兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 240380-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0380
董毅1, 孔筱芳1,*(), 罗红娥1,**(
), 弯港1, 夏言1, 万敏杰2,3
上线日期:
2025-06-28
通讯作者:
基金资助:
DONG Yi1, KONG Xiaofang1,*(), LUO Hong’e1,**(
), WAN Gang1, XIA Yan1, WAN Minjie2,3
Online:
2025-06-28
摘要:
在高速射弹测试领域,射弹的极高速度使探测技术面临显著挑战,实时检测与定位射弹的能力受限。由于射弹实验布设复杂、成本高昂,引起射弹检测可用数据集的稀缺。针对上述问题,搭建跨介质射弹入水测试系统,使用高速相机捕捉射弹,制作跨介质射弹数据集并采用数据增强的方法扩充现有数据集。针对射弹入水瞬间检测精度相较于射弹在空气和水中检测精度明显降低的问题,提出一种基于坐标注意力机制的跨介质小目标检测方法。该方法在高精度识别射弹小目标的基础上,替换传统的卷积为深度可分离卷积,在检测精度、速度和模型复杂度之间实现了良好的平衡。实验结果表明,新方法在射弹入水瞬间的检测精度提升了2.68%,召回率提升了7.31%,为跨介质高速小目标检测提供了解决方法。
中图分类号:
董毅, 孔筱芳, 罗红娥, 弯港, 夏言, 万敏杰. 基于坐标注意力机制的轻量化跨介质高速小目标检测方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240380-.
DONG Yi, KONG Xiaofang, LUO Hong’e, WAN Gang, XIA Yan, WAN Minjie. Lightweight Transmedia High-speed Small Target Detection Method Based on Coordinate Attention Mechanism[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240380-.
工况编号 | 发射压力/MPa | 波长/m | 波陡/% | 发射角度/(°) |
---|---|---|---|---|
1 | 4.0 | 30 | ||
2 | 4.0 | 1.9 | 3.0 | 30 |
3 | 4.0 | 1.9 | 4.5 | 30 |
4 | 4.0 | 1.9 | 6.0 | 30 |
5 | 4.5 | 30 | ||
6 | 4.5 | 1.9 | 3.0 | 30 |
7 | 4.5 | 1.9 | 4.5 | 30 |
8 | 4.5 | 1.9 | 6.0 | 30 |
9 | 5.0 | 30 | ||
10 | 5.0 | 1.9 | 3.0 | 30 |
11 | 5.0 | 1.9 | 4.5 | 30 |
12 | 5.0 | 1.9 | 6.0 | 30 |
表1 工况表
Table 1 Working conditions
工况编号 | 发射压力/MPa | 波长/m | 波陡/% | 发射角度/(°) |
---|---|---|---|---|
1 | 4.0 | 30 | ||
2 | 4.0 | 1.9 | 3.0 | 30 |
3 | 4.0 | 1.9 | 4.5 | 30 |
4 | 4.0 | 1.9 | 6.0 | 30 |
5 | 4.5 | 30 | ||
6 | 4.5 | 1.9 | 3.0 | 30 |
7 | 4.5 | 1.9 | 4.5 | 30 |
8 | 4.5 | 1.9 | 6.0 | 30 |
9 | 5.0 | 30 | ||
10 | 5.0 | 1.9 | 3.0 | 30 |
11 | 5.0 | 1.9 | 4.5 | 30 |
12 | 5.0 | 1.9 | 6.0 | 30 |
参数 | 数值 |
---|---|
传感器分辨率 | 1280×960 |
位深度/位 | 12 |
像素大小/μm | 20 |
传感器尺寸/mm | 25.6×16 |
帧频/(帧·s-1) | 4000 |
曝光时间/μs | 20 |
表2 VEO 640L高速相机主要参数
Table 2 Main parameters of VEO 640L high-speed camera
参数 | 数值 |
---|---|
传感器分辨率 | 1280×960 |
位深度/位 | 12 |
像素大小/μm | 20 |
传感器尺寸/mm | 25.6×16 |
帧频/(帧·s-1) | 4000 |
曝光时间/μs | 20 |
实验设备 | 配置参数 |
---|---|
操作系统 | Windows10 |
中央处理器CPU | 12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700 2.10GHz |
图形处理器GPU | NVIDIA GeForce RTX 4070Ti |
显存 | 12GB |
深度学习框架 | Pytorch |
编程语言 | Python 3.9 |
GPU加速器 | CUDA 12.1 |
表3 软硬件配置
Table 3 Hardware and software configuration
实验设备 | 配置参数 |
---|---|
操作系统 | Windows10 |
中央处理器CPU | 12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700 2.10GHz |
图形处理器GPU | NVIDIA GeForce RTX 4070Ti |
显存 | 12GB |
深度学习框架 | Pytorch |
编程语言 | Python 3.9 |
GPU加速器 | CUDA 12.1 |
工况及平均 置信度 | 发射压力/MPa | 波陡/% | 发射角度/(°) | 检测置信度 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
射弹在空气中 | 射弹入水瞬间 | 射弹在水中 | ||||
工况1 | 4.0 | 3.0 | 30 | 0.85 | 0.83 | 0.91 |
工况2 | 4.0 | 4.5 | 30 | 0.88 | 0.79 | 0.94 |
工况3 | 4.0 | 6.0 | 30 | 0.93 | 0.86 | 0.95 |
工况4 | 4.5 | 3.0 | 30 | 0.94 | 0.56 | 0.94 |
工况5 | 4.5 | 4.5 | 30 | 0.88 | 0.89 | 0.94 |
工况6 | 4.5 | 6.0 | 30 | 0.96 | 0.80 | 0.94 |
平均置信度 | 0.91 | 0.79 | 0.94 |
表4 射弹识别置信度
Table 4 Projectile identification confidence levels
工况及平均 置信度 | 发射压力/MPa | 波陡/% | 发射角度/(°) | 检测置信度 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
射弹在空气中 | 射弹入水瞬间 | 射弹在水中 | ||||
工况1 | 4.0 | 3.0 | 30 | 0.85 | 0.83 | 0.91 |
工况2 | 4.0 | 4.5 | 30 | 0.88 | 0.79 | 0.94 |
工况3 | 4.0 | 6.0 | 30 | 0.93 | 0.86 | 0.95 |
工况4 | 4.5 | 3.0 | 30 | 0.94 | 0.56 | 0.94 |
工况5 | 4.5 | 4.5 | 30 | 0.88 | 0.89 | 0.94 |
工况6 | 4.5 | 6.0 | 30 | 0.96 | 0.80 | 0.94 |
平均置信度 | 0.91 | 0.79 | 0.94 |
网络模型 | mAP0.5/ % | 参数量/ 百万 | FLOPS/ Giga | 帧频/ Hz |
---|---|---|---|---|
Faster R-CNN(ResNet) | 97.12 | 41.36 | 269.00 | 14.36 |
Faster R-CNN(MobileNet) | 86.74 | 82.36 | 137.48 | 21.36 |
YOLOv3SPP | 94.18 | 62.58 | 117.12 | 41.73 |
YOLOv7 | 95.43 | 37.62 | 106.47 | 73.88 |
表5 不同模型的评价指标数值
Table 5 Values of evaluation indicators for different models
网络模型 | mAP0.5/ % | 参数量/ 百万 | FLOPS/ Giga | 帧频/ Hz |
---|---|---|---|---|
Faster R-CNN(ResNet) | 97.12 | 41.36 | 269.00 | 14.36 |
Faster R-CNN(MobileNet) | 86.74 | 82.36 | 137.48 | 21.36 |
YOLOv3SPP | 94.18 | 62.58 | 117.12 | 41.73 |
YOLOv7 | 95.43 | 37.62 | 106.47 | 73.88 |
图像数据增强方法 | P/% | R/% | mAP0.5/% |
---|---|---|---|
原始数据 | 81.4 | 85.37 | 92.83 |
图像扩充 | 90.87 | 81.39 | 94.33 |
图像扩充+CLAHE | 91.89 | 82.93 | 95.43 |
表6 数据增强对泛化能力的影响
Table 6 Effect of data enhancement on generalization ability
图像数据增强方法 | P/% | R/% | mAP0.5/% |
---|---|---|---|
原始数据 | 81.4 | 85.37 | 92.83 |
图像扩充 | 90.87 | 81.39 | 94.33 |
图像扩充+CLAHE | 91.89 | 82.93 | 95.43 |
网络模型 | CA | DSC | Params/ M | FLOPS/ G | mAP0.5/ % | P/ % | R/ % |
---|---|---|---|---|---|---|---|
YOLOv7 | 37.62 | 106.47 | 95.43 | 91.89 | 82.93 | ||
√ | 30.15 | 97.77 | 93.00 | 87.50 | 85.37 | ||
√ | √ | 30.41 | 97.79 | 95.52 | 94.87 | 90.24 |
表7 不同改进方法对模型性能的影响
Table 7 Effects of different improvement methods on model performance
网络模型 | CA | DSC | Params/ M | FLOPS/ G | mAP0.5/ % | P/ % | R/ % |
---|---|---|---|---|---|---|---|
YOLOv7 | 37.62 | 106.47 | 95.43 | 91.89 | 82.93 | ||
√ | 30.15 | 97.77 | 93.00 | 87.50 | 85.37 | ||
√ | √ | 30.41 | 97.79 | 95.52 | 94.87 | 90.24 |
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