信息融合技術

1、信息融合技術信息融合技術u概概 述述u信息融合的分類和結構信息融合的分類和結構 u信息融合的一般方法信息融合的一般方法 u信息融合的實例信息融合的實例 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述融合融合(fusion)的概念開始出現(xiàn)于的概念開始出現(xiàn)于70年代初期，當時稱之年代初期，當時稱之為多源相關、多源合成、多傳感器混合或數(shù)據(jù)融合為多源相關、多源合成、多傳感器混合或數(shù)據(jù)融合(DataFusion)，現(xiàn)在多稱之為信息融合，現(xiàn)在多稱之為信息融合 (InformationFusion)或數(shù)據(jù)融合?；驍?shù)據(jù)融合。融合是指采集并集成各種信息源、多媒體和多格式信融合是指采集并集成各種信息源、多媒體和多格式信息，從而生成完整

2、、準確、及時和有效的綜合信息過程。息，從而生成完整、準確、及時和有效的綜合信息過程。數(shù)據(jù)融合技術結合多傳感器的數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)庫的相關數(shù)據(jù)融合技術結合多傳感器的數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)庫的相關信息以獲得比單個傳感器更精確、更明確的推理結果。信息以獲得比單個傳感器更精確、更明確的推理結果。信息融合是對多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進行信息融合是對多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進行綜合處理和優(yōu)化的技術。傳感器信息融合技術從多信息綜合處理和優(yōu)化的技術。傳感器信息融合技術從多信息的視角進行處理及綜合，得到各種的視角進行處理及綜合，得到各種 信息的內(nèi)在聯(lián)系和信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從而剔除無用的和錯誤的信息，保留

3、正確的和有規(guī)律，從而剔除無用的和錯誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實現(xiàn)信息的用的成分，最終實現(xiàn)信息的優(yōu)化優(yōu)化。一、概念一、概念定義定義：將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進行合成，形將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進行合成，形成一種對外部環(huán)境或被測對象某一特征的表達方式成一種對外部環(huán)境或被測對象某一特征的表達方式。單一傳感器只能獲得環(huán)境或被測對象的部分信息段，單一傳感器只能獲得環(huán)境或被測對象的部分信息段，而多傳感器信息經(jīng)過融合后能夠完善地、準確地反映而多傳感器信息經(jīng)過融合后能夠完善地、準確地反映環(huán)境的特征環(huán)境的特征。它也為智能信息處理技術的研究提供了它也為智能信息處理技術的研究提供了新的觀念。經(jīng)過

4、融合的多傳感器信息具有以下特征：新的觀念。經(jīng)過融合的多傳感器信息具有以下特征：信息的冗余性、互補性、協(xié)同性、實時性以及低成本信息的冗余性、互補性、協(xié)同性、實時性以及低成本性。多傳感器信息融合與經(jīng)典信號處理方法之間存在性。多傳感器信息融合與經(jīng)典信號處理方法之間存在本質(zhì)的區(qū)別，其關鍵在于信息融合所處理的多傳感器本質(zhì)的區(qū)別，其關鍵在于信息融合所處理的多傳感器信息具有更為復雜的形式，而且可以在不同的信息層信息具有更為復雜的形式，而且可以在不同的信息層次上出現(xiàn)。次上出現(xiàn)。 二、二、國外信息融合技術的發(fā)展國外信息融合技術的發(fā)展美國國防部三軍實驗室理事聯(lián)席會（美國國防部三軍實驗室理事聯(lián)席會（JDLJDL）的

5、對信）的對信息融合技術的定義為：信息融合是一個對從單個息融合技術的定義為：信息融合是一個對從單個和多個信息源獲取的數(shù)據(jù)和信息進行關聯(lián)、相關和多個信息源獲取的數(shù)據(jù)和信息進行關聯(lián)、相關和綜合，以獲得精確的位置和身份估計，以及對和綜合，以獲得精確的位置和身份估計，以及對態(tài)勢和威脅及其重要程度進行全面及時評估的信態(tài)勢和威脅及其重要程度進行全面及時評估的信息處理過程；該過程是對其估計、評估和額外信息處理過程；該過程是對其估計、評估和額外信息源需求評價的一個持續(xù)精練（息源需求評價的一個持續(xù)精練（refinementrefinement）過）過程，同時也是信息處理過程不斷自我修正的一個程，同時也是信息處理過

6、程不斷自我修正的一個過程，以獲得結果的改善。后來，過程，以獲得結果的改善。后來，JDLJDL將該定義修將該定義修正為：信息融合是指對單個和多個傳感器的信息正為：信息融合是指對單個和多個傳感器的信息和數(shù)據(jù)進行多層次、多方面的處理，包括：自動和數(shù)據(jù)進行多層次、多方面的處理，包括：自動檢測、關聯(lián)、相關、估計和組合檢測、關聯(lián)、相關、估計和組合。 信息融合技術自信息融合技術自19731973年初次提出以后，經(jīng)歷了年初次提出以后，經(jīng)歷了2020世紀世紀8080年代初、年代初、9090年代初和年代初和9090年代末三次研究熱年代末三次研究熱潮。各個領域的研究者們都對信息融合技術在所潮。各個領域的研究者們都對

7、信息融合技術在所研究領域的應用展開了研究，取得了一大批研究研究領域的應用展開了研究，取得了一大批研究成果，并總結出了行之有效的工程實現(xiàn)方法。美成果，并總結出了行之有效的工程實現(xiàn)方法。美國在該項技術的研究方面一直處于世界領先地位，國在該項技術的研究方面一直處于世界領先地位，19731973年，在美國國防部資助開發(fā)的聲納信號理解年，在美國國防部資助開發(fā)的聲納信號理解系統(tǒng)中首次提出了數(shù)據(jù)融合技術，系統(tǒng)中首次提出了數(shù)據(jù)融合技術，19881988年，美國年，美國國防部把數(shù)據(jù)融合技術列為國防部把數(shù)據(jù)融合技術列為9090年代重點研究開發(fā)年代重點研究開發(fā)的的2020項關鍵技術之一。據(jù)統(tǒng)計，項關鍵技術之一。據(jù)統(tǒng)

8、計，19911991年美國已有年美國已有5454個數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)引入到軍用個數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)引入到軍用電子電子系統(tǒng)中去，其系統(tǒng)中去，其中中87%87%已有試驗樣機、試驗床或已被應用。目前已已有試驗樣機、試驗床或已被應用。目前已進入實用階段。進入實用階段。 應用人工智能技術（專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡等）解應用人工智能技術（專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡等）解決目標識別、戰(zhàn)場態(tài)勢關聯(lián)與估計處于應用試驗決目標識別、戰(zhàn)場態(tài)勢關聯(lián)與估計處于應用試驗階段；信息融合仿真試驗、測試與評估技術目前階段；信息融合仿真試驗、測試與評估技術目前正在向適應聯(lián)合作戰(zhàn)需求的方向發(fā)展，效能評估正在向適應聯(lián)合作戰(zhàn)需求的方向發(fā)展，效能評估處于建模階段。

9、上述技術所形成的信息融合產(chǎn)品處于建模階段。上述技術所形成的信息融合產(chǎn)品已裝備在某些戰(zhàn)術、戰(zhàn)略系統(tǒng)中。如已裝備在某些戰(zhàn)術、戰(zhàn)略系統(tǒng)中。如全球網(wǎng)絡全球網(wǎng)絡中心監(jiān)視與瞄準中心監(jiān)視與瞄準（GNCSTGNCST）系統(tǒng)是美國空軍的新）系統(tǒng)是美國空軍的新型情報信息融合處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對信息源幾乎型情報信息融合處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對信息源幾乎沒有限制，可接收無人機（沒有限制，可接收無人機（UAVUAV）、）、E-8CE-8C、RC-135RC-135等平臺上光電、合成孔徑雷達、信號情報偵察裝等平臺上光電、合成孔徑雷達、信號情報偵察裝置等各種傳感器的近實時信息，將它們消化處理置等各種傳感器的近實時信息，將它們消化處

10、理成對作戰(zhàn)官兵有用的信息，并以很快的速度和很成對作戰(zhàn)官兵有用的信息，并以很快的速度和很高的精度發(fā)送給用戶。高的精度發(fā)送給用戶。英國英國BAEBAE系統(tǒng)公司還開發(fā)一種被稱作系統(tǒng)公司還開發(fā)一種被稱作分布式數(shù)據(jù)融合分布式數(shù)據(jù)融合 （DecentralizedDataFusionDecentralizedDataFusion，DDFDDF）的信息融合新技術。這）的信息融合新技術。這項技術的獨特之處在于它采用的是分布式數(shù)據(jù)融合技術，而傳項技術的獨特之處在于它采用的是分布式數(shù)據(jù)融合技術，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合都是集中式的，即所有的信息在一個中心節(jié)點完統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合都是集中式的，即所有的信息在一個中心節(jié)點完成綜合和

11、融合。這樣，一旦中心節(jié)點遭到攻擊，就會破壞整個成綜合和融合。這樣，一旦中心節(jié)點遭到攻擊，就會破壞整個系統(tǒng)。但采用系統(tǒng)。但采用DDFDDF技術的系統(tǒng)就不存在這樣的問題，因為綜合技術的系統(tǒng)就不存在這樣的問題，因為綜合和融合是在網(wǎng)絡中的任何節(jié)點上進行的。若一個節(jié)點脫離網(wǎng)絡，和融合是在網(wǎng)絡中的任何節(jié)點上進行的。若一個節(jié)點脫離網(wǎng)絡，其他部分仍會繼續(xù)工作并共享、綜合和融合信息。其他部分仍會繼續(xù)工作并共享、綜合和融合信息。 BAEBAE系統(tǒng)公司已成功驗證了將地面和空中的分散的傳感器組系統(tǒng)公司已成功驗證了將地面和空中的分散的傳感器組網(wǎng)互聯(lián)并融合其信息的技術。使傳感器網(wǎng)絡中的全部數(shù)據(jù)都被網(wǎng)互聯(lián)并融合其信息的技術

12、。使傳感器網(wǎng)絡中的全部數(shù)據(jù)都被實時地綜合和融合到了一幅單一的作戰(zhàn)空間態(tài)勢圖中。該公司實時地綜合和融合到了一幅單一的作戰(zhàn)空間態(tài)勢圖中。該公司在試驗中成功在在試驗中成功在8 8個節(jié)點之間進行了組網(wǎng)互聯(lián)，這個節(jié)點之間進行了組網(wǎng)互聯(lián)，這8 8個節(jié)點包括個節(jié)點包括2 2架自主式架自主式UAVUAV、1 1臺戰(zhàn)場監(jiān)視雷達、臺戰(zhàn)場監(jiān)視雷達、1 1臺武器定位雷達、臺武器定位雷達、2 2名帶名帶有電子式雙眼望遠鏡及掌上有電子式雙眼望遠鏡及掌上電腦電腦的士兵和的士兵和2 2名乘坐吉普車在試名乘坐吉普車在試驗場上機動的士兵。整個網(wǎng)絡可以動態(tài)地進行重新布局。一旦驗場上機動的士兵。整個網(wǎng)絡可以動態(tài)地進行重新布局。一旦武

13、器定位雷達檢測到武器定位雷達檢測到敵敵火炮開火，自主式火炮開火，自主式UAVUAV可立刻得到可立刻得到相關信息，并迅速飛往有關區(qū)域進行調(diào)查；戰(zhàn)場偵察雷達可跟相關信息，并迅速飛往有關區(qū)域進行調(diào)查；戰(zhàn)場偵察雷達可跟蹤地面機動目標，即使該目標離開了視線，該雷達仍可對目標蹤地面機動目標，即使該目標離開了視線，該雷達仍可對目標保持保持虛擬跟蹤虛擬跟蹤或或虛擬警戒虛擬警戒；一旦某架；一旦某架UAVUAV飛越了一個飛越了一個不同的傳感器，它將把該傳感器引入這個網(wǎng)絡，從而使單一態(tài)不同的傳感器，它將把該傳感器引入這個網(wǎng)絡，從而使單一態(tài)勢圖中的信息更為完備和準確。勢圖中的信息更為完備和準確。 三、信息融合的關鍵技

14、術三、信息融合的關鍵技術 數(shù)據(jù)融合是一種多層次、多方位的處理過程，需要對多種數(shù)據(jù)融合是一種多層次、多方位的處理過程，需要對多種來源數(shù)據(jù)進行檢測、相關和綜合以進行更精確的態(tài)勢評估。來源數(shù)據(jù)進行檢測、相關和綜合以進行更精確的態(tài)勢評估。數(shù)據(jù)（或信息）融合系統(tǒng)的根本目標是將傳感器得到的數(shù)數(shù)據(jù)（或信息）融合系統(tǒng)的根本目標是將傳感器得到的數(shù)據(jù)（如信號、圖像、數(shù)量和矢量信息等）、人的輸入信息據(jù)（如信號、圖像、數(shù)量和矢量信息等）、人的輸入信息以及已有的原始信息轉化成關于某種狀態(tài)和威脅的知識。以及已有的原始信息轉化成關于某種狀態(tài)和威脅的知識。多傳感器數(shù)據(jù)融合通過信號處理技術、圖像處理技術、模多傳感器數(shù)據(jù)融合通過

15、信號處理技術、圖像處理技術、模式識別技術、估計技術以及自動推理技術等多種技術提高式識別技術、估計技術以及自動推理技術等多種技術提高狀態(tài)感知能力。該技術廣泛用于自動目標識別、敵狀態(tài)感知能力。該技術廣泛用于自動目標識別、敵/ /我我/ /中中立方識別（立方識別（IFFNIFFN）處理以及自動狀態(tài)評估等應用領域，相）處理以及自動狀態(tài)評估等應用領域，相關的關鍵技術有：關的關鍵技術有： 多目標跟蹤的信息融合技術多目標跟蹤的信息融合技術多假定跟蹤和相關技術多假定跟蹤和相關技術隨機數(shù)據(jù)關連慮波（隨機數(shù)據(jù)關連慮波（PDAFPDAF）技術）技術交互式復合建模交互式復合建模(IMM)(IMM)技術技術目標機動信息

16、處理技術（自適自噪聲模型等）目標機動信息處理技術（自適自噪聲模型等）非非線性濾波技術線性濾波技術融合結構技術（集中式結構與分布式結構）融合結構技術（集中式結構與分布式結構）相似傳感器融合技術（結構、算法和方法）相似傳感器融合技術（結構、算法和方法）不相似的不相似的傳感器融合技術傳感器融合技術傳感器對準技術（包括各種類型的對準傳感器對準技術（包括各種類型的對準難題及其解決技術）難題及其解決技術）特征融合技術（識別特征融合技術（識別/ /分類、證明分類、證明推算、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、貝斯網(wǎng)絡等）推算、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、貝斯網(wǎng)絡等）四、意義及應用四、意義及應用信息融合技術的實現(xiàn)

17、和發(fā)展以信息電子學的原理、方法、技術為基礎。信息融合系統(tǒng)要采用多種傳感器收集各種信息，包括聲、光、電、運動、視覺、觸覺、力覺以及語言文字等。信息融合技術中的分布式信息處理結構通過無線網(wǎng)絡無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡有線網(wǎng)絡，智能網(wǎng)絡智能網(wǎng)絡，寬帶智能綜合數(shù)字寬帶智能綜合數(shù)字網(wǎng)絡網(wǎng)絡等匯集信息，傳給融合中心進行融合。除了自然(物理)信息外，信息融合技術還融合社會類信息，以語言文字為代表，涉及到大規(guī)模漢語資料庫、語言知識的獲取理論與方法、機器翻譯、自然語言解釋與處理技術等，信息融合采用分形分形、混沌混沌、模糊推理模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡等數(shù)學和物理的理論及方法。它的發(fā)展方向是對非線性、復雜環(huán)境因素

18、的不同性質(zhì)的信息進行綜合、相關，從各個不同的角度去觀察、探測世界。1 1、在信息電子學領域、在信息電子學領域 2 2、在計算機科學領域、在計算機科學領域 在計算機科學中，目前正開展著并行數(shù)據(jù)庫并行數(shù)據(jù)庫、主動主動數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫、多數(shù)據(jù)庫多數(shù)據(jù)庫的研究。信息融合要求系統(tǒng)能適應變化的外部世界，因此，空間、時間數(shù)據(jù)庫的概念應運而生，為數(shù)據(jù)融合提供了保障?？臻g意味著不同種類的數(shù)據(jù)來自于不同的空間地點不同種類的數(shù)據(jù)來自于不同的空間地點，時間意味著數(shù)據(jù)庫能隨時間的變化適應客觀環(huán)境的相應變化數(shù)據(jù)庫能隨時間的變化適應客觀環(huán)境的相應變化。信息融合處理過程要求有相應的數(shù)據(jù)庫原理和結構，以便融合隨時間、空間變化了的數(shù)

19、據(jù)。在信息融合的思想下，提出的空間、時間數(shù)據(jù)庫，是計算機科學的一個重要的研究方向。3 3、在自動化領域、在自動化領域以各種控制理論為基礎，信息融合技術采用模糊控制模糊控制、智能控制智能控制、進化計算進化計算等系統(tǒng)理論，結合生物、經(jīng)濟、社會、軍事等領域的知識，進行定性、定量分析。按照人腦的功能和原理進行視覺、聽覺、觸覺、力覺、知覺、注意、記憶、學習和更高級的認識過程，將空間、時間的信息進行融合，對數(shù)據(jù)和信息進行自動解釋，對環(huán)境和態(tài)勢給予判定。目前的控制技術，已從程序控制進入了建立在信息融合基礎上的智能控制。智能控制系統(tǒng)不僅用于軍事，還應用于工廠企業(yè)的生產(chǎn)過程控制和產(chǎn)供銷管理、城市建設規(guī)劃、道路交

20、通管理、商業(yè)管理、金融管理與預測、地質(zhì)礦產(chǎn)資源管理、環(huán)境監(jiān)測與保護、糧食作物生長監(jiān)測、災害性天氣預報及防治等涉及宏觀、微觀和社會的各行各業(yè)。 三、優(yōu)點三、優(yōu)點增加了系統(tǒng)的生存能力增加了系統(tǒng)的生存能力擴展了空間覆蓋范圍擴展了空間覆蓋范圍擴展了時間覆蓋范圍擴展了時間覆蓋范圍提高了可信度提高了可信度降低了信息的模糊度降低了信息的模糊度改善了探測性能改善了探測性能提高了空間分辨率提高了空間分辨率增加了測量空間的維數(shù)增加了測量空間的維數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 信息融合的分類和結構信息融合的分類和結構 1 1、組合：由多個傳感器組合成平行或互補方式來獲得多組數(shù)據(jù)輸、組合：由多個傳感器組合成平行或互補方式來獲得多組數(shù)

21、據(jù)輸出的一種處理方法，是一種最基本的方式，涉及的問題有輸出方式出的一種處理方法，是一種最基本的方式，涉及的問題有輸出方式的協(xié)調(diào)、綜合以及傳感器的選擇。在硬件這一級上應用。的協(xié)調(diào)、綜合以及傳感器的選擇。在硬件這一級上應用。2 2、綜合：信息優(yōu)化處理中的一種獲得明確信息的有效方法。、綜合：信息優(yōu)化處理中的一種獲得明確信息的有效方法。例：在虛擬現(xiàn)實技術中，使用兩個分開設置的攝像機同時拍攝到一例：在虛擬現(xiàn)實技術中，使用兩個分開設置的攝像機同時拍攝到一個物體的不同側面的兩幅圖像，綜合這兩幅圖像可以復原出一個準個物體的不同側面的兩幅圖像，綜合這兩幅圖像可以復原出一個準確的有立體感的物體的圖像。確的有立體感

22、的物體的圖像。3 3、融合：當將傳感器數(shù)據(jù)組之間進行相關或?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)與系統(tǒng)、融合：當將傳感器數(shù)據(jù)組之間進行相關或?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)部的知識模型進行相關，而產(chǎn)生信息的一個新的表達式。內(nèi)部的知識模型進行相關，而產(chǎn)生信息的一個新的表達式。4 4、相關：通過處理傳感器信息獲得某些結果，不僅需要單項信息、相關：通過處理傳感器信息獲得某些結果，不僅需要單項信息處理，而且需要通過相關來進行處理，獲悉傳感器數(shù)據(jù)組之間的關處理，而且需要通過相關來進行處理，獲悉傳感器數(shù)據(jù)組之間的關系，從而得到正確信息，剔除無用和錯誤的信息。系，從而得到正確信息，剔除無用和錯誤的信息。相關處理的目的：對識別、預測、學習和記憶等

23、過程的信息進行綜相關處理的目的：對識別、預測、學習和記憶等過程的信息進行綜合和優(yōu)化。合和優(yōu)化。一、信息融合分類一、信息融合分類 圖1 信息融合層次 (2)JDL2)JDL模型模型(Joint Directors of (Joint Directors of LaboratoriesLaboratories，JDL)JDL)和和-JDL-JDL模型模型 該模型將融合過程分為四個階段：信源處理，第一該模型將融合過程分為四個階段：信源處理，第一層處理層處理( (即目標提取即目標提取) )、第二層處理、第二層處理( (即態(tài)勢提取即態(tài)勢提取) )、第三層提取第三層提取( (即威脅提取即威脅提取) )和第

24、四層提取和第四層提取( (即過程提即過程提取取) )。模型中的每一個模塊都可以有層次地進一步。模型中的每一個模塊都可以有層次地進一步分割，并且可以采用不同的方法來實現(xiàn)它們。分割，并且可以采用不同的方法來實現(xiàn)它們。-JDLJDL模型為模型為JDLJDL模型的簡化，把模型的簡化，把0 0層包含進了層包含進了1 1層，層，4 4層融人其他各層中。層融人其他各層中。 圖2 JDL模型 圖3 -JDL模型(3) 按照數(shù)據(jù)流融合的位置進行分類按照數(shù)據(jù)流融合的位置進行分類 多傳感器融合系統(tǒng)中的一個關鍵問題是在何處對多傳感器融合系統(tǒng)中的一個關鍵問題是在何處對數(shù)據(jù)流進行融合。按照融合位置的不同可以將融數(shù)據(jù)流進行

25、融合。按照融合位置的不同可以將融合結構分為以下三種類合結構分為以下三種類 型：集中式融合、分布式型：集中式融合、分布式多傳感器融合和無中心融合結構。對于特定的信多傳感器融合和無中心融合結構。對于特定的信息融合應用不可能找到一種最優(yōu)的融合結構，結息融合應用不可能找到一種最優(yōu)的融合結構，結構的選擇必須綜合考慮計算資源、可用的通信帶構的選擇必須綜合考慮計算資源、可用的通信帶寬、精度要求、傳感器能力等。寬、精度要求、傳感器能力等。 多傳感器信息融合之所以被廣泛地研究是由于它多傳感器信息融合之所以被廣泛地研究是由于它與單一傳感器信息利用相比具有如下特點：與單一傳感器信息利用相比具有如下特點： （1 1）

26、容錯性。在單一傳感器出現(xiàn)誤差或失效的情）容錯性。在單一傳感器出現(xiàn)誤差或失效的情況下，系統(tǒng)仍能正?？煽康毓ぷ鳌r下，系統(tǒng)仍能正?？煽康毓ぷ?。 （2 2）互補性。各傳感器除提供對象的共性反映外，）互補性。各傳感器除提供對象的共性反映外，還提供與各傳感器本身有關的特性反映，因而利還提供與各傳感器本身有關的特性反映，因而利用信息融合就能實現(xiàn)不同傳感器之間的信息互補，用信息融合就能實現(xiàn)不同傳感器之間的信息互補，從而提高信息的利用率、減少系統(tǒng)認識的不正確從而提高信息的利用率、減少系統(tǒng)認識的不正確性。性。 （3 3）實時性。能以較少的時間獲取更多的信息。）實時性。能以較少的時間獲取更多的信息。大大提高系統(tǒng)的

27、識別效率大大提高系統(tǒng)的識別效率。 二、信息融合的結構二、信息融合的結構信息融合的結構分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種信息融合的結構分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種 Sn S2 S1Y1Y2YnC1C2CnYSC1C2Cn(a) 串聯(lián)(b) 并聯(lián)C1，C2，Cn表示n個傳感器S1,S2,，Sn表示來自各個傳感器信息融合中心的數(shù)據(jù)y1，y2，yn表示融合中心。 三、信息融合系統(tǒng)結構的實例三、信息融合系統(tǒng)結構的實例一種雷達測量的信息融合結構局部局部處理器處理器局部局部處理器處理器 外部邏輯外部邏輯中央中央處理器處理器傳感器信號傳感器信號先驗信息修正信息先驗信息修正信息傳感器故障檢測系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 信息融合的一般方法信息融合的

28、一般方法 由多種傳感器所獲得的客觀環(huán)境(即被測對象)的多組數(shù)據(jù)就是客觀環(huán)境按照某種映射關系映射關系形成的像像，信息融合就是通過像求解原像像求解原像，即對客觀環(huán)境加以了解。用數(shù)學語言描述就是，所有傳感器的全部信息，也只能描述環(huán)境的某些方面的特征，而具有這些特征的環(huán)境卻有很多，要使一組數(shù)據(jù)對應惟一的環(huán)境(即上述映射為一一映射)，就必須對映射的原像和映射本身加約束條件，使問題能有惟一的解。嵌入約束法最基本的方法：Bayes估計估計和卡爾曼濾波卡爾曼濾波嵌入約束法、證據(jù)組合法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法嵌入約束法、證據(jù)組合法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法 一、嵌入約束法一、嵌入約束法1.Bayes估計估計是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感

29、器低層數(shù)據(jù)融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器低層數(shù)據(jù)的一種常用方法。其信息描述為概率分布，適用于具有可加高斯噪聲的不可加高斯噪聲的不確定性信息確定性信息。假定完成任務所需的有關環(huán)境的特征物用向量f表示，通過傳感器獲得的數(shù)據(jù)信息用向量d來表示，d和f都可看作是隨機向量。信息融合的任務就是由數(shù)據(jù)d推導和估計環(huán)境f。假設p(f，d)為隨機向量f和d的聯(lián)合概率分布密度函數(shù)，則)()|()()|(),(fpdfpdpdfpdfpp(f|d)表示在已知d的條件下，f關于d的條件概率密度函數(shù)p(f|d)表示在已知f 的條件下，d關于f的條件概率密度函數(shù)p(d)和p(f)分別表示d和f的邊緣分布密度函數(shù)已知d時，要推斷f

30、，只須掌握p(f|d)即可，即)(/ )()|()|(dpfpfdpdfp上式為概率論中的Bayes公式，是嵌入約束法的核心。信息融合通過數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息d做出對環(huán)境f的推斷，即求解p(f|d)。由Bayes公式知，只須知道p(f|d)和p(f)即可。因為p(d)可看作是使p(f|d)p(f)成為概率密度函數(shù)的歸一化常數(shù)，p(d|f)是在已知客觀環(huán)境變量f的情況下，傳感器得到的d關于f的條件密度。當環(huán)境情況和傳感器性能已知時，p(f|d)由決定環(huán)境和傳感器原理的物理規(guī)律完全確定。而p(f)可通過先驗知識先驗知識的獲取和積累，逐步漸近準確地得到，因此，一般總能對p(f)有較好的近似描述。在嵌入約

31、束法中，反映客觀環(huán)境和傳感器性能與原理的各種約束條件主要體現(xiàn)在p(f|d) 中，而反映主觀經(jīng)驗知識的各種約束條件主要體現(xiàn)在p(f)中。在傳感器信息融合的實際應用過程中，通常的情況是在某一時刻從多種傳感器得到一組數(shù)據(jù)信息d，由這一組數(shù)據(jù)給出當前環(huán)境的一個估計f。因此,實際中應用較多的方法是尋找最大后驗估計g，即即最大后驗估計是在已知數(shù)據(jù)為d的條件下，使后驗概率密度p(f)取得最大值得點g，根據(jù)概率論，最大后驗估計g滿足當p(f)為均勻分布時，最大后驗估計g滿足 此時，最大后驗概率最大后驗概率也稱為極大似然估計。當傳感器組的觀測坐標一致時，可以用直接法對傳感器測量數(shù)據(jù)進行融合。在大多數(shù)情況下，多傳

32、感器從不同的坐標框架對環(huán)境中同一物體進行描述，這時傳感器測量數(shù)據(jù)要以間接的方式采用Bayes估計進行數(shù)據(jù)融合。間接法要解決的問題是求出與多個傳感器讀數(shù)相一致的旋轉矩陣R和平移矢量H。）（）（dfpdgpf|max）（）（）（）（fpfdpgpdgpf|max）（）（fdpfgpf|max在傳感器數(shù)據(jù)進行融合之前，必須確保測量數(shù)據(jù)代表在傳感器數(shù)據(jù)進行融合之前，必須確保測量數(shù)據(jù)代表同一實物，即要對傳感器測量進行一致性檢驗。常用同一實物，即要對傳感器測量進行一致性檢驗。常用以下距離公式來判斷傳感器測量信息的一致：以下距離公式來判斷傳感器測量信息的一致：式中式中x1和和x2為兩個傳感器測量信號，為兩個

33、傳感器測量信號，C為與兩個傳感為與兩個傳感器相關聯(lián)的方差陣，當距離器相關聯(lián)的方差陣，當距離T小于某個閾值時，兩個小于某個閾值時，兩個傳感器測量值具有一致性。這種方法的實質(zhì)是剔除傳感器測量值具有一致性。這種方法的實質(zhì)是剔除處于誤差狀態(tài)的傳感器信息而保留處于誤差狀態(tài)的傳感器信息而保留“一致傳感器一致傳感器”數(shù)據(jù)計算融合值。數(shù)據(jù)計算融合值。 21121)(21xxCxxTT2.卡爾曼濾波卡爾曼濾波(KF)用于實時融合動態(tài)的低層次冗余傳感器數(shù)據(jù)實時融合動態(tài)的低層次冗余傳感器數(shù)據(jù)，該方法用測量模型的統(tǒng)計特性，遞推決定統(tǒng)計意義下最優(yōu)融合數(shù)據(jù)合計。如果系統(tǒng)具有線性動力學模型，且系統(tǒng)噪聲和傳感器噪聲可用高斯分

34、布的白噪聲模型來表示，KF為融合數(shù)據(jù)提供惟一的統(tǒng)計意義下的最優(yōu)估計，KF的遞推特性使系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理不需大量的數(shù)據(jù)存儲和計算。KF分為分散卡爾曼濾波散卡爾曼濾波(DKF)和擴展卡爾曼濾波擴展卡爾曼濾波(EKF)。DKF可實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合完全分散化，其優(yōu)點優(yōu)點：每個傳感器節(jié)點失效不會導致整個系統(tǒng)失效。而EKF的優(yōu)點優(yōu)點：可有效克服數(shù)據(jù)處理不穩(wěn)定性或系統(tǒng)模型線性程度的誤差對融合過程產(chǎn)生的影響。嵌入約束法傳感器信息融合的最基本方法之一，其缺點缺點：需要對多源數(shù)據(jù)的整體物理規(guī)律有較好的了解，才能準確地獲得p(d|f)，但需要預知先驗分布p(f)。二、證據(jù)組合法二、證據(jù)組合法證據(jù)組合法認為完成某項智能任

35、務是依據(jù)有關環(huán)境某方面的信息做出幾種可能的決策幾種可能的決策，而多傳感器數(shù)據(jù)信息在一定程度上反映環(huán)境這方面的情況。因此，分析每一數(shù)據(jù)作為支持某種決策證據(jù)的支持程度，并將不同傳感器數(shù)據(jù)的支持程度進行組合，即證據(jù)組合，分析得出現(xiàn)有組合證據(jù)支持程度最大的決策作為信息融合的結果。證據(jù)組合法是對完成某一任務的需要而處理多種傳感器的數(shù)據(jù)信息，完成某項智能任務，實際是做出某項行動決策。它先對單個傳感器數(shù)據(jù)信息每種可能決策的支持程度給出度量(即數(shù)據(jù)信息作為證據(jù)對決策的支持程度)，再尋找一種證據(jù)組合方法或規(guī)則，在已知兩個不同傳感器數(shù)據(jù)(即證據(jù))對決策的分別支持程度時，通過反復運用組合規(guī)則，最終得出全體數(shù)據(jù)信息的

36、聯(lián)合體對某決策總的支持程度。得到最大證據(jù)支持決策，即信息融合的結果。證據(jù)組合法較嵌入約束法優(yōu)點：(1)對多種傳感器數(shù)據(jù)間的物理關系不必準確了解，即無須準確地建立多種傳感器數(shù)據(jù)體的模型；(2)通用性好，可以建立一種獨立于各類具體信息融合問題背景形式的證據(jù)組合方法，有利于設計通用的信息融合軟、硬件產(chǎn)品；(3)人為的先驗知識可以視同數(shù)據(jù)信息一樣，賦予對決策的支持程度，參與證據(jù)組合運算。常用證據(jù)組合方法：l概率統(tǒng)計方法概率統(tǒng)計方法lDempster-Shafer證據(jù)推理證據(jù)推理利用證據(jù)組合進行數(shù)據(jù)融合的關鍵關鍵在于：u選擇合適的數(shù)學方法描述證據(jù)證據(jù)、決策決策和支持程度支持程度等概念u建立快速、可靠并且

37、便于實現(xiàn)的通用證據(jù)組合算法結構算法結構1.概率統(tǒng)計方法概率統(tǒng)計方法假設一組隨機向量x1，x2，xn分別表示n個不同傳感器得到的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)每一個數(shù)據(jù)xi可對所完成的任務做出一決策di。xi的概率分布為pai(xi)，ai為該分布函數(shù)中的未知參數(shù)，若參數(shù)已知時，則xi的概率分布就完全確定了。用非負函數(shù)L(ai，di)表示當分布參數(shù)確定為ai時，第i個信息源采取決策dj時所造成的損失函數(shù)。在實際問題中，ai是未知的，因此，當?shù)玫絰i時，并不能直接從損失函數(shù)中定出最優(yōu)決策。先由xi做出ai的一個估計，記為ai(xi)，再由損失函數(shù)L ai(xi),di決定出損失最小的決策。其中利用xi估計ai的估

38、計量ai(xi) 有很多種方法。概率統(tǒng)計方法適用于分布式傳感器目標識別分布式傳感器目標識別和跟蹤信跟蹤信息融合問題息融合問題2.Dempster-Shafer證據(jù)推理證據(jù)推理(簡稱簡稱D-S推理推理)假設F為所有可能證據(jù)所構成的有限集，為集合F中的某個元素即某個證據(jù)，首先引入信任函數(shù)B(f)0，1表示每個證據(jù)的信任程度：1)(FB0）（BijinnjiinAABAABABAAAB)() 1()()()(1121從上式可知，信任函數(shù)是概率概念的推廣，因為從概率論的知識出發(fā)，上式應取等號。1)()(ABAB 1)(0FAAmm 引入基礎概率分配函數(shù)m(f)0，1ACCmAB),()( FCA, 由

39、基礎概率分配函數(shù)定義與之相對應的信任函數(shù)：當利用N個傳感器檢測環(huán)境M個特征時，每一個特征為F中的一個元素。第i個傳感器在第k-1時刻所獲得的包括k1時刻前關于第j個特征的所有證據(jù)，用基礎概率分配函數(shù)表示，其中i=1，2，m。第i個傳感器在第k時刻所獲得的關于第j個特征的新證據(jù)用基礎概率分配函數(shù)表示。由和可獲得第i個傳感器在第k時刻關于第j個特征的聯(lián)合證據(jù)。類似地，利用證據(jù)組合算法，由和可獲得在k時刻關于第j個特征的第i個傳感器和第i+1個傳感器的聯(lián)合證據(jù)。如此遞推下去，可獲得所有N個傳感器在k時刻對j特征的信任函數(shù)，信任度最大的即為信息融合過程最終判定的環(huán)境特征。D-S證據(jù)推理優(yōu)點優(yōu)點：算法確

40、定后，無論是靜態(tài)還是時變的動態(tài)證據(jù)組合，其具體的證據(jù)組合算法都有一共同的算法結構。但其缺點缺點：當對象或環(huán)境的識別特征數(shù)增加時，證據(jù)組合的計算量會以指數(shù)速度增長。 證據(jù)理論是建立在辨識框架基礎上的推理證據(jù)理論是建立在辨識框架基礎上的推理模型，其基本思想如下：模型，其基本思想如下： 建立辨識框架；建立辨識框架； 建立初始信任度分配；建立初始信任度分配； 根據(jù)因果關系，計算所有命題的信任度；根據(jù)因果關系，計算所有命題的信任度； 證據(jù)合成；證據(jù)合成； 根據(jù)融合后的信任度進行決策根據(jù)融合后的信任度進行決策。三、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法三、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法通過模仿人腦的結構和工作原理，設計和建立相應的機器和模型并完

41、成一定的智能任務智能任務。神經(jīng)網(wǎng)絡根據(jù)當前系統(tǒng)所接收到的樣本的相似性，確定分類標準。這種確定方法主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡權值網(wǎng)絡權值分布上，同時可采用神經(jīng)網(wǎng)絡特定的學習算法學習算法來獲取知識，得到不確定性推理機制。神經(jīng)網(wǎng)絡多傳感器信息融合的實現(xiàn)，分三個重要步驟：n根據(jù)智能系統(tǒng)要求及傳感器信息融合的形式，選擇其拓撲結構；n各傳感器的輸入信息綜合處理為一總體輸入函數(shù)，并將此函數(shù)映射定義為相關單元的映射函數(shù),通過神經(jīng)網(wǎng)絡與環(huán)境的交互作用把環(huán)境的統(tǒng)計規(guī)律反映網(wǎng)絡本身結構；n對傳感器輸出信息進行學習、理解，確定權值的分配，完成知識獲取信息融合，進而對輸入模式做出解釋，將輸入數(shù)據(jù)向量轉換成高層邏輯(符號)概念?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡的傳感器信息融合特點：u具有統(tǒng)一的內(nèi)部知識表示形式，通過學習算法可將網(wǎng)絡獲得的傳感器信息進行融合，獲得相應網(wǎng)絡的參數(shù)，并且可將知識規(guī)則轉換成數(shù)字形式，便