唐 琳

（赤峰學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

進入21世紀以后，傳感器的通用性和專用性都有了明顯的提升，其性價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)場中所使用的精確制導(dǎo)武器和遠程打擊武器等高技術(shù)兵器的現(xiàn)代作戰(zhàn)需要，必須運用覆蓋寬廣頻段的各種有源和無源探測器在內(nèi)的多傳感器集成系統(tǒng).

通過多傳感器系統(tǒng)采集多種觀測數(shù)據(jù)，從而形成多層次、多方面、多級別的數(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、實時性等多種特性，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)，各個實驗室或組織機構(gòu)針對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多層次、多方面的信息處理過程，包括檢測、相關(guān)、組合和估計，具體可包含檢測、互聯(lián)、關(guān)聯(lián)（相關(guān)）、狀態(tài)評估、目標識別、態(tài)勢描述、威脅、估計、傳感器管理和數(shù)據(jù)等多個層級，綜合處理不同級別上的傳感器數(shù)據(jù)，每個級別分別對應(yīng)不同的抽象，這些抽象包括從檢測到威脅判斷、武器分配和通道組織的完整過程，在統(tǒng)一標準下執(zhí)行后完成決策和估計任務(wù)，從而提高狀態(tài)和身份估計的精度.此定義表明信息融合是以對來自多個傳感器的數(shù)據(jù)進行多級別、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、知識庫和人類本身來獲取的多源信息，進行濾波、相關(guān)和集成，利用多傳感器對用時序采集法獲得的多源信息進行自動分析、優(yōu)化綜合，從而形成一個框架，這種架構(gòu)適合于獲得有關(guān)決策、對信息的解釋、達到系統(tǒng)目標（如何識別或跟蹤目標）、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象，對戰(zhàn)場態(tài)勢和威脅的重要程度作出評價.

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傳感器或多源的信息進行綜合處理，從而得出更準確、可靠的結(jié)論的過程.利用計算機進行多源信息的處理，從而得到可綜合利用信息的理論和方法，其中也包含對自然界人和動物大腦進行多傳感信息融合機理的探索.信息融合研究的關(guān)鍵問題，就是提出一些理論和方法，對具有相似或不同特征模式的多源信息進行處理，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，總結(jié)如下：

（1）系統(tǒng)生存能力相對較強.使用多傳感器可以在受到干擾時總會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)進行，避免故障，同時增加檢測概率.

（2）空間覆蓋范圍相對更廣.使用交錯分布的多傳感器，原則上能夠覆蓋更大的空間范圍，甚至覆蓋整個區(qū)域，可以彌補單傳感器技術(shù)存在無法探測區(qū)域這一缺陷，擴大了可以探測的范圍，進而增加了系統(tǒng)的空間監(jiān)視范圍和檢測概率.

（3）時間覆蓋范圍有所加長.以協(xié)同工作機制為中心的多傳感器系統(tǒng)在工作中可以實現(xiàn)循環(huán)作業(yè)，當探測目標無法被其中幾個或者某些傳感器探測到時，其它傳感器仍然可以進行查缺補漏，持續(xù)檢測、測量目標或事件，由此系統(tǒng)的時間監(jiān)視范圍和檢測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.在實際環(huán)境中，對同一個目標或事件來說，可以被多個傳感器同時檢測確認，數(shù)據(jù)采集相較單一傳感器檢測來說更加準確可靠，傳感器之間的相互配合更加精準，功能更加強大，但其缺點是存在著一定的冗余度.

（5）信息模糊性被有效彌補.在多傳感器系統(tǒng)中，信息是整合的，聯(lián)合信息將會幫助系統(tǒng)獲得了較大的信息熵，目標或事件當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）探測性能較單一時代更加優(yōu)良.利用多傳感器系統(tǒng)的不同型號甚至不同種類的傳感器，可對待測區(qū)域的目標或事件進行多種途徑的檢測和測量，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)檢測可以在一定程度上進行不同效果的彌補，彌補后的分辨率將會有所加強，在彌補的同時還可以用改善的目標位置數(shù)據(jù)支持防御反應(yīng)能力和攻擊方向的選擇.

（8）測量空間維數(shù)增加.在測量空間維數(shù)方面，電磁頻譜的各個階段被多種不同的傳感器共同測量，大大降低了外界的干擾，有效防止了敵方行動或自然現(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，其成本勢必也會加大，同時傳感器系統(tǒng)的設(shè)備尺寸（重量、功耗）等物理因素將會增大，物理設(shè)施增多所帶來的輻射信號增多，勢必會導(dǎo)致被敵方發(fā)現(xiàn)概率增大，因此在實際任務(wù)執(zhí)行時，必須權(quán)衡考慮各系統(tǒng)的利弊進而做出最佳選擇.

4 多傳感器信息融合的基本原理

人的大腦對外界復(fù)雜問題的處理是一個生物上的綜合處理過程，與此類似，多傳感器信息融合對普通大眾來說就是對人腦生物綜合處理過程的功能模擬.在現(xiàn)實的多傳感器系統(tǒng)中，不同類型或型號的傳感器所提供的信息也具有（如：時變、非時變；實時、非實時；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)融合時的表現(xiàn)各不相同，因此在信息整合時要綜合考慮、區(qū)分對待信息的不同特征，相對人腦對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)上通過對各傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時間上的互補與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準則組合起來，產(chǎn)生對觀測環(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信息的基礎(chǔ)上建立起多傳感器信息融合的目標，這樣就能夠?qū)π畔?yōu)化組合后的有效信息進行最佳及更多的導(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，最終達到利用多個傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢.

5 信息融合的層次級別關(guān)系

多傳感器信息融合技術(shù)與傳統(tǒng)信號處理方式有著明顯差別，信息融合之前要經(jīng)歷一個數(shù)據(jù)采集的過程，融合時所處理的數(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：檢測層、位置層、屬性層、態(tài)勢層、威脅層，如圖1所示.

圖1 信息抽象層次結(jié)構(gòu)圖

當信息融合時，會觸發(fā)融合作用機制，這些信息融合作用在信息抽象層次上時，通常被劃分為5級信息融合，分別是：檢測級融合、位置級融合、屬性級融合（又稱目標識別）、態(tài)勢評估、威脅估計，如圖2所示.

圖2 5級信息融合結(jié)構(gòu)圖

5.1 檢測級融合，可直接將采集到的信號進行融合，也可直接在多傳感器分布檢測系統(tǒng)中檢測判決，多傳感器檢測主要包括經(jīng)典檢測和分布式檢測兩種，所謂的經(jīng)典檢測則是不經(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)，而是直接將檢測到的原始信號傳送給處理器，繼而再經(jīng)由經(jīng)典統(tǒng)計推理設(shè)計而成的算法進行檢測工作，最終來完成最優(yōu)目標檢測；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，在分布式檢測中，單個傳感器首先獨立工作，繼而每個傳感器對觀測到的信號進行預(yù)處理，處理過程其實就是一個數(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)生全局檢測判決，這一融合過程被稱為檢測級融合.

5.2 位置級融合，不需要中轉(zhuǎn)其它過程，而是在傳感器的觀測報告或測量點跡和傳感器的狀態(tài)估計上直接進行融合，融合過程可以劃分為時間融合和空間融合兩種，在各融合級別中位置級位于中間層次，也是最重要的融合，融合方式主要有集中式和分布式兩種，屬于跟蹤級融合.集中式融合依據(jù)目標檢測時序不同按對目標觀測的時間先后對測量點跡進行時間融合，繼而對各個傳感器在同一時刻對同一目標的觀測進行空間融合，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跟蹤與狀態(tài)估計，繼而各傳感器再將獲得的各種信息送進融合節(jié)點，實現(xiàn)空間融合.

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

在使用決策級融合時，傳感器需要單獨工作，在工作時每個傳感器首先要進行層級變換和身份變換，變換后才能獲得獨立的身份估計，獲得身份估計后再對每個傳感器的屬性分類進行融合.

在使用特征級融合時，系統(tǒng)中眾多的傳感器同時工作，但是工作中每個傳感器又都相對獨立，即同一時間只觀測一個目標對象，根據(jù)目標的觀測結(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.

在使用數(shù)據(jù)級融合時，因為傳感器量級（型號或類型）不同，產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)也會不同，而數(shù)據(jù)級融合面對的是等量級的傳感器，在這一級可直接融合同等量級傳感器產(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)，繼而再對它們進行特征提取和身份估計.在數(shù)據(jù)級信息融合實現(xiàn)時，只能對同類傳感器采集的數(shù)據(jù)進行融合，所以數(shù)據(jù)級融合就要求所有傳感器必須是同類型或同等量級的，這樣才能關(guān)聯(lián)上原始數(shù)據(jù)流.

5.4 態(tài)勢評估最早出現(xiàn)于戰(zhàn)場上，是對戰(zhàn)斗力量分配情況的評價過程，評估時首先要確定態(tài)勢要素，其估計結(jié)果主要為指揮員提供戰(zhàn)場態(tài)勢綜合視圖，其處理的是正在發(fā)生的及前面已經(jīng)發(fā)生且現(xiàn)在正在進行的事件或活動，重點對行為樣式進行關(guān)注.

5.5 威脅估計產(chǎn)生于態(tài)勢評估的基礎(chǔ)上，前期工作由態(tài)勢評估完成，只有完成態(tài)勢評估后才能對地方破壞能力、動機能力、運動模式及行為企圖的先驗知識進行綜合梳理，從而得出敵方對我方的威脅程度或作戰(zhàn)事件出現(xiàn)的嚴重性，并以此為據(jù)發(fā)出警告或作出指示，這一估計過程也是一個多層視圖的處理過程，其估計結(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)用在對目標機動性和武器殺傷力有較高要求的武器系統(tǒng)、遠程控制或自主武器系統(tǒng)、雷達組網(wǎng)系統(tǒng)、一體化綜合電子信息系統(tǒng)、單兵作戰(zhàn)、單平臺武器系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略指揮、控制、通信、計算機、情報、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)點方面的安全技術(shù)研究，相信隨著時間的推移，預(yù)計將有更多的多傳感器信息融合系統(tǒng)投入使用.