功能模型从融合过程出发,描述信息融合 包括哪些主要功能、数据库,以及进行信息融合时系统各 组成部分之间的相互作用过程;结构模型从信息融合的组 成出发,说明信息融合系统的软、硬件组成,相关数据流、 系统与外部环境的人—机界面;数学模型则是信息融合算 法和综合逻辑 为了更有针对性地研究信息融合算法 法和综合逻辑。为了更有针对性地研究信息融合算法,下面我们先讨论信息融合系统的功能和结构模型。 1、信息融合系统的功能模型 信息融合系统的功能模型如下图所示: 第一级处理 踪位置融合 第二级处理 态势数据库 *传感器 *雷达 信息源 检测判决融合 *检测准则 *CFAR *最优门限 *融合准则 *分布CFAR *评估与度量 *时间 *位置 *类型 *特征 预滤波 跟踪位置融合 *数据校准 *空间校准 *时间校准 *相关门 *测量互联 态势估计 *环境评估 *背景分析 *分级推理 第四级处理 数据库管理 *监视 态势数据库 *动态对象 *航迹 雷达*红外搜索与 跟踪 *电子资源措 *敌我识别*通信情报 *电子情报 *评估与度量 特征 辅助信息 *跟踪 *滤波预测 *航迹融合 *航迹关联 *评估与度量 *分级推理 *评估与度量 第五级处理 *监视 *评估 *增加 *更新 *检索 *合并 *清除 *电子情报 *光电技术 *声纳 *其他 *资源可用性 *传感器任务分配 采集管理 属性融合 *物理模型 算法分类 第三级处理 威胁估计 *毁伤估计 *意向/估计 *红/蓝估计 *危险度估计 *指示与警报 *清除 *归档 *任务优先等级分配 *算法分类 *知识模型 *评估与度量 *指示与警报 *目标瞄准 *武器分配 *评估与度量 支持数据库 *技能计算 *经验类 *技术类 信息融合系统功能框图人-机接口 智能化多媒体 文字、图形 地图显示 自然语言处理 信息融合所处理的多传感器信息具有复杂的形式,通 常可分为以下几个信息抽象层次:检测层、位置层、属性 层、态势层和威胁层。对照这五个信息抽象层次,我们可 以得到信息融合的五级功能模型。前三个层次的信息融合 适合于任意的多传感器信息融合系统 后两个层次主要适 适合于任意的多传感器信息融合系统,后两个层次主要适 用于军事应用系统中的信息融合。这是一种广义的信息融 合功能分级法 这种从信息融合功能的角度出发把它分为 合功能分级法,这种从信息融合功能的角度出发把它分为 五个层次,更有利于信息融合技术的研究。图1给出了这种 分级方法的功能框图。 下面,我们结合上图逐次介绍各级功能模型的作用。 (1)第一级——检测级信息融合 检测级融合所实现的功能可概括为判断目标的有无,它是直接在 多传感器分布检测系统中检测判决或信号层上进行的融合。在多传感 器分布式检测系统中,每个传感器对所获得的观测先进行一定的预处 理,然后将压缩的信息传送给其他传感器,最后在某一中心汇总和融 合这些信息产生全局检测判决。 合这些信息产生全局检测判决。 通常有两种信号处理形式,一种是硬判决融合,即融合中心处理 0、1形式的局部判决;另一种是软判决融合,即中心处理来自局部节 点的统计量或置信度 点的统计量或置信度。 对信息的压缩性预处理降低了对通信带宽的要求。分布式多传感 器结构可以降低对单个传感器的性能要求,降低造价。分散的信号处 理方式可以增加计算容量 在利用高速通信网的条件下可以完成非常 理方式可以增加计算容量。在利用高速通信网的条件下可以完成非常 复杂的算法。 (2)第二级——位置级信息融合 位置级融合所实现的功能可概括为估计目标的状态(位置、速度、 加速度等),它是直接在传感器的观测报告或测量点迹和传感器的状 态估计上进行的融合,包括时间和空间上的融合,是跟踪级的融合, 属于中间层次,也是最重要的融合。它通过综合来自多传感器的位置 属于中间层次, 是最重要的融合。它通过综合来自多传感器的位置 信息建立目标的航迹和数据库,包括数据校准、互联、跟踪、滤波、 预测、航迹关联及航迹融合等。 (3)第三级——属性级信息融合 目标识别(属性)层融合所实现的功能可概括为确定目 标的身份,它的实现有三种方法:决策级融合、特征级融 合和数据级融合。 决策级融合——每个传感器都完成交换以便获得独立的身 份估计 然后再对来自每个传感器的属性分类进行融合 份估计,然后再对来自每个传感器的属性分类进行融合。 特征级融合——每个传感器观测一个目标并完成特征提取 以获得来自每个传感器的特征向量。然后融合这些特征向 以获得来自每个传感器的特征向量。然后融合这些特征向 量并基于获得的联合特征向量来产生身份估计。 数据级融合——在数据级融合方法中,对来自同等量级的 传感器原始数据直接进行融合,然后对基于融合的传感器 数据进行特征提取和身份估计。 (4)第四级——态势评估 态势评估(SA)是对战场上战斗力量分配情况的评价过 程。它通过综合敌我双方及地理、气象环境等因素,将所 观测到的战斗力量分布与活动和战场周围 敌作战意观测到的战斗力量分布与活动和战场周围环境、敌作战意 图及敌机动性能有机地联系起来,分析并确定事件发生的 深层原因 得到关于敌方兵力结构 使用特点的估计 深层原因,得到关于敌方兵力结构、使用特点的估计,最终形成战场综合态势图。它具有以下几个特点: 态势评估是分层假设描述和评估处理的结果,每个备 果,每个备选假设(态势)都有一个不确定性关联值; 不确定性最小的假设被认为是最好的; 态势评估是用认为最好的态势要素的当前值来描述 态势评估是用认为最好的态势要素的当前值来描述; 态势评估是一个动态的、按时序处理的过程,其结果 水平将随时间的增长而提高 水平将随时间的增长而提高。 (5)第五级——威胁估计 威胁估计(TA)的任务是在态势估计的基础上,综合敌方破坏能力、 机动能力、运动模式及行为企图的先验知识,得到敌方兵力的战术含 估计出作战事件出现的程度或严重性并对作战意图作出指示与 义,估计出作战事件出现的程度或严重性,并对作战意图作出指示与 告警。 通常,威胁判定是通过将敌方的威胁能力,以及敌人的企图进 行量化来实现的。 态势与威胁评估(STA)作为战场中的高层次信息处理过程 具有以 态势与威胁评估(STA)作为战场中的高层次信息处理过程,具有以 下特点: STA是多级的活动,其信息流几乎总是跨越不同的层次来进行融 合处理 并且在不同的层次上进行控制 合处理,并且在不同的层次上进行控制。 STA是多功能的处理技术,它包括概念和信息管理、决策生成和 实现等,其核心是推理技术。 STA的这些特征使其变得非常复杂,是信息融合技术研究的薄弱 环节。 (6)辅助功能 辅助功能包括预滤波、采集管理、数据库管理、人- 接口与评估计算,它们也是融合系统的重要组成部分。预滤波根据观测时间、报告位置、传感器类型、信息 的属性和特征来分选和归并数据.这样可控制进入第二级 处理的信息量 以避免融合系统过载 处理的信息量,以避免融合系统过载。 采集管理用于控制融合的数据收集,包括传感器的选 择、分配及传感器工作状态的优选和监视等。传感器任务 择、分配及传感器工作状态的优选和监视等。传感器任务 分配要求预测动态目标的未来位置,计算传感器的指向角, 规划观测和最佳资源利用。 从处理对象的层次上看,第一级融合是经典信号检测 理论的直接发展 第二和第三级属于中间层次 是最重要 理论的直接发展。第二和第三级属于中间层次,是最重要 的两级,它们是进行态势评估和威胁估计的前提和基础。 实际上,融合本身主要发生在前三个级别上,而态势评估 和威胁估计只是在某种意义上与信息融合具有相似的含义。第四和第五级是决策层次上的融合,它们包括对全局态势 发展和某些局部形势的估计 发展和某些局部形势的估计,是系统指挥和辅助决策 过程中的核心内容。 ISR2、信息融合系统的结构模型 由于融合本身主要发生在检测、位置和属性级,因而 在讨论结构模型时,只考虑前三级的融合结构。 (1)检测级融合结构 从分布检测的角度看,检测级融合的结构模型主要有 五种,即分散式结构、并行结构、串行结构、树状结构和 带反馈并行结构。 )分散式的每个局部决策又现象H (a)分散式的每个局部决策又 都是最终决策,可按照某种规则 将这些分离的子系统联系起来, 现象 看成一个大系统,并遵循大系统中的某种最优化准则来确定每个 子系统的工作点。 分散式结构(b)并行结构的每个局部节点的传 感器在收到未经处理原始数据之后, 在局部节点分别作出局部检测判决 现象 在局部节点分别作出局部检测判决,然后,它们在检测中心通过融合得 到全局决策。这种结构在分布检测 系统中的应用较为普遍 系统中的应用较为普遍。(c)串行结构,每个局部节点分 别接收各自的检测后,首先由节点 1作出局部判决,然后将它通信到节点2,而节点2则将它本身的检测 与之融合形成自己的判决,以后, 现象 与之融合形成自己的判决,以后,重复前面的过程,并将最后一个节 点的判决作为全局判决。 串行结构(d)树状结构,信息传递处理流 程是从所有的树枝到树根,最后, 在树根即融合节点,融合从树枝传 现象 来的局部判决和自己的检测,作出全局判决。 (e)并行结构中,每个局部检测器在接收到观测之后,把它们的判决 送到融合中心 中心通过某种准则 树状结构送到融合中心,中心通过某种准则 组合这些判决,然后把获得的全局 判决分别反馈到各局部传感器作为 时刻局部决策的输人这种系 下一时刻局部决策的输人.这种系统可明显地改善各局部节点的判决 质量。 带反馈的并行结构(2)位置级融合结构 从多传感器系统的信息流通形式和综合处理层次上看,位置融合 级系统结构模型主要有四种,即集中式、分分布式、混合式和多级式。 (a)集中式结构将传感器录取的检测报告传递到融合中心 在那里进 (a)集中式结构将传感器录取的检测报告传递到融合中心,在那里进 行数据对准、点迹相关、数据蔓联、航迹滤波、预测与综合跟踪。这 种结构的最大优点是信息损失最小,但数据万联较困难,并量要求系 统必须具备大容量的处理能力 计算负担重 系统的生存能力也相对 统必须具备大容量的处理能力,计算负担重,系统的生存能力也相对 较差。 传感器控制/反馈信息 meici 预处理检测与估计 目标 状态 预处理传感器2 传感器N 预处理 状态 分类*目标分类 *成功概率 集中式融合(b)分布式结构的特点是:每个传感器的检测报告在进入融合以前,先由它 自己的数据处理器产生局部多目标跟踪航迹,然后把处理过的信息送至融合 中心.中心根据各节点的航迹数据完成航迹关联和航迹融合,形成全局估计, 这类系统不仅具有局部独立跟踪能力,而且还有全局监视和评估特征的能力。 系统的造价也可限制在一定的范围内,并且有较强的自下而上能力。 传感器控制/反馈信息 融合中心 传感器1 预处理 检测与估计 传感器控制/反馈信息 目标 融合中心预处理 传感器2 传感器N 预处理 目标 状态 多目标跟踪多目标跟踪 传感器*目标分类 *成功概率 分布式融合(c)混合式同时传输探测报告和经过局部节点处理过的航迹信息,它保留了 上述两类系统的优点,但在通信和计算上要付出昂负的代价。 传感器控制 反馈信息 融合中 传感器1 预处理 检测与估计 传感器控制/反馈信息 目标 融合中心预处理 传感器2 传感器N 预处理 目标 状态 多目标跟踪多目标跟踪 分类预处理 传感器N *目标分类 多路器选择与合并 目标分类 *成功概率 混合式融合(d)在多级式结构中,各局部节点可以同时或分别是集中式、分布式或混合 式的融合中心,它们将接收和处理来自多个传感器的数据或来自多个跟踪器 的航迹,而系统的融合节点要再次对各局部融合节点传送来的航迹数据进行 关联和触合 也就是说目标的检测报告要经过两级 上的位置融合处理 关联和触合,也就是说目标的检测报告要经过两级以上的位置融合处理,因而把它称做多级式系统。 反馈信息 局部融合节点1 融合节点图10 多级式结构 图10 多级式结构 (3)目标识别融合结构 目标识别( 属性) 数据融合结构主要有三类:决策层属性融合、特征 层属性融合和数据层属性融合。 (a)在决策层属性融合结构中 每个传感器为了获得一个独立的属 (a)在决策层属性融合结构中,每个传感器为了获得一个独立的属 性判决要完成一个变换,然后顺序融合来自每个传感器的属性判决。 传感器1 属性判决 决策层属性融合 属性判决 联合属 性判决 传感器N 属性判决(b)在特征层属性融合结构中 每个传感器观测 个目标 并且为了产生来 图11 决策层属性融合结构 (b)在特征层属性融合结构中,每个传感器观测一个目标,并且为了产生来 自每个传感器的特征向量要完成特征提取,然后融合这些特征向量,并基于联 合特征向量作出属性判决。另外,为了把持征向量划分成有意义的群组必须运 用关联过程 对此 位置信息是有用的 用关联过程,对此,位置信息是有用的。 传感器1 传感器2 决策层属性融合 联合属 性判决 传感器N 属性融合属性判决 性判决 (c)在数据层属性融合结构中,直接融合来自同类传感器的数据,然后是特征提取和来自融合数据的属性判决。为了完成这种数据层融合,传感器必须是 图12 特征层属性融合结构 提取和来自 属性判为了 相同的或者是同类的。传感器1 传感器2 联合属性判决 属性 传感器2 传感器N 数据层融合 性判决属性 判决 图13 数据层属性融合结构 4、应用 信息融合技术在民事和军事上都有着十分广泛的应用, 但军用信息融合与民用信息融合之间通常存在着明显的差 这种差别的出现是出于大部分民用系统在“人为设计别,这种差别的出现是出于大部分民用系统在“人为设计 的世界”或“温和的现实世界”中运行.而大部分军事系 统则必须在“敌对的现实世界”中运行 统则必须在 敌对的现实世界 中运行。 民用信息融合包括下述一些领域:工业过程监视、工 业机器人、遥感、毒品检查、病人照顾系统、金融系统、 船舶避碰与交通管制系统、空中交通管制等。