<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">radioelectronics</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Journal of the Russian Universities. Radioelectronics</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">1993-8985</issn><issn pub-type="epub">2658-4794</issn><publisher><publisher-name>Saint Petersburg Electrotechnical University</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.32603/1993-8985-2025-28-2-45-56</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">radioelectronics-994</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>RADAR AND NAVIGATION</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Анализ классификационных признаков объектов военной техники набора MSTAR, выявляемых глубокой сверточной нейронной сетью в процессе обучения</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Analysis of MSTAR Object Classification Features Extracted by a Deep Convolutional Neural Network</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Купряшкин</surname><given-names>И. Ф.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Kupryashkin</surname><given-names>I. F.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>Купряшкин Иван Федорович – доктор технических наук (2017), доцент (2011), начальник кафедры боевого применения средств РЭБ (с воздушно-космическими системами управления и наводящимся оружием</p><p>ул. Старых Большевиков, д. 54 А, Воронеж, 394064</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Ivan F. Kupryashkin, Dr Sci. (Eng.) (2017), Associate Professor (2011), Head of the Department of Сombat Use of Electronic Warfare Systems (with Aerospace Control Systems and Guided Weapons)</p><p>54 A, Starykh Bolshevikov St., Voronezh 394064</p></bio><email xlink:type="simple">ifk78@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина"</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Military Educational and Scientific Center of the Air Force "N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin Air Force Academy"</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2025</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>03</day><month>05</month><year>2025</year></pub-date><volume>28</volume><issue>2</issue><fpage>45</fpage><lpage>56</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Купряшкин И.Ф., 2025</copyright-statement><copyright-year>2025</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Купряшкин И.Ф.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Kupryashkin I.F.</copyright-holder><license xml:lang="ru" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.</license-p></license><license xml:lang="en" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://re.eltech.ru/jour/article/view/994">https://re.eltech.ru/jour/article/view/994</self-uri><abstract><p>Введение. Одним из наиболее эффективных инструментов для решения задачи классификации отметок объектов на радиолокационных изображениях являются нейронные сети. Однако процесс принятия ими решения непрозрачен, в связи с чем определение классификационных признаков объектов, вносящих существенный вклад в результат работы сети, – актуальная задача, составляющая часть общей проблемы "объяснимого искусственного интеллекта".Цель работы. Определение классификационных признаков объектов военной техники, выявляемых глубокой сверточной нейронной сетью в процессе обучения.Материалы и методы. Обучение и тестирование нейронной сети осуществлено с использованием фреймворков Keras и Tensorflow 2.0. В качестве датасета использована открытая часть набора радиолокационных изображений MSTAR. Для определения классификационных признаков использован метод GradCAM.Результаты. В случае изображений с неподавленным фоном собственно отметка объекта вносит определяющий вклад в результат классификации только для 58 % изображений, для 6 % результат в основном обусловлен радиолокационной тенью объекта, а для 25 % – фоном местности. Для 11 % изображений наиболее выраженный классификационный признак установить не удалось. Для изображений с подавленным фоном результат классификации обусловлен распределением яркости в пределах отметки примерно в 60 % случаев, а ее контуром – в 40 % случаев.Заключение. Особенность набора MSTAR в том, что каждый класс представлен набором изображений одного и того же реального объекта при различных ракурсах съемки. Следствием этого являются локальные особенности фона, не заметные для человека, уникальные для каждого класса объектов и способные внести определяющий вклад в результат обучения нейронной сети. Показано, что подавление фона и снижение размерности изображений устраняет этот эффект. Из полученных результатов также следует целесообразность проведения дальнейших исследований возможностей методов XAI применительно к современным нейросетевым детекторам и датасетам радиолокационных изображений.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>Introduction. Deep convolutional neural networks are effective tools for classifying objects on radar images; however, their decision-making process is not transparent. This makes the determination of classification features of objects that affect the entire network operation a relevant research task. Such a study contributes to the field of explainable AI (XAI). Aim. Determination of the classification features of military objects, detected by a deep convolutional neural network during training. Materials and methods. The convolutional neural network was designed, trained, and tested using Keras and Tensorflow 2.0 libraries on the open part of the MSTAR dataset. The GradCAM method was used to visualize and determine the classification features of objects in the dataset. Results. When using MSTAR images with an unsuppressed background, the object itself makes a significant contribution to the classification result only for 58 % of the images. For 6 % of the images, the classification result is determined by the object radar shadow, and for 25 % of images – by the background. For 11 % of the images, the most significant classification feature could not be established. For images with a suppressed background, in 60 and 40 % of the cases, brightness distribution and the object contour, respectively, made the main contribution to the classification result. Conclusion. In the MSTAR dataset, each class of objects is represented by a set of radar images of the same real object from different view angles. This determines local background features, invisible to humans and unique to each class of objects. These features have a significant effect of the training outcome of the neural network. This effect can be eliminated by suppressing the background and reducing the image dimensionality. The obtained results also suggest the feasibility of further research into the XAI capabilities in relation to modern neural detectors and radar image datasets.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>глубокая сверточная нейронная сеть</kwd><kwd>радиолокационное изображение</kwd><kwd>классификационный признак</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>deep convolutional neural network</kwd><kwd>radar image</kwd><kwd>classification feature</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Deep Learning Meets SAR / X. Zhu, S. Montazeri, M. Ali, Yu. Hua, Yu. Wang, L. Mou, Yi. Shi, F. Xu, R. Bamler. URL: https://arxiv.org/abs/2006.10027 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhu X., Montazeri S., Ali M., Hua Yu., Wang Yu., Mou L., Shi Yi., Xu F., Bamler R. Deep Learning Meets SAR. Available at: https://arxiv.org/abs/2006.10027 (accessed 10.03.2025).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Deep Learning for SAR Image Classification / H. Anas, H. Majdoulayne, A. Chaimae, S. M. Nabil // Intelligent Systems and Applications. IntelliSys 2019. Advances in Intelligent Systems and Computing. Vol. 1037. Cham: Springer, 2020. P. 890–898. doi: 10.1007/978-3-030-29516-5_67</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Anas H., Majdoulayne H., Chaimae A., Nabil S. M. Deep Learning for SAR Image Classification. Intelligent Systems and Applications. IntelliSys 2019. Advances in Intelligent Systems and Computing. Vol. 1037. Cham, Springer, 2020, pp. 890–898. doi: 10.1007/978-3-030-29516-5_67</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Deep Learning for SAR Ship Detection: Past, Present and Future / J. Li, C. Xu, H. Su, L. Gao, T. Wang // Remote Sensing. 2022. Vol. 14, iss. 11. Art. № 2712. doi: 10.3390/rs14112712</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Li J., Xu C., Su H., Gao L., Wang T. Deep Learning for SAR Ship Detection: Past, Present and Future. Remote Sensing. 2022, vol. 14, iss. 11, art. no. 2712. doi: 10.3390/rs14112712</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Target Detection and Recognition in Synthetic Aperture Radar Images Using YOLO Deep Learning Methods / Wu T.-D., Wang H.-F., Hsu P.-H., Tiong K.-K., Chang L.-C., Chang C.-H. // Intern. Conf. on Consumer Electronics, PingTung, Taiwan, 17–19 July 2023. IEEE, 2023. P. 593–594. doi: 10.1109/ICCE-Taiwan58799.2023.10226736</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Wu T.-D., Wang H.-F., Hsu P.-H., Tiong K.-K., Chang L.-C., Chang C.-H. Target Detection and Recognition in Synthetic Aperture Radar Images Using YOLO Deep Learning Methods. Intern. Conf. on Consumer Electronics, PingTung, Taiwan, 17–19 July 2023. IEEE, 2023, pp. 593–594. doi: 10.1109/ICCE-Taiwan58799.2023.10226736</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Yu C., Shin Y. SMEP-DETR: Transformer-Based Ship Detection for SAR Imagery with Multi-Edge Enhancement and Parallel Dilated Convolutions // Remote Sensing. 2025. Vol. 17, iss. 6. Art. № 953. doi: 10.3390/rs17060953</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Yu C., Shin Y. SMEP-DETR: Transformer-Based Ship Detection for SAR Imagery with Multi-Edge Enhancement and Parallel Dilated Convolutions. Remote Sensing. 2025, vol. 17, iss. 6, art. no. 953. doi: 10.3390/rs17060953</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">A Ship Detection Method via Redesigned FCOS in Large-Scale SAR Images / M. Zhu, G. Hu, H. Zhou, S. Wang, Z. Feng, S. Yue // Remote Sensing. 2022. Vol. 14, iss. 5. Art. № 1153. doi: 10.3390/rs14051153</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhu M., Hu, G., Zhou H., Wang, S., Feng Z., Yue S. A Ship Detection Method via Redesigned FCOS in Large-Scale SAR Images. Remote Sensing. 2022, vol. 14, iss. 5, art. no. 1153. doi: 10.3390/rs14051153</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">SARATR-X: A Foundation Model for Synthetic Aperture Radar Images Target Recognition / W. Li, W. Yang, Y. Hou, L. Liu, X. Liu, X. Li. URL: https://arxiv.org/html/2405.09365v1 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Li W., Yang W., Hou Y., Liu L., Liu X., Li X. SARATR-X: A Foundation Model for Synthetic Aperture Radar Images Target Recognition. Available at: https://arxiv.org/html/2405.09365v1 (accessed 10.03.2025).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Мишра П. Объяснимые модели искусственного интеллекта на Python. Модель искусственного интеллекта. Объяснения с использованием библиотек, расширений и фреймворков на основе языка Python. М.: ДМК Пресс, 2022. 298 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Mishra P. Ob'yasnimyye modeli iskusstvennogo intellekta na Python. Model' iskusstvennogo intel-lekta. Ob'yasneniya s ispol'zovaniyem bibliotek, rasshireniy i freymvorkov na osnove yazyka Python [Practical Explainable AI Using Python: Artificial Intelligence Model Explanations Using Python-based Libraries, Extensions, and Frameworks]. Moscow, DMK Press, 2022, 298 p. (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Self-Matching CAM: A Novel Accurate Visual Explanation of CNNs for SAR Image Interpretation / Z. Feng, M. Zhu, L. Stankovic, H. Ji // Remote Sensing. 2021. Vol. 13, iss. 9. Art. № 1772. doi: 10.3390/rs13091772</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Feng Z., Zhu M., Stankovic L., Ji H. Self-Matching CAM: A Novel Accurate Visual Explanation of CNNs for SAR Image Interpretation. Remote Sensing. 2021, vol. 13, iss. 9, art. no. 1772. doi: 10.3390/rs13091772</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">LIME-Based Data Selection Method for SAR Images Generation Using GAN / M. Zhu, B. Zang, L. Ding, T. Lei, Z. Feng, J. Fan // Remote Sensing. 2022. Vol. 14, iss. 1. Art. № 204. doi: 10.3390/rs14010204</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhu M., Zang B., Ding L., Lei T., Feng Z., Fan J. LIME-Based Data Selection Method for SAR Images Generation Using GAN. Remote Sensing. 2022, vol. 14, iss. 1, art. no. 204. doi: 10.3390/rs14010204</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Fein-Ashley J., Kannan R., Prasanna V. Studying the Effects of Self-Attention on SAR Automatic Target Recognition. URL: https://arxiv.org/abs/2409.00473 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Fein-Ashley J., Kannan R., Prasanna V. Studying the Effects of Self-Attention on SAR Automatic Target Recognition. Available at: https://arxiv.org/abs/2409.00473 (accessed 10.03.2025).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Taufique A. M. N., Nagananda N., Savakis A. Visualization of Deep Transfer Learning in SAR Imagery. URL: https://arxiv.org/abs/2103.11061 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Taufique A. M. N., Nagananda N., Savakis A. Visualization of Deep Transfer Learning in SAR Imagery. Available at: https://arxiv.org/abs/2103.11061 (accessed 10.03.2025).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">SARDet-100K: Towards Open-Source Benchmark and ToolKit for Large-Scale SAR Object Detection / Y. Li, X. Li, W. Li, Q. Hou, L. Liu, M.-M. Cheng, J. Yang. URL: https://arxiv.org/abs/2403.06534 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Li Y., Li X., Li W., Hou Q., Liu L., Cheng M.-M., Yang J. SARDet-100K: Towards Open-Source Benchmark and ToolKit for Large-Scale SAR Object Detection. Available at: https://arxiv.org/abs/2403.06534 (accessed 10.03.2025).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kechagias-Stamatis O., Aouf N. Automatic Target Recognition on Synthetic Aperture Radar Imagery: A Survey. URL: https://arxiv.org/abs/2007.02106 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kechagias-Stamatis O., Aouf N. Automatic Target Recognition on Synthetic Aperture Radar Imagery: A Survey. Available at: https://arxiv.org/abs/2007.02106 (accessed 10.03.2025).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">NUDT4MSTAR: A New Dataset and Benchmark Towards SAR Target Recognition in the Wild / Y. Liu, W. Li, L. Liu, J. Zhou, X. Xiong, B. Peng, Y. Song, W. Yang, T. Liu, Z. Liu, X. Li. URL: https://arxiv.org/abs/2501.13354 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Liu Y., Li W., Liu L., Zhou J., Xiong X., Peng B., Song Y., Yang W., Liu T., Liu Z., Li X. NUDT4MSTAR: A New Dataset and Benchmark Towards SAR Target Recognition in the Wild. Available at: https://arxiv.org/abs/2501.13354 (accessed 10.03.2025).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Купряшкин И. Ф., Мазин А. С. Визуализация шаблонов максимальной активации фильтров сверточной нейронной сети в задаче классификации зашумленных радиолокационных изображений объектов // Цифровая обработка сигналов. 2021. № 4. С. 42–47.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kupryashkin I. F., Mazin A. S. Visualization of Convolutional Neural Network Patterns in the Noisy Radar Images Classification Problem. Digital Signal Processing. 2021, no. 4, pp. 42–47. (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Шолле Ф. Глубокое обучение на Python. СПб.: Питер, 2018. 400 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Chollet F. Deap Learning with Python. Shelter Island, Manning Publications, 2017, 384 p.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit18"><label>18</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Grad-CAM: Visual Explanations from Deep Networks via Gradient-based Localization / R. R. Selvaraju, M. Cogswell, A. Das, R. Vedantam, D. Parikh, D. Batra. URL: https://arxiv.org/abs/1610.02391 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Selvaraju R. R., Cogswell M., Das A., Vedantam R., Parikh D., Batra D. Grad-CAM: Visual Explanations from Deep Networks via Gradient-based Localization. Available at: https://arxiv.org/abs/1610.02391 (accessed 24.10.2024).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit19"><label>19</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Купряшкин И. Ф. Cравнительные результаты точности классификации радиолокационных изображений объектов набора MSTAR сверточными нейронными сетями с различными архитектурами // Журн. радиоэлектроники. 2021. № 11. С. 1–27. doi: 10.30898/1684-1719.2021.11.14</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kupryashkin I. F. Сomparative Results of the Classification Accuracy of MSTAR Dataset Radar Images by Convolutional Neural Networks with Different Architectures. J. of Radio Electronics. 2021, no. 11, pp. 1–27. (In Russ.) doi: 10.30898/1684-1719.2021.11.14</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit20"><label>20</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Simonyan K., Zisserman A. Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition. URL: https://arxiv.org/abs/1409.1556 (дата обращения 10.03.2025).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Simonyan K., Zisserman A. Very Deep Convolutional Networks for Large-Scale Image Recognition. Available at: https://arxiv.org/abs/1409.1556 (accessed 24.10.2024).</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
