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联合亮点和轨迹特征的水下慢速小目标分类方法

杨盼 赖凯 刘雄厚 王斌 杨益新

杨盼, 赖凯, 刘雄厚, 等. 联合亮点和轨迹特征的水下慢速小目标分类方法[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(3): 1-11 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0054
引用本文: 杨盼, 赖凯, 刘雄厚, 等. 联合亮点和轨迹特征的水下慢速小目标分类方法[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(3): 1-11 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0054
Yang Pan, LAI Kai, LIU Xionghou, WANG Bin, YANG Yixin. Underwater Low-speed Small Targets Classification Using Highlights and Tracking Trajectory[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0054
Citation: Yang Pan, LAI Kai, LIU Xionghou, WANG Bin, YANG Yixin. Underwater Low-speed Small Targets Classification Using Highlights and Tracking Trajectory[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0054

联合亮点和轨迹特征的水下慢速小目标分类方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0054
基金项目: 国家自然科学基金项目(U2341203, 12274346); 国家重点研发计划项目(2016YFC1400200).
详细信息
    作者简介:

    杨盼:杨 盼(2003-), 女, 在读博士, 主要研究方向为水下小目标探测与识别

    通讯作者:

    刘雄厚(1985-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向为水下小目标探测与识别.

  • 中图分类号: TJ630;U663

Underwater Low-speed Small Targets Classification Using Highlights and Tracking Trajectory

  • 摘要: 针对水下慢速小目标分类任务中, 传统统计学习方法仅依靠人工轨迹特征、特征表达单一、分类效果受限的问题, 文中提出融合距离维亮点特征与跟踪轨迹特征的联合分类方法。该方法从主动声呐回波中提取基于物理散射特性的距离维亮点特征, 补充目标静态属性信息; 同时提取轨迹特征以描述目标动态运动行为。实现动静特征互补, 解决单一特征信息不足的缺陷。在此基础上, 采用适用于小样本条件的统计学习方法构建分类器, 并通过蒙特卡洛实验验证方法稳定性。外场历史数据样本和场景化仿真联合验证结果表明, 所提轨迹-亮点联合特征分类方法的平均精确率从79.7%提升至85.4%, 平均召回率从84.4%提升至89.1%, 平均F1分数从81.6%提升至87.0%, 有效改善了传统方法因特征表达不充分而导致的水下慢速小目标分类性能不足的问题。

     

  • 图  1  蛙人目标多亮点散射模型

    Figure  1.  Multi-highlight scattering model of frogman target

    图  2  UUV目标多亮点散射模型

    Figure  2.  Scattering model of UUV target multi-highlight

    图  3  水面船目标多亮点散射模型

    Figure  3.  Scattering model of surface ship multi-highlight

    图  4  轨迹-亮点联合特征矩阵

    Figure  4.  Trajectory-highlight joint characteristic matrix

    图  5  各次蒙特卡洛实验分类性能曲线图

    Figure  5.  Classification performance curves of each monte carlo experiment

    图  6  单次亮点-轨迹联合特征混淆矩阵

    Figure  6.  Confusion matrix of single experiment for highlights and tracking joint characteristics

    表  1  跟踪轨迹特征

    Table  1.   Characteristics of tracking trajectory

    跟踪轨迹特征 描述
    局部特征符号释义平均值、中位数、
    最大值、最小值、
    标准差
    $ {v}_{i} $速度
    $ {D}_{i} $偏移距离
    $ {s}_{i} $方向变化率
    全局特征L起止点间距离
    R轨迹点间距离之和
    $ \rho $曲率
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    表  2  距离维亮点特征

    Table  2.   Distance highlight features

    距离维亮点特征描述
    全局特征符号释义
    M亮点数量
    T亮点时间展宽
    局部特征$ \Delta {t}_{i} $亮点间距特征均值、标准差、
    相关系数、偏度
    $ {S}_{i} $亮点强度分布特征均值、标准差、峰值比、
    强弱亮点比例
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    表  3  100次实验平均分类性能表

    Table  3.   Average classification performance table over 100 experiments

    多分类SVM 仅轨迹
    特征
    仅亮点
    特征
    轨迹-亮点
    联合特征
    蛙人精确率/%78.045.879.8
    召回率/%80.671.783.4
    F1分数/%79.356.181.6
    UUV精确率/%57.859.968.0
    召回率/%78.650.783.9
    F1分数/%66.654.975.1
    水面船精确率/%88.675.198.7
    召回率/%92.561.495.3
    F1分数/%90.567.597.0
    其他精确率/%94.466.395.2
    召回率/%85.964.993.6
    F1分数/%89.965.694.4
    平均精确率/%79.761.885.4
    平均召回率/%84.462.289.1
    平均F1分数/%81.661.087.0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-03-17
  • 修回日期:  2026-04-29
  • 录用日期:  2026-05-11
  • 网络出版日期:  2026-05-18
图(6) / 表(3)

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