多源數(shù)據(jù)融合評估算法的研究

郭妍利 唐思圓 谷升陽

(1.中國電子科技集團公司第38 研究所,安徽合肥 230031;2.武漢大學電子信息學院,湖北武漢 430072)

0 概述

由于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有多種數(shù)據(jù)源,并能夠多層次、全方位感知信息,已被大量應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[1-5]。但對多源數(shù)據(jù)融合算法的評價,基本還處于定性評價階段,缺乏體系化的定量評估手段;缺乏標準的融合評估體系,用于開展多源數(shù)據(jù)融合情報系統(tǒng)的效能評估[2]。為了全面評估和對比不同多源數(shù)據(jù)融合算法的優(yōu)劣性,本文建立了一個合理的且相對全面的評估指標體系,定量計算多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能指標,為多源數(shù)據(jù)融合功能、性能的提升提供改進的方向和依據(jù),有助于提高多源信息融合評判方法的科學化水平。

1 融合評估指標體系

融合評估主要是對多源數(shù)據(jù)融合后航跡的評估,包括融合評估指標體系的建立,評估指標計算方法的確定,評估數(shù)據(jù)的記錄和導(dǎo)入,評估指標計算,評估結(jié)果圖-表展示,及評估報告自動生成等功能。

融合評估指標體系包括兩個方面,含系統(tǒng)性能評估和航跡質(zhì)量評估。其中,系統(tǒng)性能評估有系統(tǒng)周期處理最大航跡數(shù)和系統(tǒng)瞬時處理最大航跡數(shù)兩個指標;航跡質(zhì)量評估包括系統(tǒng)航跡質(zhì)量評估和單條航跡質(zhì)量評估,其中系統(tǒng)航跡質(zhì)量評估包括漏情率、虛情率和時效性等指標;單條航跡質(zhì)量評估包括航跡起始時間、漏關(guān)率、錯關(guān)率、航跡零碎度和位置精度等指標。融合評估指標體系如圖1所示。

圖1 融合評估指標體系Fig.1 Integrated evaluation index system

2 融合評估指標計算

對融合系統(tǒng)進行評估時,涉及到的目標航跡有真值航跡、雷達探測原始航跡和融合航跡。其中真值航跡數(shù)包括目標真值航跡數(shù)N 和非目標真值航跡數(shù)M。目標真值航跡和非目標真值航跡定義如下:

目標真值航跡:有真值對應(yīng)的觀測目標航跡;

非目標真值航跡:沒有真值對應(yīng)的非觀測目標航跡。

2.1 融合系統(tǒng)性能評估指標

對融合系統(tǒng)性能的評估是對影響系統(tǒng)有效性指標的評估,即:系統(tǒng)周期處理最大航跡數(shù)和系統(tǒng)瞬時處理最大航跡數(shù)兩個指標。

(1)系統(tǒng)周期處理最大航跡數(shù),是指在周期內(nèi),融合處理系統(tǒng)能夠處理的最大航跡數(shù)。該指標用于評估融合系統(tǒng)的處理能力。當某一融合系統(tǒng)不滿足該處理容量指標時,則該系統(tǒng)性能指標不達標,不再進行其他評估指標計算。

(2)系統(tǒng)瞬時處理最大航跡數(shù),是指在極短時間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的最大航跡數(shù)。該指標用來衡量融合系統(tǒng)的瞬時處理能力。當系統(tǒng)不滿足該指標時,融合系統(tǒng)接收大容量數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)融合軟件卡死、信息丟失等情況,因此當該指標不達標時,默認融合系統(tǒng)不合格,不再進行其他評估指標計算。

2.2 航跡質(zhì)量評估指標

2.2.1 航跡相關(guān)性計算

在航跡質(zhì)量的評估過程中,首先根據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進行融合航跡與真值航跡及原始航跡之間相關(guān)性計算,計算過程為:(1)真值航跡與融合/原始航跡之間的相關(guān)計算。單條真值航跡與系統(tǒng)中所有融合/原始航跡分別進行相關(guān),計算獲得真值航跡和融合/原始航跡的對應(yīng)關(guān)系表;(2)融合航跡與原始航跡之間的相關(guān)計算。單條融合航跡與雷達探測原始航跡分別進行相關(guān),計算獲得融合航跡與原始航跡的對應(yīng)關(guān)系表;(3)融合航跡與相關(guān)成功的原始航跡之間的相關(guān)計算。將相關(guān)成功的一條或多條原始航跡的航跡點,按照時間排列在一個鏈表上,融合航跡的航跡點與原始航跡點遍歷相關(guān),獲得融合航跡與原始航跡之間相關(guān)成功航跡點的個數(shù)。

2.2.2 系統(tǒng)航跡質(zhì)量評估指標

(1)系統(tǒng)漏情率。漏情率是指融合系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)目標情報的概率。

計算方法為:真值航跡中沒有與融合航跡相關(guān)成功的真值航跡數(shù)與系統(tǒng)真值航跡總數(shù)的比率。其中系統(tǒng)真值航跡總數(shù)為系統(tǒng)真值航跡數(shù)減去沒有與原始航跡相關(guān)成功的真值航跡數(shù)。漏情率主要用于評估融合系統(tǒng)目標的發(fā)現(xiàn)能力。

(2)系統(tǒng)虛情率。虛情率是指融合系統(tǒng)輸出虛假目標情報的概率。

計算方法為:融合航跡中與真值航跡和原始航跡均沒有相關(guān)成功的融合航跡數(shù)與系統(tǒng)真值航跡總數(shù)的比率。虛情率主要用于評估融合系統(tǒng)目標發(fā)現(xiàn)的正確性。當虛情率為0時,表示該融合系統(tǒng)沒有虛假目標產(chǎn)生;當虛情率大于1 時,表示該融合系統(tǒng)產(chǎn)生的虛假目標比較多。

(3)系統(tǒng)時效性。系統(tǒng)時效性是指融合系統(tǒng)從接收原始航跡時間開始到融合航跡輸出所消耗的時間。

計算方法:系統(tǒng)所有融合航跡與相關(guān)成功的原始航跡航跡點之間的時間差求和取平均值。計算獲得的系統(tǒng)處理時間越大,表示該融合系統(tǒng)時效性越差。

2.2.3 單條航跡質(zhì)量評估指標

(1)航跡起始時間。航跡起始時間是指從接收到原始航跡點開始到建立一批新的穩(wěn)定融合航跡的時間。

計算方法:當前融合處理軟件航跡起始的準則是多點起始,不同的融合算法有一點起始、三點起始等多種準則,但一旦建立穩(wěn)定航跡,即將建立穩(wěn)定航跡的連續(xù)多點均輸出,因此通過融合航跡中航跡點輸出與輸入的時間差來計算航跡起始時間,對時間差進行比較,如果在第n點的時間差遠小于前n點的時間差,則認為融合航跡在第n點起始,起始時間為第n 點輸出時間與第一點輸入時間之間的時間差。

(2)漏關(guān)率。航跡漏關(guān)率是指融合航跡的丟點概率。

計算方法:與該融合航跡相關(guān)成功的原始航跡中匹配不成功的航跡點數(shù)與原始航跡總航跡點數(shù)的比率。漏關(guān)率越低,說明該融合航跡輸出連續(xù)性越好。

(3)錯關(guān)率。航跡錯關(guān)率是指融合航跡點相關(guān)錯誤的概率。

計算方法為:融合航跡與相關(guān)成功原始航跡進行航跡點相關(guān),相關(guān)失敗的航跡點數(shù)與原始航跡總航跡點數(shù)的比率。

(4)航跡零碎度。航跡零碎度是指一條真值航跡在融合系統(tǒng)中被分裂輸出的航跡總數(shù)。零碎度越大說明該航跡分裂嚴重。

(5)位置精度。位置精度是指實際目標位置與融合航跡輸出的位置之間的誤差標準差。這個指標用來衡量融合系統(tǒng)航跡的坐標位置信息與真實坐標位置信息的符合程度。在極坐標坐標系下,位置精度包括有距離精度和方位精度。下面以極坐標系下距離精度為例進行計算。

計算方法為:1)計算融合航跡某一點距離的一次差;2)計算該融合航跡所有點距離的一次差,并求平均獲得距離一次差均值;3)計算融合航跡距離信息的一次差標準差;4)根據(jù)一次差標準差計算航跡一次差的均方根誤差,即該融合航跡的距離精度。

2.3 綜合評估指標計算

綜合評估指標即將計算獲得的各個指標進行歸一化處理并加權(quán)計算獲得一個總的得分的過程[3-4]。綜合評估指標計算過程為:(1)指標選擇;(2)指標權(quán)重設(shè)置;(3)單個指標計算;(4)單個指標歸一化處理;(5)不同指標加權(quán)求和。

最終計算獲得綜合評估指標為(0,1)標量空間上的值,值越大表示該融合系統(tǒng)融合算法越優(yōu)越。

3 仿真驗證實驗結(jié)果

按上述評估指標體系對仿真系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和實際試驗采集數(shù)據(jù)進行融合性能評估,圖2 為仿真數(shù)據(jù)評估結(jié)果,圖3為實戰(zhàn)數(shù)據(jù)評估結(jié)果。

圖2 仿真數(shù)據(jù)評估結(jié)果Fig.2 Simulation data evaluation results

圖3 實際數(shù)據(jù)評估結(jié)果Fig.3 Actual data evaluation results

經(jīng)離線比對分析,該系統(tǒng)的評估結(jié)果與實際分析結(jié)果一致,與融合軟件的實際應(yīng)用效果一致。仿真結(jié)果和實際應(yīng)用結(jié)果表明,該評估結(jié)果可信,可以用于對多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)進行融合算法的性能評價。

4 總結(jié)

本文通過建立了反應(yīng)實戰(zhàn)需求的融合指標體系,對同一場景的不同融合結(jié)果進行評估,提供了一種有效的空情多源信息融合的定量評估手段;同時可根據(jù)評估結(jié)果查找融合算法的短板,進行針對性地改進,促進了空情多源信息融合軟件功能及性能的提升。