关键词:
SAR目标识别
深度学习
知识迁移
在线域自适应
元学习
摘要:
目标识别是通过分析传感器数据对观测对象的类型或状态等属性进行判定的过程,是场景分析、行为理解等复杂信息处理的基础,在智能信息化作战、地理信息处理、智慧城市建设、无人驾驶等领域发挥着至关重要的作用。其中,合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)凭借其全天时、全天候工作以及穿云透雾等优势成为目标识别领域中重要的观测传感器。因此,研究SAR目标识别技术对社会科技进步具有重要的指导意义和实用价值。然而,考虑到SAR图像对观测角度、噪声等环境因素较为敏感,目前的SAR目标识别方法尚缺乏对目标识别环境动态变化性的深度认知,在发展泛化、高效、智能的目标识别方法的过程中仍面临着诸多问题,具体表现在:(1)目标识别模型大都依赖于大量标记数据,导致样本采集、标注和模型更新成本高;(2)样本特征差异性、目标识别环境的动态变化性造成样本数据分布在时间、空间、维度上的域差异问题,制约了目标识别模型对异构知识表征的适用性,限制了域自适应的有效性和实时性;(3)样本学习难度不均衡、多约束优化策略冲突、小样本信息特征不稳健等问题导致跨任务跨域知识迁移困难。迁移学习和元学习作为解决标注样本稀缺、域分布差异、跨任务知识迁移等问题的有效手段,有望推动SAR目标识别技术的发展,提升目标识别性能。因此,本文以SAR目标识别为研究背景,依托迁移学习和元学习为核心技术,针对上述的典型问题,展开面向SAR目标识别的迁移学习方法研究。论文的主要研究内容和贡献为:(1)为解决样本标注成本高和域差异问题,本文提出一种多视角域自适应SAR目标识别方法。该方法设计了源域知识扩充模型,基于无标记样本的辅助,对样本空间进行扩增,降低了SAR目标识别模型对标记样本的依赖性。在目标域提出一种多视角域自适应模型,基于多个视角的分类概率建立知识迁移质量评价模型,自适应地构建多视角标签集并对标签可信度进行估计,去除不一致的目标识别信息,探索最可靠的目标分类结果。该方法为源域知识有限的问题提供了解决方案,缓解了知识迁移受域差异影响而性能下降的问题,在标记样本有限的条件下有效地提升了SAR目标识别的准确率。(2)为克服知识表征的异构问题并实时感知目标环境的动态性,本文提出一种基于异构知识集成的域自适应SAR目标识别方法。在特征级建立知识集成模型,通过探索异构特征之间的公有知识和特有知识,提升了知识集成的质量。在决策级,设计特征权重以揭示异构特征的相对重要性并建立决策级知识集成模型。为实时感知目标识别环境,设计小样本在线更新策略实时更新特征权重。该方法打破了知识表征异构对目标识别的限制,完成了实时动态的域自适应,增强了SAR目标识别方法的泛化能力。(3)为缓解样本学习难度不均衡及多约束冲突问题对跨任务跨域知识迁移性能的限制,本文提出一种跨任务跨域元迁移SAR目标识别方法。其中,为克服样本学习难度不均衡对模型鉴别能力的影响,设计硬类挖掘策略,从而合理并充分地加强模型对难学习训练样本的训练强度。为克服域差异问题,设计域自适应策略,以寻求样本的域不变特征。此外,建立元学习器累积不同任务的学习经验,实现跨任务知识迁移。为缓解不同约束在优化元学习器中的冲突,采用多梯度下降算法自适应地平衡不同约束策略在模型优化中的贡献程度。该方法打破了跨任务跨域知识之间的信息壁垒,拓宽了知识迁移与共享的范围,加强了跨任务跨域知识迁移模型自主学习和自主优化的能力,从模型优化的角度拓宽了SAR目标识别方法的应用场景。(4)为突破小样本信息不稳健的局限性,本文提出一种基于层级化探索的元迁移SAR目标识别方法。其中,为在小样本条件下使样本信息和目标信息更具判别性和鲁棒性,基于全局注意力机制在特征级和样本级建立特征编码器和类别原子编码器,分别挖掘样本的深度全局性特征和目标类别稳健的类别原子,进一步寻求域不变的嵌入空间,使得目标域中的样本特征接近源域中同类的类别原子并远离不同类的类别原子,以更好地克服域差异问题。在任务级,建立元学习器学习多个任务,累积学习经验,从而培养目标识别模型跨任务知识迁移的能力,为新任务寻求域不变的嵌入空间和类别原子。该方法增强了模型对小样本信息的挖掘能力,提升了训练模型知识的质量,从数据挖掘的角度有效发挥了跨任务跨域知识迁移在SAR目标识别任务中作用。实验结果表明,本文在样本知识扩增、实时域自适应、异构知识集成、以及跨任务跨域知识迁移与共享等方面丰富了SAR目标识别理论,为构建泛化、高效、智能的SAR目标识别方法提供了有效的解决方案。