01第一讲_数据融合的基本概念

1、1 第一讲第一讲 数据融合的基本原理数据融合的基本原理 2 3 3 4 4 人与传感器 5 非电信息非电信息电信号电信号 6 敏感元件 被测信息 转换元件信号调节电路 辅助电路 输出信息 7 8 9 电子警察电子警察 10 胶片式“电子警察” 、数码式“电子警察” 、视频式“电 子警察”；压力或磁电传感器，两个脉冲信号，触发拍照系 统进行拍照 11 12 鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器 13 美国火星车“Sojourner”号上用QCM来检测太阳能电池板上 的灰尘堆积情况 雷达雷达 C3I系统所用传感器的种类很多，但它们是以雷达、电子 情报机（ELINT)、电子支援测量系统（ESM）

2、、声音、 红外等传感器为主， 再辅以其他类型的传感器，在整个三 维空间形成一个传感器网阵。 雷达，发收电磁波，主动雷达，被动雷达；波长短，预警 雷达，火控雷达 声音传感器是以空气、水和大地作为传播媒质的，相应的 应用领域包括飞机、坦克及其他车辆的探测与识别，水下 各类潜艇的探测和地震信号的记录与分析等。 声呐声呐 SONARSONAR（sound navigationsound navigation and ranging and ranging ），声音导航），声音导航 测距测距 声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术，声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术， 用于对水下目标进行探测、分

3、类、定位和跟踪；用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪； 进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反 潜直升机的战术机动和水中武器的使用。潜直升机的战术机动和水中武器的使用。 分类分类 按工作方式可分为按工作方式可分为 主动声呐：主动地发射水声信号，然后收测回波进主动地发射水声信号，然后收测回波进 行计算。如蝙蝠行计算。如蝙蝠 被动声呐：声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐 射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方 位。如飞蛾位。如飞蛾 麦凯恩事件麦凯恩事件 中国潜艇同美国中

4、国潜艇同美国“麦凯恩麦凯恩”号驱逐舰拖曳声呐号驱逐舰拖曳声呐 20092009年年6 6月月1111日在菲律宾苏比克附近相撞日在菲律宾苏比克附近相撞 有意相撞还是意外相撞？有意相撞还是意外相撞？ 水听器水听器 标准水听器外形图 多传感器数据融合的形成多传感器数据融合的形成 单传感器单传感器 多传感器多传感器 多传感器信息互补性为获得更多的信息提供技术多传感器信息互补性为获得更多的信息提供技术 支撑；支撑； 如何对多传感器信息进行联合处理？如何对多传感器信息进行联合处理？ 多传感器数据融合技术（多传感器信息融合技术多传感器数据融合技术（多传感器信息融合技术 或多传感器整合技术）或多传感器整合技术

5、） 消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和 测量，并对其属性进行分类与识别，分析敌我双测量，并对其属性进行分类与识别，分析敌我双 方的兵力对比方的兵力对比 ，提供敌方各类平台的瞬时位置及，提供敌方各类平台的瞬时位置及 其企图，作出威胁判断等一系列多层次的处理。其企图，作出威胁判断等一系列多层次的处理。 军事领域军事领域 海上监视，如海上网络战、海情网海上监视，如海上网络战、海情网 地面防空、战略防御与监视，如边境要地监测、地面防空、战略防御与监视，如边境要地监测、 C C3 3I I系统（军事指挥自动化系统）系统（军事指挥自动化系统） 非军事领域非

6、军事领域 机器人系统、生物医学工程系统、工业控制自动监机器人系统、生物医学工程系统、工业控制自动监 视系统（工业流水生产线检测瓶装商标标签，光电视系统（工业流水生产线检测瓶装商标标签，光电 、视频等）、视频等） 21 数据融合的研究内容数据融合的研究内容 对对多源不确定信息多源不确定信息进行进行综合处理及利用综合处理及利用，即对，即对 来自多个信息源的来自多个信息源的数据进行多级别、多方面、多层数据进行多级别、多方面、多层 次的处理，次的处理，产生产生新新的有意义的信息。的有意义的信息。 几个重要的概念几个重要的概念 多源、多级别、多方面、多层次多源、多级别、多方面、多层次 22 数据融合的目

7、的数据融合的目的 组合组合多源信息多源信息和和数据数据完成完成目标目标检测检测、关联关联、状态状态 评估评估的多层次、多方面过程；的多层次、多方面过程； 获得获得准确的目标识别准确的目标识别、完整而及时的态势评估完整而及时的态势评估 （SASA，Situation AssessmentSituation Assessment）和和威胁评估（威胁评估（TATA， Threat AssessmentThreat Assessment）。 前提：前提： 计算机技术、传感器技术的发展；多渠道信息计算机技术、传感器技术的发展；多渠道信息 获取、处理成为可能。获取、处理成为可能。 23 1.11.1 数据

8、融合的基本概念数据融合的基本概念 生物系统对多源信息的融合处理生物系统对多源信息的融合处理 1 1）获取信息的多样性）获取信息的多样性 2 2）信息交融得到感知信息）信息交融得到感知信息 典型系统：典型系统：人人 24 人对多源信息的处理人对多源信息的处理 处理过程特点：处理过程特点： 复杂性复杂性（信息的来源）、（信息的来源）、自适应性自适应性（对外界）（对外界） 歧义性歧义性（信息的解读）、（信息的解读）、不完整性不完整性（盲人摸象）（盲人摸象） 与人的已有知识密切相关与人的已有知识密切相关 25 数据融合的基本原理数据融合的基本原理 1 1、人模仿自身信息处理能力的过程；、人模仿自身信息

9、处理能力的过程； 特点：特点： 1)1)自适应性自适应性( (信息的多样性信息的多样性) ) 2) 2)高智能化处理高智能化处理( (各种解决手段各种解决手段) ) 3) 3)先验知识先验知识( (先验知识越丰富，综合信息处理能先验知识越丰富，综合信息处理能 力越强力越强) ) 26 2 2、传感器感测外部信息，数据融合系统模仿、传感器感测外部信息，数据融合系统模仿 人人 的信息处理能力；的信息处理能力； 特点：特点： 利用多传感器资源，把多传感器在利用多传感器资源，把多传感器在空间空间或或时间时间 上上可可冗余冗余或或互补互补信息，依据某种准则来进行组合，信息，依据某种准则来进行组合， 获得

10、被测对象的一致性描述。获得被测对象的一致性描述。 27 数据融合系统研究的对象数据融合系统研究的对象 研究对象：研究对象：各类信息各类信息 表现形式：表现形式：信号、波形、数据、文字或声音等信号、波形、数据、文字或声音等 信息获取信息获取：各类传感器（信息的多样性）：各类传感器（信息的多样性） 后端系统用后端系统用 28 数据融合技术的出现前提数据融合技术的出现前提 1 1）传感器的性能提高；）传感器的性能提高； 2 2）多传感器信息系统出现；）多传感器信息系统出现； 3 3）信息具有多样性；）信息具有多样性； 4 4）信息容量以及信息处理速度的要求超出了传）信息容量以及信息处理速度的要求超出

11、了传 统信息处理方法的能力。统信息处理方法的能力。 29 多传感器数据融合系统特点多传感器数据融合系统特点 单传感器信号处理单传感器信号处理或或低层次的多传感器数据处理低层次的多传感器数据处理 不能有效地利用多传感器资源；不能有效地利用多传感器资源； 多传感器系统多传感器系统可以更大程度地获得被探测目标和可以更大程度地获得被探测目标和 环境的信息量；环境的信息量； 数据融合所处理的多传感器信息具有更复杂的形数据融合所处理的多传感器信息具有更复杂的形 式，可在式，可在不同的信息层次不同的信息层次上出现，这些信息抽象上出现，这些信息抽象 层次包括层次包括数据层数据层、特征层特征层和和决策层决策层。

12、 30 数据融合系统的目的数据融合系统的目的 生命系统的基本功能：生命系统的基本功能： 多源信息的综合分析、判断、决策多源信息的综合分析、判断、决策 通过数据组合而不是出现在输入信息中的任何通过数据组合而不是出现在输入信息中的任何 个别元素，个别元素，推导出更多的信息，得到最佳协同作用推导出更多的信息，得到最佳协同作用 的结果的结果； 利用多个传感器共同或联合操作的优势，提高利用多个传感器共同或联合操作的优势，提高 传感器系统的有效性，传感器系统的有效性，消除单个或少量传感器的局消除单个或少量传感器的局 限性限性。 31 数据融合系统的应用特点数据融合系统的应用特点 综合利用来自多传感器的信息

13、，综合利用来自多传感器的信息，获得对被测对获得对被测对 象一致性的可靠了解和解释象一致性的可靠了解和解释，以利于系统作出正确，以利于系统作出正确 的响应、决策和控制。的响应、决策和控制。 有助于改善系统的性能，使系统具有专家系统有助于改善系统的性能，使系统具有专家系统 的特征。的特征。 降低对个别传感器的依赖性。降低对个别传感器的依赖性。 32 1.2 1.2 数据融合的定义数据融合的定义 应用领域：应用领域： 针对一个系统中使用针对一个系统中使用多种多种传感器传感器( (多个多个或或多类多类) ) 这一特定问题进行的信息处理方法，又称多传感器这一特定问题进行的信息处理方法，又称多传感器 信息

14、融合。信息融合。 如：如： 机器人和智能仪器系统、战场观测和无人驾驶机器人和智能仪器系统、战场观测和无人驾驶 飞机、图像分析与理解、目标检测与跟踪、自动目飞机、图像分析与理解、目标检测与跟踪、自动目 标识别、多源图像复合等。标识别、多源图像复合等。 33 一般定义一般定义 1 1）充分利用）充分利用不同时空不同时空的多传感器信息资源；的多传感器信息资源； 2 2）采用计算机技术对）采用计算机技术对按时序获得按时序获得的多传感器观测信的多传感器观测信 息按一定准则加以息按一定准则加以自动分析、综合、支配和使用自动分析、综合、支配和使用； 3 3）获得对被测对象的一致性解释与描述，）获得对被测对象

15、的一致性解释与描述，以完成所以完成所 需的决策和估计任务需的决策和估计任务，使系统获得比它的各组成部，使系统获得比它的各组成部 分更优越的性能。分更优越的性能。 34 涉及的主要内容涉及的主要内容 硬件基础：硬件基础： 多传感器系统：多传感器系统：对运动目标，系统需要正确的对运动目标，系统需要正确的 进行传感器切换，当传感器或其他数据源的性质不进行传感器切换，当传感器或其他数据源的性质不 同时，判断较复杂。同时，判断较复杂。 加工对象：加工对象： 多源信息多源信息 核心内容：核心内容： 协调优化协调优化和和综合处理综合处理 35 军事上的数据融合定义军事上的数据融合定义 所谓多传感器数据融合就

16、是人们通过对空间分布所谓多传感器数据融合就是人们通过对空间分布 的多源信息的多源信息各种传感器的时空采样，对所关心各种传感器的时空采样，对所关心 的目标进行检测、关联（相关）、跟踪、估计和的目标进行检测、关联（相关）、跟踪、估计和 综合（信息组合）等多级功能处理，以更高的精综合（信息组合）等多级功能处理，以更高的精 度、较高的概率或置信度得到人们所需要的目标度、较高的概率或置信度得到人们所需要的目标 状态和身份（属性）估计，以及完整、及时的态状态和身份（属性）估计，以及完整、及时的态 势和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息。势和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息。 36 涵盖的内容涵盖的内

17、容 1)1)在几个层次上完成对多源信息处理，各个层次在几个层次上完成对多源信息处理，各个层次 都表示不同级别的信息抽象。都表示不同级别的信息抽象。 2)2)包括包括检测检测、关联关联、跟踪、估计跟踪、估计及及综合综合。 3)3)结果包括较低层次上的状态和属性估计，以及结果包括较低层次上的状态和属性估计，以及 较高层次上的整个战场态势估计和威胁评估。较高层次上的整个战场态势估计和威胁评估。 37 定义所表明的特点定义所表明的特点 将来自多传感器或多源的信息和数据模仿专家将来自多传感器或多源的信息和数据模仿专家 的综合信息处理能力进行智能化处理，从而得的综合信息处理能力进行智能化处理，从而得出出更

18、更 为准确可信的结论为准确可信的结论。 38 其他类似的名称其他类似的名称 多传感器相关多传感器相关 多源相关多源相关 多传感器混合多传感器混合 多传感器融合多传感器融合 信息融合信息融合 数据融合数据融合 39 1.3 1.3 数据融合的时空性数据融合的时空性 分布在不同空间位置上的多传感器在对运动目分布在不同空间位置上的多传感器在对运动目 标进行观测时，各传感器在不同时间和不同空间的标进行观测时，各传感器在不同时间和不同空间的 观测值有所不同，从而形成一个观测值集合。观测值有所不同，从而形成一个观测值集合。 如：如：s s个传感器在个传感器在n n个时刻观测同一个目标可有个时刻观测同一个目

19、标可有 s s* *n n观测值，其集合观测值，其集合Z Z为：为： Z = ZZ = Zj j (j=1,2, (j=1,2,s),s) Z = Z Z = Zj j(k) (k=1,2,(k) (k=1,2,n),n) Z Zj j：j j号传感器观测值集合；号传感器观测值集合； Z Zj j(k)(k)：j j号传感器在号传感器在k k时刻观测值。时刻观测值。 40 多传感器观测值在时空上的排列多传感器观测值在时空上的排列 41 数据融合的时间性与空间性问题数据融合的时间性与空间性问题 时空性是目标运动状态的观测的主要问题时空性是目标运动状态的观测的主要问题： 1 1）数据融合的时间性）数据融合的时间性 2 2）数据融合的空间性）数据融合的空间性 42 1) 1)数据融合的时间性数据融合的时间性 按时间先后对观测目标在按时间先后对观测目标在不同时间的观测值不同时间的观测值进进 行融合。行融合。 利用单传感器在利用单传感器在不同时间的观测结果不同时间的观测结果进行数据进行数据 融合时，要考虑数据融合的时间性。融合时，要考虑数据融合的时间性。 43 2)2)数据融合的空间性数据融合的空间性 对对同一时刻不同空间位置同一时刻不同