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基于水下无人平台的单波束声呐小目标识别算法

徐琳彭 马靖雯 曲国瑞 杜伟东 周天 于晓阳

徐琳彭, 马靖雯, 曲国瑞, 等. 基于水下无人平台的单波束声呐小目标识别算法[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(3): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0061
引用本文: 徐琳彭, 马靖雯, 曲国瑞, 等. 基于水下无人平台的单波束声呐小目标识别算法[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(3): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0061
XU Linpeng, MA Jingwen, QU Guorui, DU Weidong, ZHOU Tian, YU Xiaoyang. Single-Beam Sonar Small Target Recognition Algorithm Based on Underwater Unmanned Platform[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0061
Citation: XU Linpeng, MA Jingwen, QU Guorui, DU Weidong, ZHOU Tian, YU Xiaoyang. Single-Beam Sonar Small Target Recognition Algorithm Based on Underwater Unmanned Platform[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0061

基于水下无人平台的单波束声呐小目标识别算法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0061
基金项目: 重点研发计划“智能传感器”专项“耐压低噪MEMS水声传感器”(2024YFB3212900); 国家自然科学基金(42306212,U2441254).
详细信息
    作者简介:

    徐琳彭(2002-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为高频声呐信号处理

    通讯作者:

    于晓阳(1990-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为水下高频声学智能感知.

  • 中图分类号: TJ630; U666.7

Single-Beam Sonar Small Target Recognition Algorithm Based on Underwater Unmanned Platform

  • 摘要: 针对水下无人平台载荷能力有限、声呐数据样本稀缺导致小目标识别困难的问题, 提出一种适配水下无人平台小样本条件下的单波束声呐信号目标识别算法。该算法基于主动声呐目标单波束回波信号, 提取波形的时域和频域多维特征, 通过相关性分析与主成分分析降维完成有效特征选择, 并结合随机森林分类器, 实现了小样本训练集下的目标高精度识别。水池实验数据测试结果表明, 相较多种基于多波束声呐图像联合深度学习的方法, 文中算法在更小的训练集下, 精确率达99.42%、召回率 99.39%、F1 值 99.39%、准确率 99.39%。文中方法具有计算量小、运行速度快、可解释性强等优势, 更适合在算力与存储资源受限的水下无人平台上部署, 为水下无人平台在资源受限条件下小目标识别提供了一种高效可行的方案。

     

  • 图  1  算法流程图

    Figure  1.  Algorithm flow chart

    图  2  回波信号波形图

    Figure  2.  Waveform diagram of echo signal

    图  3  随机森林结构图

    Figure  3.  Random forest structure diagram

    图  4  实验装置示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of the experimental setup

    图  5  PCA降维可视化

    Figure  5.  PCA dimension reduction visualization

    图  6  识别结果混淆矩阵

    Figure  6.  Recognition result confusion matrix

    图  7  PC分权重分布图

    Figure  7.  PC weight distribution diagram

    表  1  特征平均相关系数

    Table  1.   Average correlation coefficient of features

    特征名称平均
    相关系数
    特征名称平均
    相关系数
    频谱峭度0.24裕度因子0.62
    带宽0.27波形峰度0.63
    频谱平坦度0.33峰值因子0.63
    上升时间0.34脉冲因子0.66
    双谱熵0.49香农熵0.66
    波形因子0.62波形熵0.66
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    表  2  模型性能评估

    Table  2.   Model performance evaluation

    数据类型 模型 训练数
    据(组)
    测试数
    据(组)
    P(%) R(%) Acc(%) F1(%)
    声呐图像 矩+SVM 385 110 97.95 97.54 97.59 97.60
    声呐图像 AlexNet 385 110 99.35 99.28 99.29 99.28
    声呐图像 VGG16 385 110 96.09 92.79 92.80 90.50
    声呐图像 ResNet50 385 110 99.36 99.39 99.36 99.36
    GAF编码 GAF-D3Net 385 110 99.64 99.63 99.65 99.63
    单波束数据 本方法 10 110 99.42 99.39 99.39 99.39
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    表  3  对比实验结果

    Table  3.   The results of the comparative experiment

    数据类型 模型 训练数
    据(组)
    测试数
    据(组)
    P(%) R(%) Acc(%) F1(%)
    声呐图像 矩+SVM 10 110 56.77 57.58 57.58 57.71
    声呐图像 AlexNet 10 110 2.78 16.67 16.67 1.77
    声呐图像 VGG16 10 110 2.78 16.67 16.67 1.77
    声呐图像 ResNet50 10 110 4.66 9.09 9.09 6.16
    GAF编码 GAF-D3Net 10 110 15.40 18.03 18.03 16.61
    单波束数据 本方法 10 110 99.42 99.39 99.39 99.39
    单波束数据 SVM 10 110 97.82 97.58 97.58 97.57
    单波束数据 KNN 10 110 98.61 98.48 98.48 98.48
    单波束数据 LDA 10 110 98.12 97.88 97.88 97.57
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    表  4  特征贡献度

    Table  4.   Feature contribution degree

    特征名称 PC1贡献度 PC2贡献度 PC3贡献度
    波形因子 0.55 0.27 −0.12
    上升时间 −0.06 0.76 0.63
    波形峰度 0.48 0.39 −0.55
    频谱峭度 0.49 −0.25 0.69
    频谱平坦度 −0.46 0.37 −0.37
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-03-27
  • 修回日期:  2026-05-02
  • 录用日期:  2026-05-11
  • 网络出版日期:  2026-05-19
图(7) / 表(4)

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