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基于伪标签增强与多特征融合的毫米波雷达无人机检测

鲁亚宁,  张生军,  于钱米,  李洪明

鲁亚宁,张生军,于钱米,等. 基于伪标签增强与多特征融合的毫米波雷达无人机检测[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(9):3172-3182
引用本文: 鲁亚宁,张生军,于钱米,等. 基于伪标签增强与多特征融合的毫米波雷达无人机检测[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(9):3172-3182
Lu Y N,Zhang S J,Yu Q M,et al. Pseudo-label enhanced multi-feature fusion for millimeter-wave radar UAV detection[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(9):3172-3182 (in Chinese)
Citation: Lu Y N,Zhang S J,Yu Q M,et al. Pseudo-label enhanced multi-feature fusion for millimeter-wave radar UAV detection[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(9):3172-3182 (in Chinese)

基于伪标签增强与多特征融合的毫米波雷达无人机检测

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2025.0429
基金项目: 

江西省地质局青年科学技术带头人培养计划项目(2022JXDZKJRC07);江西省地质局科技计划项目(2021AA04);重庆市自然科学基金(CSTB2024NSCQ-MSX0275)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:sjzhang@cqjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TN957.51

Pseudo-label enhanced multi-feature fusion for millimeter-wave radar UAV detection

Funds: 

Youth Science and Technology Leaders Training Program Project of Jiangxi Bureau of Geology (2022JXDZKJRC07); Technology Plan Project of Jiangxi Bureau of Geology (2021AA04); Chongqing Natural Science Foundation (CSTB2024NSCQ-MSX0275)

More Information
  • 摘要:

    针对毫米波雷达无人机检测领域,开展了基于多特征融合与伪标签增强的弱监督学习方法研究。采用恒定虚警率(CFAR)算法对毫米波雷达回波信号进行目标预检测,从中提取频谱能量分布特征、运动轨迹变化特征及统计分布特征,综合反映无人机的距离、速度及运动状态;利用LogitBoost提升算法构建分类模型,通过迭代加权弱分类器,有效提高了分类准确性。为缓解标注样本不足问题,进一步引入伪标签自训练机制,并通过人工辅助修正,实现了未标注数据的利用,并提升了模型的泛化能力。基于自建的毫米波雷达数据集,开展了多轮实验验证,结果表明:所提方法在3种不同场景的弱监督条件下,接收者工作特征曲线下面积(AUC)分别提升约7.2%/1.6%/6.6%,虚警率降低约36.9%/0%/10.6%,检测准确率较传统方法有显著提高。此外,所提方法表现出较强的环境适应能力,能够在复杂背景下稳定识别小型飞行目标。研究表明,多特征融合结合伪标签增强策略为毫米波雷达无人机检测提供了一种有效的解决方案,具备较高的实用价值和推广潜力。

     

  • 图 1  开阔场景

    Figure 1.  Open field scene

    图 2  金属障碍物场景

    Figure 2.  Scene with metal obstacles

    图 3  树木障碍物场景

    Figure 3.  Scene with tree obstacles

    图 4  开阔场景下的特征重要性

    Figure 4.  Feature importance under open field

    图 5  金属障碍物场景下的特征重要性

    Figure 5.  Feature importance under metal obstacle

    图 6  树木障碍物场景下的特征重要性

    Figure 6.  Feature importance under tree obstacle

    图 7  实验流程框架

    Figure 7.  Experimental process framework

    图 8  开阔场景下的ROC曲线和AUC

    Figure 8.  ROC curve and AUC under open field

    图 9  金属障碍物场景下的ROC曲线和AUC

    Figure 9.  ROC curve and AUC under metal obstacle

    图 10  树木障碍物场景下的ROC曲线和AUC

    Figure 10.  ROC curve and AUC under tree obstacle

    表  1  硬件平台各模块介绍及说明

    Table  1.   Introduction and description of each module in the hardware platform

    模块设备说明
    毫米波雷达AWR2243+DCA10003T4R MIMO,支持IF数据采集
    相机Realsense D435获取RGB+D(深度)图像,
    用于同步与辅助标注
    无人机平台DJI MINI 2SE四旋翼无人机
    支撑设备三脚架、激光尺雷达定位与高度标定
    可选扩展GPS/RTK/IMU模块提升轨迹精度(用于对齐与评估,
    本次未使用)
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    表  2  各动作任务编号及动作分类

    Table  2.   Numbering of each action task and action classification

    编号动作类型动作描述
    A1起飞悬停起飞至1~3 m,悬停30 s
    A2缓慢匀速左右飞行起飞至3~10 m,左右缓慢飞行
    A3缓慢匀速上下飞行起飞至3~10 m,上下缓慢飞行
    A4快速无规则飞行起飞至10~25 m/25~35 m/35~50 m,
    无规则快速飞行
    A5遮挡穿越在金属、树木障碍物之前、之后运动
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    表  3  模型及其数据集

    Table  3.   Model and its dataset

    阶段输入特征集目标
    基础模型$ {M}_{0} $X_label,Y_label仅用真实标签训练初始分类器
    增强模型$ {M}_{\text{pseudo}} $X_pseudo,Y_pseudo引入置信伪标签+人工选取阈值
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    表  4  数据集构成与划分

    Table  4.   Dataset composition and partitioning

    数据集类型 帧数 用途
    已标注训练集(X_label) 900×2×m帧(900×m帧正样本,900×m帧负样本) 用于基础模型训练
    未标注集(X_unlabel) 900×2×n帧(900×n帧正样本,900×n帧负样本) 采用伪标签方法提取可信帧,
    增强训练集
    测试集(X_test) 900×2×o帧(900×o帧正样本,900×o帧负样本) 包含均衡的正负样本,用于
    最终性能评估
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    表  5  仿真参数与实验设置汇总

    Table  5.   Summary of simulation parameters and experimental settings

    参数类别 参数名称 取值 场景适配性
    雷达参数中心频率/GHz$77$全场景统一
    ADC采样率/MHz$ 10 $全场景统一
    发射/接收天线数3发射,4接收全场景统一
    信号参数chirp个数$ 64 $全场景统一
    chirp采样点数$256 $全场景统一
    chirp调频斜率/(GHz·μs−1)29.982全场景统一
    模型参数LogitBoost迭代次数70/100/50开阔/金属/树木场景分别设定
    伪标签正类阈值$ -12.128/-6.573/6.205 $开阔/金属/树木场景分别设定
    伪标签负类阈值$-6.827/-11.046/-9.495 $开阔/金属/树木场景分别设定
    运动特征滑窗5全场景统一
    采集参数雷达距地高度/m1.2~1.5全场景统一
    无人机飞行距离/m5/15/25/35/50全场景覆盖
    每.bin文件帧数900全场景统一
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-07-02
  • 录用日期:  2025-10-24
  • 网络出版日期:  2025-12-03
  • 整期出版日期:  2026-09-01

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