多傳感器信息融合的層級(jí)關(guān)系研究

唐 琳

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以后，傳感器的通用性和專用性都有了明顯的提升，其性價(jià)比也有了很大的提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛.本文以面向復(fù)雜環(huán)境的多傳感器系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)目前正廣泛應(yīng)用于以陸、海、空、天、電磁為范圍的現(xiàn)代軍事戰(zhàn)場(chǎng)中，傳統(tǒng)的單傳感器信息采集方式已無法滿足在上述戰(zhàn)場(chǎng)中所使用的精確制導(dǎo)武器和遠(yuǎn)程打擊武器等高技術(shù)兵器的現(xiàn)代作戰(zhàn)需要，必須運(yùn)用覆蓋寬廣頻段的各種有源和無源探測(cè)器在內(nèi)的多傳感器集成系統(tǒng).

通過多傳感器系統(tǒng)采集多種觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而形成多層次、多方面、多級(jí)別的數(shù)據(jù)信息.多傳感器系統(tǒng)中的信息具有多樣性、復(fù)雜性、實(shí)時(shí)性等多種特性，多傳感器系統(tǒng)及多傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于軍事、民事等領(lǐng)域，并由此出現(xiàn)了一個(gè)新興的學(xué)科—多傳感器信息融合.

2 多傳感器信息融合的定義

多傳感器信息融合應(yīng)用范圍廣泛，在不同領(lǐng)域的應(yīng)用具有不同的內(nèi)涵和理解，截止目前，仍沒有統(tǒng)一的被廣泛采納的定義出現(xiàn)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室或組織機(jī)構(gòu)針對(duì)多傳感器信息融合給出了不同的定義，具體劃分如下.

定義1 軍事領(lǐng)域中將信息融合作為一個(gè)多層次、多方面的信息處理過程，包括檢測(cè)、相關(guān)、組合和估計(jì)，具體可包含檢測(cè)、互聯(lián)、關(guān)聯(lián)（相關(guān)）、狀態(tài)評(píng)估、目標(biāo)識(shí)別、態(tài)勢(shì)描述、威脅、估計(jì)、傳感器管理和數(shù)據(jù)等多個(gè)層級(jí)，綜合處理不同級(jí)別上的傳感器數(shù)據(jù)，每個(gè)級(jí)別分別對(duì)應(yīng)不同的抽象，這些抽象包括從檢測(cè)到威脅判斷、武器分配和通道組織的完整過程，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下執(zhí)行后完成決策和估計(jì)任務(wù)，從而提高狀態(tài)和身份估計(jì)的精度.此定義表明信息融合是以對(duì)來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方面、多層次的處理為核心，從而產(chǎn)生新的有意義的信息，這種信息是單傳感器所無法獲取的.

定義2 信息融合就是將從傳感器、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和人類本身來獲取的多源信息，進(jìn)行濾波、相關(guān)和集成，利用多傳感器對(duì)用時(shí)序采集法獲得的多源信息進(jìn)行自動(dòng)分析、優(yōu)化綜合，從而形成一個(gè)框架，這種架構(gòu)適合于獲得有關(guān)決策、對(duì)信息的解釋、達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)（如何識(shí)別或跟蹤目標(biāo)）、傳感器管理和系統(tǒng)控制.這一定義中的信息融合以多傳感器為基礎(chǔ)，以協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理為信息融合的核心，將多源信息作為信息融合的加工對(duì)象，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅的重要程度作出評(píng)價(jià).

定義3 綜合定義1和定義2，分析可得出，信息融合即將來自多個(gè)傳感器或多源的信息進(jìn)行綜合處理，從而得出更準(zhǔn)確、可靠的結(jié)論的過程.利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多源信息的處理，從而得到可綜合利用信息的理論和方法，其中也包含對(duì)自然界人和動(dòng)物大腦進(jìn)行多傳感信息融合機(jī)理的探索.信息融合研究的關(guān)鍵問題，就是提出一些理論和方法，對(duì)具有相似或不同特征模式的多源信息進(jìn)行處理，以獲得具有相關(guān)和集成特性的融合信息.

3 多傳感器信息融合技術(shù)的特性

信息融合技術(shù)在多傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用，與單傳感器系統(tǒng)相比，有很多新的特性和優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)如下：

（1）系統(tǒng)生存能力相對(duì)較強(qiáng).使用多傳感器可以在受到干擾時(shí)總會(huì)有一部分能夠正常工作，提供數(shù)據(jù)信息，使系統(tǒng)能夠連續(xù)進(jìn)行，避免故障，同時(shí)增加檢測(cè)概率.

（2）空間覆蓋范圍相對(duì)更廣.使用交錯(cuò)分布的多傳感器，原則上能夠覆蓋更大的空間范圍，甚至覆蓋整個(gè)區(qū)域，可以彌補(bǔ)單傳感器技術(shù)存在無法探測(cè)區(qū)域這一缺陷，擴(kuò)大了可以探測(cè)的范圍，進(jìn)而增加了系統(tǒng)的空間監(jiān)視范圍和檢測(cè)概率.

（3）時(shí)間覆蓋范圍有所加長(zhǎng).以協(xié)同工作機(jī)制為中心的多傳感器系統(tǒng)在工作中可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)作業(yè)，當(dāng)探測(cè)目標(biāo)無法被其中幾個(gè)或者某些傳感器探測(cè)到時(shí)，其它傳感器仍然可以進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，持續(xù)檢測(cè)、測(cè)量目標(biāo)或事件，由此系統(tǒng)的時(shí)間監(jiān)視范圍和檢測(cè)概率都得到了有效提升.

（4）系統(tǒng)可靠性和可信度都得到了提高.在實(shí)際環(huán)境中，對(duì)同一個(gè)目標(biāo)或事件來說，可以被多個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)確認(rèn)，數(shù)據(jù)采集相較單一傳感器檢測(cè)來說更加準(zhǔn)確可靠，傳感器之間的相互配合更加精準(zhǔn)，功能更加強(qiáng)大，但其缺點(diǎn)是存在著一定的冗余度.

（5）信息模糊性被有效彌補(bǔ).在多傳感器系統(tǒng)中，信息是整合的，聯(lián)合信息將會(huì)幫助系統(tǒng)獲得了較大的信息熵，目標(biāo)或事件當(dāng)中所存在的不確定性被有效降低，大大減少了信息的模糊性.

（6）探測(cè)性能較單一時(shí)代更加優(yōu)良.利用多傳感器系統(tǒng)的不同型號(hào)甚至不同種類的傳感器，可對(duì)待測(cè)區(qū)域的目標(biāo)或事件進(jìn)行多種途徑的檢測(cè)和測(cè)量，不同途徑、不同手段得到的數(shù)據(jù)將被融合采集，從而提高了系統(tǒng)探測(cè)的有效性.

（7）空間分辨率有所提高.單一傳感器只能夠獲取較低的信息分辨率，而使用多傳感器協(xié)調(diào)檢測(cè)可以在一定程度上進(jìn)行不同效果的彌補(bǔ)，彌補(bǔ)后的分辨率將會(huì)有所加強(qiáng)，在彌補(bǔ)的同時(shí)還可以用改善的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)支持防御反應(yīng)能力和攻擊方向的選擇.

（8）測(cè)量空間維數(shù)增加.在測(cè)量空間維數(shù)方面，電磁頻譜的各個(gè)階段被多種不同的傳感器共同測(cè)量，大大降低了外界的干擾，有效防止了敵方行動(dòng)或自然現(xiàn)象的破壞.

但與傳統(tǒng)中的單傳感器系統(tǒng)相比，多傳感器系統(tǒng)復(fù)雜性要高的多，其成本勢(shì)必也會(huì)加大，同時(shí)傳感器系統(tǒng)的設(shè)備尺寸（重量、功耗）等物理因素將會(huì)增大，物理設(shè)施增多所帶來的輻射信號(hào)增多，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致被敵方發(fā)現(xiàn)概率增大，因此在實(shí)際任務(wù)執(zhí)行時(shí)，必須權(quán)衡考慮各系統(tǒng)的利弊進(jìn)而做出最佳選擇.

4 多傳感器信息融合的基本原理

人的大腦對(duì)外界復(fù)雜問題的處理是一個(gè)生物上的綜合處理過程，與此類似，多傳感器信息融合對(duì)普通大眾來說就是對(duì)人腦生物綜合處理過程的功能模擬.在現(xiàn)實(shí)的多傳感器系統(tǒng)中，不同類型或型號(hào)的傳感器所提供的信息也具有（如：時(shí)變、非時(shí)變；實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)；快變、緩變；模糊、確定；）不同的特征.信息的這些不同特征在數(shù)據(jù)融合時(shí)的表現(xiàn)各不相同，因此在信息整合時(shí)要綜合考慮、區(qū)分對(duì)待信息的不同特征，相對(duì)人腦對(duì)信息綜合處理的過程而言，信息（數(shù)據(jù)）融合的基本原理與之及其相近，在充分利用多傳感器資源基礎(chǔ)上通過對(duì)各傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來，產(chǎn)生對(duì)觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋和描述.

我們只能在各種傳感器分離觀測(cè)信息的基礎(chǔ)上建立起多傳感器信息融合的目標(biāo)，這樣就能夠?qū)π畔?yōu)化組合后的有效信息進(jìn)行最佳及更多的導(dǎo)出，信息融合的這一過程充分向我們展現(xiàn)出了最佳協(xié)同作用，最終達(dá)到利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì).

5 信息融合的層次級(jí)別關(guān)系

多傳感器信息融合技術(shù)與傳統(tǒng)信號(hào)處理方式有著明顯差別，信息融合之前要經(jīng)歷一個(gè)數(shù)據(jù)采集的過程，融合時(shí)所處理的數(shù)據(jù)信息由多種傳感器提供，這樣其就擁有復(fù)雜的經(jīng)常出現(xiàn)在信息的各級(jí)層面上的表現(xiàn)形式，這些信息層面被統(tǒng)一概括為信息抽象層次結(jié)構(gòu)，包括：檢測(cè)層、位置層、屬性層、態(tài)勢(shì)層、威脅層，如圖1所示.

圖1 信息抽象層次結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)信息融合時(shí)，會(huì)觸發(fā)融合作用機(jī)制，這些信息融合作用在信息抽象層次上時(shí)，通常被劃分為5級(jí)信息融合，分別是：檢測(cè)級(jí)融合、位置級(jí)融合、屬性級(jí)融合（又稱目標(biāo)識(shí)別）、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅估計(jì)，如圖2所示.

圖2 5級(jí)信息融合結(jié)構(gòu)圖

5.1 檢測(cè)級(jí)融合，可直接將采集到的信號(hào)進(jìn)行融合，也可直接在多傳感器分布檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)判決，多傳感器檢測(cè)主要包括經(jīng)典檢測(cè)和分布式檢測(cè)兩種，所謂的經(jīng)典檢測(cè)則是不經(jīng)過其他復(fù)雜多變的過程，也不需要經(jīng)過其他環(huán)節(jié)，而是直接將檢測(cè)到的原始信號(hào)傳送給處理器，繼而再經(jīng)由經(jīng)典統(tǒng)計(jì)推理設(shè)計(jì)而成的算法進(jìn)行檢測(cè)工作，最終來完成最優(yōu)目標(biāo)檢測(cè)；多傳感器網(wǎng)絡(luò)最常用到的就是分布式網(wǎng)絡(luò)，也被稱為分布式檢測(cè)，在分布式檢測(cè)中，單個(gè)傳感器首先獨(dú)立工作，繼而每個(gè)傳感器對(duì)觀測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，處理過程其實(shí)就是一個(gè)數(shù)據(jù)壓縮過程，隨后將壓縮后的信息傳送給其他傳感器，最后將信息匯總?cè)诤虾螽a(chǎn)生全局檢測(cè)判決，這一融合過程被稱為檢測(cè)級(jí)融合.

5.2 位置級(jí)融合，不需要中轉(zhuǎn)其它過程，而是在傳感器的觀測(cè)報(bào)告或測(cè)量點(diǎn)跡和傳感器的狀態(tài)估計(jì)上直接進(jìn)行融合，融合過程可以劃分為時(shí)間融合和空間融合兩種，在各融合級(jí)別中位置級(jí)位于中間層次，也是最重要的融合，融合方式主要有集中式和分布式兩種，屬于跟蹤級(jí)融合.集中式融合依據(jù)目標(biāo)檢測(cè)時(shí)序不同按對(duì)目標(biāo)觀測(cè)的時(shí)間先后對(duì)測(cè)量點(diǎn)跡進(jìn)行時(shí)間融合，繼而對(duì)各個(gè)傳感器在同一時(shí)刻對(duì)同一目標(biāo)的觀測(cè)進(jìn)行空間融合，包括了多傳感器綜合跟蹤與數(shù)據(jù)融合的全過程；分布式融合首先需要完成單傳感器的多目標(biāo)跟蹤與狀態(tài)估計(jì)，繼而各傳感器再將獲得的各種信息送進(jìn)融合節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)空間融合.

5.3 屬性級(jí)融合涉及到的問題主要是屬性分類，也稱目標(biāo)識(shí)別或身份估計(jì)，常見的屬性級(jí)融合方法一般常見的有三種，分別是決策級(jí)融合、特征級(jí)融合和數(shù)據(jù)級(jí)融合.

在使用決策級(jí)融合時(shí)，傳感器需要單獨(dú)工作，在工作時(shí)每個(gè)傳感器首先要進(jìn)行層級(jí)變換和身份變換，變換后才能獲得獨(dú)立的身份估計(jì)，獲得身份估計(jì)后再對(duì)每個(gè)傳感器的屬性分類進(jìn)行融合.

在使用特征級(jí)融合時(shí)，系統(tǒng)中眾多的傳感器同時(shí)工作，但是工作中每個(gè)傳感器又都相對(duì)獨(dú)立，即同一時(shí)間只觀測(cè)一個(gè)目標(biāo)對(duì)象，根據(jù)目標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果完成特征提取后才能獲得由傳感器提供的特征向量，將這些特征向量融合后產(chǎn)生聯(lián)合特征向量從而生成身份估計(jì).

在使用數(shù)據(jù)級(jí)融合時(shí)，因?yàn)閭鞲衅髁考?jí)（型號(hào)或類型）不同，產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)也會(huì)不同，而數(shù)據(jù)級(jí)融合面對(duì)的是等量級(jí)的傳感器，在這一級(jí)可直接融合同等量級(jí)傳感器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)，將這些原始數(shù)據(jù)抽樣并進(jìn)行初步數(shù)據(jù)提取后，形成融合后的傳感器數(shù)據(jù)，繼而再對(duì)它們進(jìn)行特征提取和身份估計(jì).在數(shù)據(jù)級(jí)信息融合實(shí)現(xiàn)時(shí)，只能對(duì)同類傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，所以數(shù)據(jù)級(jí)融合就要求所有傳感器必須是同類型或同等量級(jí)的，這樣才能關(guān)聯(lián)上原始數(shù)據(jù)流.

5.4 態(tài)勢(shì)評(píng)估最早出現(xiàn)于戰(zhàn)場(chǎng)上，是對(duì)戰(zhàn)斗力量分配情況的評(píng)價(jià)過程，評(píng)估時(shí)首先要確定態(tài)勢(shì)要素，其估計(jì)結(jié)果主要為指揮員提供戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)綜合視圖，其處理的是正在發(fā)生的及前面已經(jīng)發(fā)生且現(xiàn)在正在進(jìn)行的事件或活動(dòng)，重點(diǎn)對(duì)行為樣式進(jìn)行關(guān)注.

5.5 威脅估計(jì)產(chǎn)生于態(tài)勢(shì)評(píng)估的基礎(chǔ)上，前期工作由態(tài)勢(shì)評(píng)估完成，只有完成態(tài)勢(shì)評(píng)估后才能對(duì)地方破壞能力、動(dòng)機(jī)能力、運(yùn)動(dòng)模式及行為企圖的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行綜合梳理，從而得出敵方對(duì)我方的威脅程度或作戰(zhàn)事件出現(xiàn)的嚴(yán)重性，并以此為據(jù)發(fā)出警告或作出指示，這一估計(jì)過程也是一個(gè)多層視圖的處理過程，其估計(jì)結(jié)果等同多層視圖處理結(jié)果.

6 多傳感器信息融合的應(yīng)用

多傳感器信息融合最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍很廣，涉及現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中的各種戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)役和戰(zhàn)略C3I系統(tǒng)等，主要應(yīng)用在對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)性和武器殺傷力有較高要求的武器系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制或自主武器系統(tǒng)、雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)、一體化綜合電子信息系統(tǒng)、單兵作戰(zhàn)、單平臺(tái)武器系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視、偵察任務(wù)等廣闊領(lǐng)域.

多傳感器信息融合在民事上也有著廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用在工業(yè)過程監(jiān)視、工業(yè)機(jī)器人、遙感、毒品檢查、病人照顧系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、船舶避碰與交通管制系統(tǒng)、空中交通管制等多個(gè)領(lǐng)域.

現(xiàn)今世界范圍內(nèi)多傳感器信息融合理論與技術(shù)正處于迅速發(fā)展的高峰階段，我國(guó)信息融合技術(shù)歷經(jīng)多年發(fā)展并在前人不斷推陳出新的基礎(chǔ)上已發(fā)展成為多方關(guān)注的共性關(guān)鍵技術(shù)，由此衍生出了許多熱門研究方向，在多傳感器領(lǐng)域相繼出現(xiàn)了各種多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)和有初步綜合能力的多傳感器信息融合系統(tǒng)，大多在向多傳感器信息融合和系統(tǒng)綜合集成方向發(fā)展，甚至有很多學(xué)者專門從事無線多傳感器網(wǎng)絡(luò)中如何防范惡意節(jié)點(diǎn)方面的安全技術(shù)研究，相信隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì)將有更多的多傳感器信息融合系統(tǒng)投入使用.