaitPart[21] 81.54 67.36 38.02
    PcCSTL[22] 84.27 71.10 41.03
    本文模型 85.99 73.39 43.93
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    表  5  不同$k$值条件下模型的开集识别性能

    $k$ 查准率(%) 查全率(%) F1分数(%) 准确率(%)
    16 93.65 80.78 86.00 90.15
    32 95.02 80.03 86.30 90.56
    64 92.45 87.92 88.41 91.59
    96 88.69 85.24 85.71 88.16
    128 94.06 74.67 82.31 87.87
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    表  6  不同极值样本选取比例条件下模型的开集识别性能(%)

    选取比例 查准率 查全率 F1分数 准确率
    5 93.55 83.66 87.63 91.05
    10 93.30 84.03 87.72 91.07
    20 92.45 87.29 88.41 91.59
    30 93.90 83.34 87.62 91.09
    40 94.09 82.71 87.35 90.97
    50 94.49 81.99 87.11 90.86
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    表  7  不同网格搜索步长对搜索时长和搜索精度的影响

    搜索步长 搜索时长(s) F1分数(%)
    1e–5 3.872 243 88.41
    1e–4 0.633 015 88.41
    1e–3 0.064 913 88.25
    1e–2 0.008 936 87.94
    5e–1 0.000 677 86.75
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-11-20
  • 修回日期:  2025-04-30
  • 网络出版日期:  2025-05-16
  • 刊出日期:  2025-06-30

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