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多传感器信息融合技术进行检测

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5知

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现代化战争中的多传感器信息融合技术研究
牛志一

摘要 信息融合是对现代化信息战争具有重要意义的一门新型学科。本文介绍了多传感器信息融合的定义、原理、方法、层次和结构，提出了现代化战场信息融合系统作战体系结构和功能体系结构，对多传感器信息融合系统技术进行了较为全面的探讨
关键词 信息战争 信息融合 数据级融合 特征级融合 决策级融合

1 引言
现代科学技术在军事领域的广泛应用, 使得现代战争突破了传统模式,发展成为陆、海、空、天、电磁五位一体的立体战争。 在现代战术系统中, 依靠单一的传感器提供信息已无法满足作战需要, 必须运用多传感器提供观测信息, 实时进行目标发现、优化综合处理来获得状态估计、目标属性、态势评估、威胁估计等作战信息.
在多传感器系统中，信息表现形式多样，信息数量巨大，同时要求信息处理迅速及时，人脑的信息综合处理能力已经无法胜任，因此，一个新兴的学科——多传感器信息融合便迅速发展起来，并在现代化C4I系统和各种武器平台上得到了广泛的应用。

2 多传感器信息融合技术概述
2．1信息融合的定义
信息融合是近30年来兴起的新技术, 到现在为止对于它的定义仍然有着多种不同的说法。目前被普遍接受的有关信息融合的定义, 是1991 年由美国三军政府组织——实验室理事联合会JDL (Joint Directors of Laboratories) 提出 , 1994 年由澳大利亚DSTO (Defense Science and Techno logy Organization) 加以扩展的。 它将信息融合定义为一种多层次、多方面的处理过程, 包括对多源数据进行检测、相关、组合和估计, 从而提高状态和特性估计的精度, 以及对战场态势和威胁及其重要程度进行适时的完整评价.
2．2信息融合的基本原理
多传感器信息融合实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟，它的基本原理就是像人脑综合处理信息的过程一样，充分利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述。
2．3信息融合技术的发展
1973年，美国研究机构在国防部的资助下，开展了声纳信号理解系统的研究，这可以被看作是最早的关于信息融合方面的研究。从那以后，信息融合技术便迅速发展起来。20世纪70年代末，在公开出版的技术文献中开始出现基于多传感器信息综合意义的融合一词。1988年，美国国防部把信息融合技术列为90年代重点研究开发的二十项关键技术之一，且列为最优先发展的A类。美国三军政府组织——实验室理事联席会（JDL）下设的C3技术委员会（TP C3）专门成立了信息融合专家组来组织和指导有关的工作。有人统计, 1991 年美国已有54 个数据融合系统引入到军用电子系统中去, 其中87% 已有试验样机、试验床或已被应用。
目前世界上主要军事大国都竞相开始投入大量人力、物力和财力进行信息融合技术的研究，安排了大批研究项目，并已取得大量研究结果。到目前为止，美、英、德、法、意、日、俄等国已研制出上百个军用信息融合系统，比较典型的有：TCAC——战术指挥控制，BETA——战场利用和目标截获系统，ASAS——全源分析系统，DAGR——辅助空中作战命令分析专家系统，PART——军用双工无线电/雷达瞄准系统，AMSVI——自动多传感器部队识别系统，TRWDS——目标获取核武器输送系统，AIDD——炮兵情报数据融合和ANALYST——地面部队战斗态势评定系统等。
国内关于信息融合技术的研究则起步相对较晚。20世纪80年代初，人们开始从事多目标跟踪技术研究，到了80年代末才开始出现有关多传感器信息融合技术研究的报道。当时，人们对它的含义有着不同的理解，主要的提法有：数据合成，数据汇编，数据汇集，数据总和，数据融合等。20世纪90年代初，这一领域在国内才逐渐形成高潮。在政府、军方和各种基金部门的资助下，国内一批高校和研究所开始广泛从事这一技术的研究工作，出现了大批理论研究成果。与此同时，也有几部信息融合领域的学术专著和译著出版。到了20世纪90年代中期，信息融合技术在国内已发展成为多方关注的共性关键技术，出现了许多热门研究方向，许多学者致力于机动目标跟踪、分布监测融合、多传感器跟踪与定位、分布信息融合、目标识别与决策信息融合、态势评估与威胁估计等领域的理论及应用研究，相继出现了一批多目标跟踪系统和有初步综合能力的多传感器信息融合系统。目前新一代舰载，机载，弹载和各种C4I系统正在向多传感器信息融合方向发展，预计21世纪将有一批多传感器信息融合系统。

3 多传感器信息融合的层次和结构
3．1信息融合的层次
多传感器信息融合一般可以分为三层：数据级融合，特征级融合和决策级融合。
● 数据级融合
数据级融合又称像素级融合, 它是最低层次的融合, 是在采集到的传感器的原始信息层次上(未经处理或只做很小的处理) 进行融合, 在各种传感器的原始测报信息未经预处理之前就进行信息的综合和分析。其优点是保持了尽可能多的战场信息. 其缺点是处理的信息量大, 所需时间长, 实时性差。这种融合通常用于: 多源图像复合、图像分析和理解; 同类(同质) 雷达波形的直接合成以改善雷达信号处理的。
● 特征级融合
特征级融合属于融合的中间层次, 兼顾了数据层和决策层的优点. 它利用从传感器的原始信息中提取的特征信息进行综合分析和处理。也就是说, 每种传感器提供从观测数据中提取的有代表性的特征, 这些特征融合成单一的特征向量, 然后运用模式识别的方法进行处理. 这种方法对通信带宽的要求较低, 但由于数据的丢失使其准确性有所下降。
● 决策级融合
将多个传感器的识别结果进行融合. 这一层融合是在高层次上进行的, 融合的结果为指挥控制决策提供依据。决策层融合的优点是: 具有很高的灵活性, 系统对信息传输带宽要求较低;能有效地融合反映环境或目标各个侧面的不同类型信息, 具有很强的容错性; 通信容量小, 抗干扰能力强; 对传感器的依赖性小, 传感器可以是异质的; 融合中心处理代价低。
3．2多传感器信息融合的结构
多传感器信息融合的结构模型主要有4 种形式：集中式、分布式、混合式和分级式。
集中式结构中所有传感器将原始信息传输到融合中心, 由中央处理设施统一处理. 集中式融合的最大优点是信息损失最小, 但数据互联较困难。并且它只有当接受到来自所有的传感器信息后, 才对信息进行融合，所以, 通信负担重, 融合速度慢，系统的生存能力也较差。
分布式结构的特点是：每个传感器的信息进入融合以前，先由它自己的数据处理器进行处理。融合中心依据各局部检测器的决策, 并考虑各传感器的置信度, 然后在一定准则下进行分析综合,做出最后的决策。在分布式多传感器信息融合系统中, 每个节点都有自己的处理单元, 不必维护较大的集中数据库, 都可以对系统作出自己的决策, 融合速度快, 通信负担轻, 不会因为某个传感器的失效而影响整个系统正常工作，所以, 它的具有较高的可靠性和容错性, 但由于信息压缩导致信息丢失, 因而会影响融合精度。
混合式结构同时传输探测信息和经过局部节点处理后的信息，它保留了上述两类结构的优点，但在通信和计算上要付出昂贵的代价。
分级式结构又分为有反馈结构和无反馈结构，在分级融合中, 信息从低层到高层逐层参与处理, 高层节点接收低层节点的融合结果, 在有反馈时, 高层信息也参与低层节点的融合处理。 分级融合结构各传感器之间是一种层间有限联系, 其计算和通信负担介于集中式结构和分布式结构之间。
3．3多传感器信息融合的方法
信息融合虽然是一门年轻的新兴学科，但从诞生之日起就表现出旺盛的活力，30年来基于各种理论的方法层出不穷。根据目前的研究成果，这些方法可以归纳为五类。
● 概率统计数学类：包括最大似然法、贝叶斯方法等，用于目标探测、识别、分类，航迹融合；
● 不确定性数学类：主要是Dempster-Shafer（简称D-S）证据推理方法；
● 模糊数学类；
● 智能理论类：包括人工智能、专家系统、人工神经网络、人工生命及其综合；
● 基于随机集与关系代数类。

4 多传感器信息融合的体系结构
4．1感器信息融合系统作战体系结构
多传感器信息融合系统功能体系结构立足于融合可信，按需分配的要求，瞄准未来信息化战场需求,着眼于提高信息采集和信息融合能力,突破以往多传感平台只限于单平台多传感部件的概念,将各种雷达，电子对抗，部队侦察，技术侦察和航天侦察装备作为战场多传感平台系统,以综合集成的方式运用,全面提高部队信息化作战能力。基于信息融合的信息化战场多传感平台的作战体系结构如图1所示。

图1 系统作战体系结构图

4．2多传感器信息融合系统功能体系结构。
从多传感平台作战体系结构图可看出,随着融合处理层次的提高,融合处理结果的抽象层次也随之提高.。通过这种多层次的信息融合,实现信息化战场各传感平台(装备) 在目标分类、跟踪与识别、态势评估、威胁估计等方面的功能.。多传感平台面向结果的功能体系结构如图 2所示。

一级处理相当于最低层次的数据级融合。它对来自于同等量级的传感器原始数据直接进行融合，有了融合的传感器数据之后就可以完成像单传感器一样的识别处理过程。

二级处理相当于中间层次的特征级融合。 它利用从传感平台的原始信息中提取的特征信息进行综合分析和处理。二级处理可实现战场信息的大幅压缩,有利于实时处理,融合结果能最大限度地给出作战决策分析所需的特征信息.

三级处理相当于最高层次的决策级融合， 融合结果为作战指挥控制决策提供依据。

5 结束语
信息融合技术正在迅猛发展，渗透到现代化战争的各个领域。如何恰当和充分地利用这一技术概念进行信息处理，从而增强部队的战斗力，还有诸多课题，算法需要探索和研究。但是毫无疑问的是，随着计算机技术和传感器技术的发展，信息融合技术必将在现代化中发挥越来越重要的作用。