傳感器融合技術(shù)：創(chuàng)造最佳態(tài)勢感知能力

傳感器融合技術(shù)起源

傳感器融合技術(shù)源于數(shù)據(jù)融合技術(shù)。1985年，美國國防部試驗室聯(lián)合理事會（JDL）所屬的數(shù)據(jù)融合研究小組（即后來的數(shù)據(jù)與信息融合研究小組）首次提出了數(shù)據(jù)融合模型。

該模型歷經(jīng)數(shù)次改進，現(xiàn)作為數(shù)據(jù)功能分類的一種參考標準，已得到廣泛運用，其有效增強了各個層次作戰(zhàn)單位的態(tài)勢感知能力。

傳感器融合技術(shù)或許也可以稱作“情報融合技術(shù)”——這也是當初數(shù)據(jù)融合研究小組對“信息融合”中“信息”一詞的擴大化解釋——因為該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的整合分析。在這一過程中，來自多個傳感器（影像/雷達/信號情報/運動覺察器等）的定位與識別數(shù)據(jù)得到融合，生成一個有效的合成“圖像”，并且能夠消除重復(fù)軌跡和定位偏差，產(chǎn)生最準確的目標引導(dǎo)信息。其最終成果涵蓋了視覺、電子與語言信息，情報評估能力完全達到了“1+1＞2”的效果。

美國海軍協(xié)同作戰(zhàn)能力系統(tǒng)（CEC）是傳感器融合技術(shù)的早期典型應(yīng)用實例。該系統(tǒng)由雷神公司（Raytheon）設(shè)計制造，結(jié)合AN/USG-2(V)型協(xié)同作戰(zhàn)傳輸處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)艦艇與戰(zhàn)機之間的系統(tǒng)信息共享，填補各系統(tǒng)信息覆蓋范圍的空白，理清模糊或不夠全面的數(shù)據(jù)信息，從而提高應(yīng)對空中與導(dǎo)彈襲擊的防御能力。尤其在近海區(qū)域，由于地面情況復(fù)雜而難以獲得可靠雷達圖像的時候，效果更加明顯。

2001年4～5月作戰(zhàn)評估完成之后，CEC逐步被推廣到整個美國艦隊。

傳感器融合技術(shù)具備強大優(yōu)勢

傳感器融合技術(shù)的運用主要具有以下強大優(yōu)勢——

傳感器融合技術(shù)能夠發(fā)揮出不同類型傳感器之間的互補作用

舉例來說，艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)（IRST）和多功能雷達目標指示數(shù)據(jù)相結(jié)合，就能夠減少冗余信息，提高目標跟蹤、分類與識別能力（尤其是在應(yīng)對機動性與隱蔽性較強的威脅時），同時也能夠有效縮短目標識別的時間。

對空中/地面的作戰(zhàn)行動而言，在過去的二十幾年里，傳感器融合信息的發(fā)展促使印有作戰(zhàn)信息的紙質(zhì)作戰(zhàn)地圖，進化為計算機環(huán)境下的“地理空間信息”。判讀分析，得出結(jié)論，做出決策，信息最終轉(zhuǎn)化為地理空間情報——這便是地理空間情報系統(tǒng)（GISs）。其已經(jīng)成為數(shù)字化戰(zhàn)場的一種重要工具，在C4ISR戰(zhàn)略系統(tǒng)或者區(qū)域性戰(zhàn)術(shù)指揮與控制應(yīng)用系統(tǒng)中發(fā)揮著構(gòu)建性作用。

如果某份信息中含有一個可確認的位置，那么它就可以進入地理空間情報系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為電子地圖的一部分。2011年1月，英國國防部的John Kedar上校在倫敦舉行的國防地理空間情報會議上說，此類信息正逐步成為“情報的基石”。而這一點也得到另一位重要與會者，英國國防部皇家空軍中將Stuart Peach的肯定。Stuart Peach說，在阿富汗赫爾曼德河地區(qū)活動的特遣部隊能夠得到高達352層級的地理空間情報數(shù)據(jù)，其中包括地圖、地質(zhì)概況、氣象、農(nóng)業(yè)、種族分布以及各種來源的圖像資料。因此，這種傳感器融合系統(tǒng)——地理空間情報系統(tǒng)正快速成為軍事行動中不可或缺的組成部分。

作為情報的一種類型，圖像資料的重要性當然毋庸置疑。對同一地區(qū)24小時前后兩張圖片進行對比，就可能發(fā)現(xiàn)重要變化，比如某個目標的進入情況。更長期的跟蹤就可以了解特定區(qū)域的“常態(tài)”情況。

各種類型的圖像——光電（EO）、紅外（IR）、合成孔徑雷達(SAR)圖像，都屬于地理空間情報的數(shù)據(jù)層。圖像的來源平臺也多種多樣：衛(wèi)星、偵察機、直升機、無人機以及陸基或?；到y(tǒng)。這些圖片可以是原始的或處理過的，也可以是來自單個來源或者融合創(chuàng)造出來的，通常都會在地面站或者一組處理器與顯示器中匯總，然后再由復(fù)雜的相關(guān)軟件進行處理。

英國情報開發(fā)系統(tǒng)是一種對各種傳感器得到的圖像進行綜合處理的系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由古德里奇（Goodrich ISR）公司的傳感器地面站升級而來，升級后被命名為“攻擊者”，能夠處理的輸入數(shù)據(jù)包括全動態(tài)視頻影像、合成孔徑雷達/地面移動目標指示器（SAR/GMTI）影像、光電或者紅外傳感器所獲信息，以及二級情報素材，比如靜止圖像、人力情報報告、地理空間情報系統(tǒng)圖繪信息和來自軍隊保護傳感器的信息。按照古德里奇公司的說法，“攻擊者”系統(tǒng)能夠完成圖像及相關(guān)元數(shù)據(jù)的存檔，并以接近實時的速度向客戶端進行群發(fā)。

另一套最新面市的產(chǎn)品是以色列拉斐爾先進防務(wù)系統(tǒng)公司（Rafael Advanced Defense Systems of Israel）的ImiLite多信源多任務(wù)圖像情報處理系統(tǒng)。其設(shè)計理念就是以統(tǒng)一方式接收、開發(fā)、處理多信源圖像和數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)向獲得授權(quán)的終端用戶與客戶端發(fā)送相關(guān)報告和素材。

ImiLite圖像情報處理系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng)：高級IP服務(wù)器組件，能夠?qū)怆?、紅外、合成孔徑雷達/地面移動目標指示器、影像傳感器的原始數(shù)據(jù)同時接收并實時進行空間參照對比；可升級地理空間情報系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，能夠快速記錄、存取原始與已處理圖像數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)層，并深入進行圖像分析與研究；高級多用戶圖像開發(fā)系統(tǒng)，能夠顯示、處理、開發(fā)、分析并發(fā)送以各種標準或客戶定制標準形成的報告。

其實，第3個子系統(tǒng)——高級多用戶圖像開發(fā)系統(tǒng)基本上是為了與該公司的Reccelite吊艙協(xié)同而設(shè)計的地面開發(fā)系統(tǒng)。荷蘭和意大利空軍（此前還有德國空軍）在阿富汗戰(zhàn)場都應(yīng)用了Reccelite吊艙系統(tǒng)。該系統(tǒng)可收集“蒼鷺”無人機的光電/紅外信息以及合成孔徑雷達/地面移動目標指示器所獲信息。

拉斐爾公司表示，ImiLite系統(tǒng)已經(jīng)獲得數(shù)家潛在客戶的青睞，其中包括英國國防部。

傳感器融合技術(shù)能夠提高圖片的清晰度

在只有一種類型傳感器的情況下，可能會因為天氣或戰(zhàn)場情況，無法獲取目標區(qū)域的清晰圖片。比如，光電/紅外圖片就會因為天氣而出現(xiàn)模糊的情況，但是只要覆蓋上一張合成孔徑雷達的圖片，云層之后的目標就無處藏身了。

雷達對于垂直目標更加靈敏——比如墻體、建筑物、樹木和桅桿——而光電成像則對物體表面比如顏色等參數(shù)更加敏感。將光電成像的圖片，覆蓋到合成孔徑雷達成像的圖片，能夠提高識別目標的能力，并且可以確認某個地點在不同時間點的變化情況。對兩張不同時間拍攝的照片測量對比，根據(jù)波長的變化可以精確測定出土壤的變化——可能埋入了簡易爆炸裝置或者曾有可疑車輛經(jīng)過。

塞萊克斯?伽利略（Selex Galileo）公司正在研發(fā)一種所謂的“高度集成具有光電偵察能力的輕型集成有源相控陣（AESA）”系統(tǒng)，可應(yīng)用于偵察機或無人機。該系統(tǒng)集成了一套光電系統(tǒng)（包括中波紅外640×512像素天線陣探測器，一架彩色日用電視攝像頭以及1.57μm脈沖激光主動成像設(shè)備），以及PicoSTAR有源相控陣X波段2-D雷達（具有條帶成像、聚束成像以及地面動態(tài)目標指示能力）。2011年2月，伽利略公司宣布該項目已經(jīng)進入“開發(fā)階段”，并表示“雷達子系統(tǒng)的空中試驗已經(jīng)啟動，不久即將試驗光電系統(tǒng)”，但其性能細節(jié)尚不得而知。

另外一套更加復(fù)雜的雷達與光電/紅外傳感器集成系統(tǒng)屬于美國“暗影捕獲（Shadow Harvest）”項目的一部分。該系統(tǒng)最初是國防部某個情報機構(gòu)的計劃項目，但是從2008年起得到美國南方司令部的贊助支持。與“暗影捕獲”項目相關(guān)的傳感器與設(shè)備已配備至一架C-130H型運輸機，其中包括動態(tài)空中任務(wù)系統(tǒng)、機載多重現(xiàn)象學數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)、諾斯羅普?格魯曼(Northrop Grumman)公司的低頻多波段合成孔徑雷達，以及英國BAE系統(tǒng)（BAE Systems）公司的光譜紅外遠程圖像傳輸試驗臺（SPIRITT）傳感器。據(jù)說，2010年9月，內(nèi)華達州空軍國民警衛(wèi)隊第152空運聯(lián)隊在阿富汗完成了部分“暗影捕獲”項目的部署。

這些系統(tǒng)的運用，將使光電圖像與孔徑雷達圖像融合，獲得更清晰的圖像資料。

多波段+圖像分辨率提升+硬件設(shè)備體積減小，使圖像融合技術(shù)更趨完善

美國空軍U-2型高空偵察機長期占據(jù)遠程離岸搜集高分辨率圖像的橋頭堡。該偵察機配備了雷神公司的ASARS 2/2A型高級合成孔徑雷達系統(tǒng)以及古德里奇公司的SYERS-2型“畢業(yè)生”（Senior Year）光電偵察系統(tǒng)。據(jù)說，“畢業(yè)生”系統(tǒng)能夠在七個波段工作：綠光波段（具有距離、分辨率和覆蓋區(qū)域上的優(yōu)勢）；紅光波段；近紅外波段（有效可視）；短波紅外波段（雙頻道）；中波紅外波段（雙頻道——一個可通過調(diào)諧適應(yīng)日間與夜間工作，另一個為備頻）。因此，“畢業(yè)生”系統(tǒng)是一套多重光電/紅外傳感器系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于多種傳感器具有天生互補的特性：一方因為大氣衰減、光線或者日效應(yīng)等原因效果不佳時，另一方可清晰成像。

盡管不同波段傳感器可以實現(xiàn)圖像相互覆蓋、對比和關(guān)聯(lián)，但是這樣的系統(tǒng)絕非完整意義上的“融合”系統(tǒng)，還有待其他相關(guān)參數(shù)進一步完善。

圖像分辨率這個參數(shù)近幾年得到了飛速提升。10年前，640×480像素的陣列格式就被認為屬于高分辨率。此后，陣列格式一路飆升至1024×1024、1260×720、1920×1080，而且通過處理，分辨率還能夠進一步提升。

此外，硬件設(shè)備在體積上日益減小，因此將可精確定位的測量裝置直接安裝在轉(zhuǎn)塔平臺上也成為可能。

傳感器融合技術(shù)完全自動化值得期待

目前，傳感器融合技術(shù)還未達到完全自動處理，從大量數(shù)據(jù)中實時選取有用信息仍然需要人員參與。雖然在傳輸方面的技術(shù)進步減少了從探測到交戰(zhàn)（傳感器到射手）之間的傳輸次數(shù)，傳輸過程仍然相對比較緩慢。

自動化傳感器融合處理技術(shù)尚處于形成階段。這一技術(shù)未來對數(shù)據(jù)帶寬利用率與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息的時間效率具有重要意義，自然備受關(guān)注。

據(jù)相關(guān)工業(yè)人士透露，當前最大的挑戰(zhàn)是“如何獲取在動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)向終端用戶提供有用信息的正確算法?！边@里存在諸多技術(shù)問題，許多問題的解決都要依賴傳感器或者軟件的發(fā)展。而且即使算法解決方案切實有效，系統(tǒng)的復(fù)雜性和硬件的高成本也不得不納入考量范圍。現(xiàn)階段上述成本非常昂貴。

不過，傳感器融合技術(shù)并未因此停下前進的腳步。就像2011年2月，諾斯羅普?格魯曼公司（Northrop Grumman）的情報監(jiān)視與偵察任務(wù)區(qū)域總監(jiān)Trip carter所說，多傳感器多情報融合技術(shù)將是該公司在傳感器未來發(fā)展道路上“永遠追求的圣杯”。

編輯/劉蘭芳