（控制理论与控制工程专业论文）多传感器信息融合技术的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义i i ” 在未来作战中，信息变化莫测，瞬息万变。整个空间布满了各种敌我信号源时， 任何个体的传感器都是局部的，局部的信息都是充满了不精确、不完整、不一致、不 可靠甚至矛盾的因素；信息的迅速变化及信息量的迅速增加，使传感器利用目标某些 特征探测、分类及识别等出现了局限性：另外敌人的有意干扰、迷惑甚至破坏，使得 信息的欺骗性加强。由于未来信息的多源化，以及信息途径的多样化，加上高强度的 电子对抗和大量隐身目标的存在，单个传感器无法完整地掌握态势情况。为了完整掌 握战场态势，就必须使本地多传感器或者异地的多传感器协同工作，把全部信息融合 到一起，才能得到相对真实、确定的信息，这就需要多源信息融合系统。为此，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c3 i ( 指挥、控制、通 信与情报) 系统中和各种武器平台上以及许多民事领域得到了广泛的应用。 信息融合是关于协同利用多传感器数据信息，涉及多元信息检测、相关、估计 和综合并获取目标状态和特征估计以及态势和威胁评价的一种多级自动智能信息处 理过程。主要利用计算机技术对按时序获得的目标的多源信息在一定准则下加以分析 和综合，以完成所需的决策和控制任务，它集信号处理、统计、人工智能、模式识别、 认知科学、计算机科学及信息论等技术于一体，通过对各种传感器采集得到的各种各 样的、大量的信息进行多层次的、多界面的检测、相关、估计和综合等处理，从而最 大限度地获得观测目标的状态、特征等完整信息，进而产生有意义的新的信息，而这 一新信息是任何单一传感器所无法获得的。 信息融合得以成为目前研究的热点，是实际需要和巨大的应用前景所决定的。从 大量文献上可以看出，利用多传感器信息融合，可以获得许多潜在的好处。由于各个 传感器信息在时间和空间上的冗余性和互补性，可以扩展系统时间、空间及频率覆盖 范围、避免单传感器工作盲区，可提高信息收集率和更新率；同类多源测量信息的融 合能提高系统的工作性能指标，不同类型传感器获得目标、事件的多侧面属性信息， 能提高结论的可信度、增加系统的容错能力。 传统的有关目标状态和属性的信息处理多半是围绕着单个特定传感器所获得的 数据而进行的，例如处理来自雷达、红外、激光、声、电视、敌我识别、电子情报等 传感器的数据确定目标的状态和属性：而有关目标行为、态势评估、威胁度分析等高 层次的处理则是由人来完成的。因为这些高层次的信息处理本身包含着对来自各种传 感器数据资源的综合处理。应该说，多传感器的信息融合处理是人类和生物界信息处 理和推断的基本功能。这种思想除了用于高层次的信息处理之外，也可在诸如目标状 多传感器信息融台技术的研究 态估计、属性分类等低层次的信息处理中进行。 与传统豹国绕着蕈个特定绩惑嚣鼹获褥鳇信爨集焉进行懿信息处理比鞍，多传 感器信息融合在解决目标检测、跟踪和识别问题方面都具有很多的好处： l 、扩震了空闯覆蔫帮时闽覆盖静范围：透过侔焉区域及蕊溅时瀚交叠溪盖酶多 个传感器的协同作用，扩展了空间和时间覆盖范围，一种传感器可以探测到其它传感 器探测不翻的氇方或其它传感器不能顾及的事件或目标； 2 、增加测量空间的维数。 3 、降低了醋标的模糊度：多传感器的联合信息丰富了目标的信怠资源，降低了 只有单一传感器带来的目标信息的模糊性。 4 、提高了信号的空间分辨率：多传感器的联合孔径可以获得比任何单传感器 更麓的分淡率； 5 、提高系统可靠憾与可信度：一种或多种传感器对间一目标事件从不同的侧面 加以确汰，扶恧提裹了探测熬霹靠蠛窝可谂度： 6 、具有鲁棒性的工作性能：若干传感器不能利用或受到干扰，或某个别目标 事佟不在覆盖范溷内霹，憨会有一释传惑嚣哥醴缝侯绩惫。 信息融合理论的出现和在实际中的应用，尤其在军搴领域中，对大量来源于不同 传感器豁多源信惑进行信号帮嚣标静裣测、关联、蟊标状态匏估计帮鞭耩鼹踩、蟊标 识别和判别、战场环境的态势分析和威胁评价、传感器管理和数据库镣方面有着重强 意义。 虽然信息融合的应用研究己相当广泛，但是，信息融合问题本质未形成基本的理 论梃架和有效的广义模垄及冀法。其绝大部分工俸鄱是针对特定的应用领域内的问题 来开展研究，也就是说，目前对信息融合问题的研究是根据问蹶的种类，各自建立窿 观认识原理，并在此基础上形成所谓的最佳融合方案。如典型的分布式检测融合，己 从理论上解决了最佳融合准则、最伐局部次篡准则积周郝决繁门限的最优协凋方法， 并给出了响应的算法。但这些研究反映的只是信息融合所固有的面向对象的特点，也 难以援戏信息融合这独立学科艨必须驰宠熬理论体系。援因为如此，隰碍了磺究者对 信息融合本身的深入认识，也使得信息融合在某种程度上仅被看成是一种多传感器信 息处理援念；人们无法覆对售惠敲含终爨综合分攒羁谤髂，蠖餐融合系绞嚣设计繁有 一定的盲臼性。 裁己建残懿信惠融合系统寒看，仅仅蹩一静麓萃簿方法合成信惠，还没有充分有 效地利用多传感器所掇供的冗余信息，而许多信息融合的研究工作仍属于试探性，或 仿凑往静。同时，信患融合邀可詹鏊其它领域豹襁多技术，强入工智缝技术、计冀神 经网络技术等。因此，目前程信息融合具体方法的研究也还处于初级阶段。 信息融合不是- - i j 单一静技术，而是- - f g 跨学科的综合理论和方法，并且仍煞是 一个不很成熟的新的研究方向，尚处于不断的变化和发展过程。基于此，当前信息融 合的研究蓬点和发展方向可嗣纳为： ， 南京航空航天大学硕士学位论文 l 、 建立信息融合的基础理论 基础理论研究分为两个方面。一是同类信息相融合的数值处理方法，特别是研究 各种最优、次优分散式算法：二是不同类型信息相融合的处理方法，其理论研究难度 较大，目前以专家系统、各种人工智能技术为主。 2 、兼有稳健性和准确性的融合算法和模型的研究： 数据相关处理、融合处理和系统模拟的算法和模型是信息融合的研究重点，注意 这些算法和模型的稳健性和准确性，开展对信息融合系统的评估技术和度量标准研 究。 3 、信息融合处理系统的结构研究： 4 、人工神经网络和专家系统的应用： j 、研究信息融合用的数据库和知识库，高速进行检索和推理机制： 6 、分布式集成化信息融合系统结构与算法； 7 、建立信息融合系统的工程化设计方法和评估方法； 8 、行为评价的推理方法； 9 、具有软决策进行处理能力的集成化传感器研制； l o 、先进的、新兴的信号与信息处理理论和方法在信息融合中的应用。 1 2 信息融合的发展过程及国内外研究现状 信息融合这一词首先来源于美国，它的研究起源于c3 i 军事系统建设的需求。 自从第二次世界大战前研究出第一个监视雷达以来，设计人员一直希望通过雷达组网 获得整个空情的画面，全面掌握情报，从而做出一个正确的决策。最早的对空搜索雷 达的组网方法是5 0 多年前围绕着构成“h o m ec h a i n ”雷达传感器研究出来的。第二 次世界大战后，人们首次着手系统地定义雷达信息融合新概念，并开始解决信息融合 时间对齐问题。在军用c 3i 系统研究中，人们认识到只有把各种传感器的信息有效 地组合起来，即获取、综合、滤波估计、融合，才能实现自动化指挥。由于信息融本 身所具有的良好的性能稳定性、宽阔的时空覆盖区域很高的测量维数和良好的目标空 间分辨率以及较强的故障容错和系统重构能力等潜在特点，因此在信息融合问题2 开 始提出，就引起西方各国国防部门的高度重视，并将其列为军事高技术研究和发展领 域中的一个重要专题。 国外对信息融合技术的研究起步较早。使用多种不同传感器的系统早在第二次世 界大战末期就已开始出现。当时在高炮火控系统中开始同时使用了雷达和光学传感 器。两种传感器信息的组合运用，不仅有效地提高了高炮系统的瞄准精度，也大大提 高了抗恶劣气象、抗干扰能力。不过当时两种信源信息的综合评判只能人工完成，质 量不高，速度缓慢。现代信息融合概念7 0 年代出开始萌芽。最初主要在多种雷达同 时运用的条件下执行同类传感器信息融合处理，以后逐渐扩展。7 0 年代末期开始引 多传感器信息融合技术的研究 入电子战、e s m 系统，引起人们高度重视。8 0 年代初，在美国国防部先进技术计划局 ( d a r p a ) 的撮合下，美国陆、空军走向合作，共同执行“联合战术合成计划”，开发 研究美国情报与电子战方面第一个实用性的多传感器信息融合系统全源分析敌 情关联系统( a s a s e n s c e ) 。 在美国军事电子技术带动下，8 0 年代后期以来西方其它先进技术国家也已先后 加强多传感器信息融合研究活动，而且很快向民用部门扩展。1 9 8 7 年2 月，美国国 家科学基金会( n s f ) 首次在犹他州召开了“制造自动化中的多传感器信息融合”学 术研讨会。同年十月全美人工智能学会( a a i ) 在伊利诺斯州召开了“空间推理与多 传感器融合”学术研讨会。1 9 8 8 年，美国摄影仪器工程师协会( s p i e ) 主办了两次 有关信息融合的学术研讨会，一次主题为“空间推理与景物解释”，另一次主题为“传 感器融合”。同年，美国国防部把信息融合技术列为9 0 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。1 9 8 9 年，北约组织也在巴黎召开了这方面 的会议，主题是“计算机视觉中的多传感器融合”。美国三军政府组织一实验室理事 联席会( j d l ) 下设的c 3 技术委员会( t pc3 ) 专门成立了信息融合学术会议，并通 过8 p i e 传感器融合专辑、i e e et r a n s 、o na e 8 、a c 等发表有关论著；为了进行广泛 的国际交流，1 9 9 8 年成立了国际信息融合学会( i n t e r n a t i o n a ls o c i e t y o f i n f o r m a t i o nf u s i o n ) ，总部设在美国，每年举行一次信息融合研究国际学术大会。 与信息融合有关的国际会议主要有： 1 、i e e e 系统与控制会议： 2 、i e e e 航空航天与电子系统会议； 3 、i e e e 自动控制会议： 4 、i e e e # 日挥、控制、通信和信息管理系统( c3 m 1 8 ) 会议； 5 、国际军事运筹学会议； 6 、国际雷达、控制与判决、信号处理会议； 7 、国际信息融合议会( 每年一次，由国际信息融合学会举办) 。 此外，国外还先后出版了i 0 余部有关信息融合方面的专著。其中，l i n a s 和w a l t z 的专著多传感器数据融合和h a l l 的专著多传感器数据融合的数学技术对数据 融合研究的内容和公共基础作了全面系统地论述。b l a c k m a n n 的多目标跟踪及在雷 达中的应用，f a r i n a 、s t u d e r 的雷达数据处理、b a r - - s h a l o m $ 口f o r t m a n n 的专 著距踪和数据关联和多目标多传感器跟踪原理与技术，以及由b a r s h a l o m 主编的连续出版物多传感器多目标跟踪：方法和进展则综合报道了数据融合在目 标跟踪领域的新思想、新方法和新进展。 从2 0 世纪8 0 年代以来，美国三军总部对应用信息融合的战术和战略监视系统一 直给予高度的重视。美国国防部从海湾战争中实际体会到了信息融合技术的巨大潜 力。因此，在海湾战争结束后，更加重视信息自动综合处理技术的研究，并将通信局 改为信息局，在c 3 i 中增加了计算机，建立了以信息融合中心为核心的c 4 i 。从1 9 8 7 4 南京航空航天大学硕士学位论文 年到1 9 9 9 年的十几年间，每年用于信息融合的研究经费多达一亿美元。这期f 司相继 开发出军用分析系统( t c a c ) 、战场使用和目标获取系统( b e t a ) 、海军指挥控制系 统( n c c s ) 、全源信息分析系统( a s a s ) 、空军先进中距空对空导弹系统( a m r a a m ) 。 专用工作信息系统( s i o s ) 、海面监视信息融合专家系统( o s i f ) 、空中作战方案专 家系统( t a t r ) 、自动多传感器部分信息识别系统( a m s u ) 等军用系统。其他北约 国家在这方面的研究工作也十分活跃，如英国陆军开发了炮兵智能融合系统( a i d d ) 、 机动和控制系统( w a v e l l ) 等，德国准备在“豹2 ”坦克的改进宁运用信息融合和人 工智能等关键技术1 2 1 1 7 1 。 国内关于信息融合技术的研究则起步相对较晚，已经装备部队的一批指挥自动化 系统和正在研制的系统中，所进行的信息处理工作水平还不能作为典型的信息融合系 统，或只能作为其初级阶段。2 0 世纪8 0 年代，人们开始从事多目标跟踪技术研究，到 了8 0 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。2 0 世纪9 0 年代初，这 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技术的研究工作，出现了一大批理论研究成果。与此同 时，也有几部信息融合领域的学术专著和译著出版，其中，代表性的专著有：周宏仁、 敬忠良和王培德的机动目标跟踪、敬忠良的神经网络跟踪理论及应用、康耀 红的数据融合理论及应用、杨靖宇的战场数据融合技术、刘同明、夏祖勋和 解洪成的数据融合技术及应用、何友、王国宏、彭应宁的多传感器信息融合及 应用、权太范的信息融合神经网络一模糊推理理论及应用。有代表性的译作有： 赵宗贵等人的多传感器数据融合、数据融合方法概论，张秀兰等人的跟踪 和数据关联与水下信号和数据处理等。9 0 年代中期，信息融合技术在国内己发 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、多传感器综合跟踪与定位、分布信息融合、目标识别与决策 信息融合、姿态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。所以有理由相信我国信息融合的 发展前景。 1 3 信息融合的应用 信息融合在军用领域的应用 随着现代战争出现的新情况，许多因素推动着自动化信息融合系统的研究开发： 1 、目标机动性的提高和武器杀伤力的增强，要求在时间上及早地检测和识别目 标：要求更快的响应速度。 2 、 更复杂的威胁( 平台的多样性和高密度、低可观测性、先进的抗干扰技术) 要求进一步提高检测识别能力，从而使传感器数量和品种急剧增加。 3 、人工成本的增加以及某些任务中对操作人员的危险，要求采用数据融合的远 多传感器信息融合技术的职究 程控制和裔主武器系统。 信怠融合在军事上豹应瑙包括在蘸术和馥路一匕指挥、控制、通信、计算视、信忽、 鉴视和监察任务黪广溺擐域，矮体范爨可概括为：采蹦多传惑器鲶螽主式螽宅器系统嚣j 叁蚤式运载嚣；采用肇一戴器平台蛇f “域贬视系统；采用多个传感器避行截获、跟踪 和指令制器的火控系统；愤报收集系缆：敷壤糖示积颞罄系统以及军攀力艇的搓掺硼 控制战。 到目前为止，美、英、法、意、日等圈己研究出上百个军用融合系统，比较执型 的如：1 1 c a c 军用分析系统，b e t a 战场使用和目标获取系统，a s a s 全源分 析系统，d g r 辅助空中作战命令分析专家系统，m 肌军用般工无线i h 雷达 蕊准系统等。 在海 二军事应用领域，信怠融合系统的典鼙应用领域镪括：海军指挥控制t h 心( 国 家级) ，撬幸亍战略指挥帮控制任务：瓣酞指挥中心( 凝酞缀) ，济劲瓿酞指箨荧完成 整个溉酞瓣特报收集，嚣标信患综合，绩诗数方藏秘和战略意图，接收海军指挥控制 中心毂援令鄹情报，淹本舰| l 是艨属各躯发布淄息秘揍令；艘艇撂捧中心( 乎台绂) ， 负责收集、练合本舰作战区域内的数愤共报告上级指挥中心，接 | 叟上级愈令，协助完 成本舰的作战指撵：但各作战武器控制系统，用于侦察、截获、跟踪鄹制警武器系统； 以及舰载传感器性能评估和动态组合系统。 美英等国研制的典型海军军用信息融合系统有：0 s i f l _ 一海面监视信息融合专 家：n c ( s 海军指挥控制系统；i k b s 舰艇编队多传感器信息融合系统、这些系 统均为入工智能专家系统。o s i f 甭于海上舀标美联处理以确认目的纸、到达时间和 乍战任务。i k b s 蠲予对多传慧器信息融合，依据航迹、满性、行为模式对意两战 术憝窝发帮推理提出战术结梅。n c c s 是美国海军捷厅战术指挥和控截豁主要系统， 其范匿包糖从国家搔撵枫关( n c a ) 到舰跌秘宠残战! 馕愈茨器躲藏嚣。n c c s 毽牾岸 基设藏和海上舰载指撵中心，它能支持从传感器部件收集数握、镌关摹趣评馀数摄、处 理数攒，并把它们发送给其它舰艇。 民事中可能包括的应用领域如下： 1 、工业过程j j 矗视 工业过程监视是一个明显得信息融合应用领域，融合的目的是识别引起系统状态 趱出正常运行范围的故障条件，并据此触发若干报警辩。典型例子如梭反映堆髓税和 石油工、监中酶平台益j 琶。 2 、工监撬器天 业担器入蠖是模式识别秘壤毽技本来识蹦三缎对象，确定它们敬方位，著； 譬祝 器人的附件去处理这些对象，随罄绩感器技术骢发展，极嚣人上黝传感器数量姆不断 增加，结构将更加合理，馊它可以更自由地运动和更灵活地动作。为了处理枫器人上 多个传感器的数据并控制劾作，需要某种信息融合的功铯。 3 、遥感 南京航空航天大学硕士学位论文 遥感主要应用于对陆地和海洋等的监视，以便识别和监视地貌、气象模式、植物 生长。环境条件和威胁情况( 如原油泄漏、辐射泄漏) 以及探测矿产资源等。遥感图 像信息融合的目的是对物理现象和事件进行定位、识别和解释。 4 、空中交通管制 现有的空中交通管制系统主要由雷达和无线电提供空中图像，并由空中交通管制 器承担数据处理的任务。随着交通量的增加，将要求运用数据合成技术自动形成图像。 5 、病人照顾系统 病人的状况随时变化，要根据各种信息源( 传感器、病历、病史、气候、季节等) 的数据决定其护理和治疗方案。信息融合技术是处理这些信息的最佳方法。 6 、金融系统 大公司内的金融( 财会) 系统或国家经济系统需要利用许多信息源，因而存在一 个信息融合的问题。 1 4 论文的主要工作和论文结构 论文共六章，前两章主要概述了信息融合的概念、研究意义、国内外研究现状、 当前研究重点和发展方向，信息融合的应用领域。较为系统地介绍了信息融合的系统 模型、层次结构及主要算法。 第三章研究了信息融合中的不确定性推理方法，主要是b a y e s 方法和d s 证据 理论两种常用的不确定性推理方法，分别研究这两种方法的原理和在目标属性识别中 的应用，并对两种方法进行了综合比较，对于不确定性的处理，d s 证据理论要优 于b a y e s 方法。在d s 证据理论的应用上，本章将d s 方法应用于雷达体制的识别， 设计了分布式融合算法，实例表明融合效果比单一传感器识别有了很大提高。最后介 绍了几种d s 证据理论的近似算法，并通过简单例子对这几种近似算法作了比较。 第四章研究神经网络在信息融合中的应用。在深入模糊逻辑规划、产生规则、径 向基神经网络的基础上，分别将模糊逻辑规划与神经网络的结合、自组织径向基神经 网络运用在目标识别中。设计了基于径向基神经网络和模糊神经网络的雷达功能分类 器，并通过仿真来验证其识别率，得到了较好的识别效果。 第五章研究了信息融合在雷达和红外系统目标跟踪上的应用。完成了雷达和红外 传感器测距原理和跟踪目标角原理的研究。根据两种传感器各自测量数据的特点，利 用信息融合技术对它们的量测数据进行融合，以实现对机动目标的准确定位和跟踪。 根据跟踪级的集中式融合结构和分布式融合结构，文中给出了雷达和红外传感器基于 最优数据压缩的数据融合算法和航迹融合算法，通过仿真验证了融合算法的有效性。 第六章总结全文。 多传感器信息融合理论与技术的研究 第二章多传感器信息融合的基本理论 2 1 传感器的类型及数据特征 传感器是多传感器信息融合系统的硬件基础，传感器采集的数据是信息融合系统 的信息源，本节对传感器及传感器的数据做一下简要介绍。1 6 l 【”i 传感器种类繁多，但根据其用途、采集信息方式和决策形式，可将传感器进行如 下分类： 1 、根据用途将传感器分为对空、对海和水下三类这种分类方法可以较好地利用 空中目标、水面目标和水下目标的运动特征和空间位置特征。 2 、根据传感器是否发射能量，将传感器分为主动式和被动式两大类。主动式传 感器如雷达、i f f ( 敌我识别器) 等，被动式传感器如e s m 等。通常，被动式传感器 不能获得关于目标位置的距离信息，从而给信息融合带来了很大的不确定性。 3 、根据是否要求目标合作，将传感器分为合作传感器和非合作传感器。所谓合 作传感器，就是传感器要求目标以预先确定的方式同其合作，如i f f ；否则，即为非 合作传感器，通常合作传感器i f f 的报告用于目标识别的敌我属性层。 4 、根据传感器的决策和报告方式，可分为硬传感器( h a r ds e n s o r ) 和软传感 器( s o f ts e n s o r ) 两大类。所谓硬传感器，即硬决策传感器，是选择单一结论的传 感器；而软传感器，即软决策传感器，则把决策空间分成多个区域，每个决策区域代 表了不同的决策门限，在向融合中心报告时，结果往往是多个假设，且对每个假设伴 以相应的置信度或不确定程度的属性函数。由于硬传感器不能给融合中心提供低于决 策门限的信息，因而丢掉了许多信息，而软传感器则可在任一信号级别上提供关于决 策假设集和相应的属性函数，允许在很宽范围内对数据进行融合，因而具有可以比硬 传感器在较大范围内得到全局决策的优点。 由于各传感器作用不同，它们具有各自的一些特点，如：雷达系统提供目标 的位置和速度信息；敌我识别器( i f f ) 提供被发现目标的敌我属性和距离、方 位、信息等；e s m - - 提供辐射源特征参数、目标方位和籍别信息 对用于战斗飞机的5 种主要传感器类型的性能和缺点进行了比较，如表2 1 、表 2 2 所示 8 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 1 典型传感器性能1 频谱范围传感器类型传感器帧速率探测距离 l 3 0 秒帧 l o k m 宽视场 前视红外 8 1 2 “m 被动 2 0 k m 中视场 2 5 6 2 5 6 像素 l o o k m 窄视场 红外搜索跟 3 5 “m被动 3 7 0 k m 踪 激光雷达主动 1 0 2 0 秒帧 1 0 k m 1 0 6 儿m 1 2 8 x 1 2 8 像素 合成孔径雷 6 0 0 m h z 被动 1 - - 5 0 秒帧， 3 0 0 k m 达 6 0 g h z取决于距离取决于功率 电子支援措 1 3 0 0 g h z被动 一o b e 。孓m ( 露) ( 3 2 ? ) 姻 定义3 ：若辨识框架的o 一子集为a ，鼠有m 似1 0 ，贝n 称a 为信任函数b e l 的焦元 ( f o c a le l e m e n t ) ，濒骞焦露戆势蔡稼馋嫉( c o r e ) 。 对于a 的未知信息可