數(shù)據(jù)融合基本概念第一頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)2

第1講數(shù)據(jù)融合的基本原理第二頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)3數(shù)據(jù)融合的名稱類似的名稱多傳感器相關(guān)多源相關(guān)多傳感器混合多傳感器融合信息融合數(shù)據(jù)融合第三頁，共63頁。4多傳感器數(shù)據(jù)融合傳感器在檢測系統(tǒng)中的作用什么是傳感器？第四頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)55人與機器的機能對應(yīng)關(guān)系圖外界對象感官傳感器人腦微處理器肢體執(zhí)行器第五頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)66人與傳感器耳鼻人的感覺器官與對應(yīng)的傳感器：

眼舌皮膚聲敏傳感器味覺傳感器壓敏、熱敏、濕敏傳感器光敏傳感器聲敏傳感器第六頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)7非電信息電信號定義：傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。如下圖所示:第七頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)8

傳感器的組成敏感元件被測信息轉(zhuǎn)換元件信號調(diào)節(jié)電路輔助電路輸出信息傳感器組成框圖敏感器件的作用是感受被測物理量；輔助器件則是對輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入；轉(zhuǎn)換元件是對信號進行轉(zhuǎn)換輸出；第八頁，共63頁。9應(yīng)變式壓力傳感器彈性膜片電阻應(yīng)變片壓力應(yīng)變電阻變化量敏感元件轉(zhuǎn)換元件定義由半導(dǎo)體材料制成的物性性傳感器基本是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件二合一。直接能將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出。壓電傳感器、光電池、熱敏電阻等。第九頁，共63頁。傳感器系統(tǒng)的基本特性傳感器系統(tǒng)第十頁，共63頁。對傳感器系統(tǒng)的基本特性研究，主要用于兩個方面：第一，用于建立一個測量系統(tǒng)。只有知道傳感器系統(tǒng)的基本特性，才能通過測量輸出信號y(t)，推導(dǎo)得到輸入信號x(t)。第二，用于傳感器系統(tǒng)本身的研究、設(shè)計與建立。通過觀測系統(tǒng)的輸入x(t)及輸出y(t)，推斷建立系統(tǒng)的特性。如果系統(tǒng)特性不滿足要求，則應(yīng)修改相應(yīng)的內(nèi)部參數(shù)，直至合格為止。第十一頁，共63頁。靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱“刻度特性”、“標(biāo)定曲線”或“校準曲線”。它表示當(dāng)輸入系統(tǒng)的被測物理量x(t)為不隨時間變化的恒定信號，即x(t)=常量時，系統(tǒng)的輸入與輸出之間呈現(xiàn)的關(guān)系。通常，靜態(tài)特性可由如下的多項式來表示：式中：s0,s1,s2,…,sn——常量；

y——輸出量；

x——輸入量。第十二頁，共63頁。一、靜態(tài)特性的基本參數(shù)1.零位(零點)2.量程Y(FS)3.靈敏度4.分辨率第十三頁，共63頁。二、靜態(tài)特性的性能指標(biāo)1.遲滯滯環(huán)第十四頁，共63頁。2.重復(fù)性

重復(fù)性第十五頁，共63頁。3.線性度線性度又稱“直線性”，它表示系統(tǒng)靜態(tài)特性對選定擬合直線(y=b+kx)的接近程度。在數(shù)值上用非線性相對誤差δL的百分數(shù)來表示式中：ΔLm表示靜態(tài)特性與選定擬合直線的最大擬合偏差。由于擬合直線確定的方法不同，相應(yīng)的擬合偏差值與線性度的數(shù)值也就不同。目前常用的有：理論線性度、平均選點線性度、端基線性度、最小二乘法線性度等。其中尤以理論線性度與最小二乘法線性度應(yīng)用最普遍。第十六頁，共63頁。1)最小二乘法線性度擬合直線的確定設(shè)擬合直線方程通式為則第j個標(biāo)定點的標(biāo)定值yj與擬合直線上相應(yīng)值的偏差為最小二乘法擬合直線的確定原則是均方誤差為最小值。第十七頁，共63頁。令其一階偏導(dǎo)為零可得兩個方程，并解得兩個未知量b,k的表達式如下：第十八頁，共63頁。線性度第十九頁，共63頁。2)理論線性度擬合直線方程的確定

最小二乘法線性度第二十頁，共63頁。4.精度系統(tǒng)誤差的絕對值為隨機誤差的絕對值為故系統(tǒng)的總精度A為第二十一頁，共63頁。動態(tài)特性

大量被測物理量是隨時間變化的動態(tài)信號，即x(t)是時間t的函數(shù)，不是常量。理想的傳感器系統(tǒng)，其輸出量y(t)與輸入量x(t)的時間函數(shù)表達式應(yīng)該相同。但實際上，二者只能在一定頻率范圍內(nèi)，在允許的動態(tài)誤差條件下保持所謂的一致。動態(tài)特性用數(shù)學(xué)模型來描述,對于連續(xù)時間系統(tǒng)主要有三種形式：時域中的微分方程、復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)H(s)、頻率域中的頻率特性H(jω)。第二十二頁，共63頁。一、微分方程1.一階系統(tǒng)熱電偶測溫元件第二十三頁，共63頁。

當(dāng)熱電偶接點溫度To低于被測介質(zhì)溫度Ti時，To<Ti,則有熱流q流入熱電偶結(jié)點。它與Ti和To的關(guān)系可表示如下：式中：R——介質(zhì)的熱阻；

C——熱電偶的比熱。若令τ=RC上式可寫為第二十四頁，共63頁。式中：τ=RC——時間常數(shù)，具有時間量綱；

K——放大倍數(shù)，式中K=1。上式為一階微分方程，Ti,To分別是系統(tǒng)的輸入量、輸出量。不僅是熱電偶，其它類型的傳感器系統(tǒng)也可能具有一階微分方程形式所表征的動態(tài)特性，則廣義的一階微分方程為式中：y——系統(tǒng)的輸出量；

x——系統(tǒng)的輸入量；

K——放大倍數(shù)；

τ——時間常數(shù)，由系統(tǒng)的固有屬性決定的常數(shù)。第二十五頁，共63頁。2.二階系統(tǒng)m-k-b系統(tǒng)第二十六頁，共63頁。

這種系統(tǒng)可以是壓力傳感器的彈性敏感元件的等效結(jié)構(gòu)。等效質(zhì)量塊m在受到作用力F后產(chǎn)生位移y和運動速度dy/dt，在運動過程中，質(zhì)量塊m所受的力有：作用力 F彈性反作用力F(彈)=-ky阻尼力直到位移量y足夠大，使彈性反作用力與作用力相等，即F(彈)=F,達到平衡，質(zhì)量塊不再運動F(阻)=0。在未達到平衡狀態(tài)的運動過程中，運動規(guī)律服從牛頓運動定律，其運動加速度 由所受的合力決定第二十七頁，共63頁。即整理后得式中：m——運動部分的等效質(zhì)量；

k——彈簧剛度系數(shù)；

b——阻尼系數(shù)。第二十八頁，共63頁。

質(zhì)量—彈簧—阻尼(m-k-b)力學(xué)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性由二階微分方程描述。二階微分方程可寫成如下的標(biāo)準形式：式中：ωn——系統(tǒng)無阻尼固有角頻率；

ξ——阻尼比；

K——直流放大倍數(shù)/靜態(tài)靈敏度。第二十九頁，共63頁。ωn、ζ、K分別表示如下：ωn、ξ,K均是由系統(tǒng)本身固有屬性決定的常數(shù)。y,x分別為系統(tǒng)的輸出量、輸入量。第三十頁，共63頁。二、傳遞函數(shù)系統(tǒng)的輸入與輸出(a)時域；(b)復(fù)頻域；(c)頻域在初始值為零即t≤0時，x(t)=0,y(t)=0，輸出信號y(t)的拉氏變換Y(s)與輸入信號x(t)的拉氏變換X(s)之比為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，記為H(s)其中：s=jω+σ是復(fù)數(shù)。第三十一頁，共63頁。1.一階系統(tǒng)的幅頻與相頻特性表達式一階系統(tǒng)幅頻特性：一階系統(tǒng)對數(shù)幅頻特性：一階系統(tǒng)相頻特性：第三十二頁，共63頁。2.二階系統(tǒng)的幅頻與相頻特性表達式二階系統(tǒng)幅頻特性：二階系統(tǒng)對數(shù)幅頻特性：二階系統(tǒng)相頻特性：第三十三頁，共63頁。一階系統(tǒng)(K=1)第三十四頁，共63頁。

二階系統(tǒng)(K=1)第三十五頁，共63頁。36傳感器的主要應(yīng)用信息處理電信電話科技測試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機床機器人家用電器照相機汽車飛機船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機械能利用貨幣金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量第三十六頁，共63頁。電子警察37膠片式“電子警察”、數(shù)碼式“電子警察”、視頻式“電子警察”；壓力或磁電傳感器，兩個脈沖信號，觸發(fā)拍照系統(tǒng)進行拍照第三十七頁，共63頁。38美國火星車“Sojourner”號上用QCM來檢測太陽能電池板上的灰塵堆積情況每平方米范圍內(nèi)落下了一層4克重的塵埃，則會導(dǎo)致太陽能效率下降40%。視頻：QCM-D第三十八頁，共63頁。雷達C3I系統(tǒng)（Communication，Command，ControlandIntelligencesystems通信、指揮、控制和情報，軍事指揮自動化系統(tǒng)）所用傳感器的種類很多，但它們是以雷達、電子情報機（ELINT)、電子支援測量系統(tǒng)（ESM）、聲音、紅外等傳感器為主，再輔以其他類型的傳感器，在整個三維空間形成一個傳感器網(wǎng)陣。雷達，主動雷達，被動雷達；波長長，預(yù)警雷達，波長短，跟蹤雷達，火控雷達視頻：超寬帶雷達穿墻進行室內(nèi)多目標(biāo)無標(biāo)簽跟蹤第三十九頁，共63頁。聲吶SONAR（soundnavigationandranging），聲音導(dǎo)航測距聲吶是各國海軍進行水下監(jiān)視使用的主要技術(shù)，用于對水下目標(biāo)進行探測、分類、定位和跟蹤；進行水下通信和導(dǎo)航，保障艦艇、反潛飛機和反潛直升機的戰(zhàn)術(shù)機動和水中武器的使用?？諝庵?，麥克風(fēng)，陣列，狙擊手定位空氣中，聲速340m/s;水中，1400m/s水中，其它探測信號如激光，電磁波等衰減很快，近的一兩米，遠的幾十米，水聲能達幾公里幾十公里之外。第四十頁，共63頁。分類按工作方式可分為主動聲吶：被動聲吶：主動地發(fā)射水聲信號，然后收測回波進行計算。聲吶被動接收艦船等水中目標(biāo)產(chǎn)生的輻射噪聲和水聲設(shè)備發(fā)射的信號，以測定目標(biāo)的方位。潛艇噪聲，主要，輻射噪聲（螺旋槳噪聲）、空氣水流噪聲、自噪聲等，中國潛艇噪聲較大。美國噪聲，基本達到海洋背景噪聲(90分貝)。70分貝以上的聲音就會對人來說會造成聽力的傷害了。兩者的單位大小一樣是基準點不一樣。一般指零分貝指的是聲壓20μPa，可是水下聲學(xué)1μPa就有26dB，也就是說兩者相差了52dB比方說所謂海洋背景噪音90dB實際上就是我們一般所說的38dB聲紋庫第四十一頁，共63頁。麥凱恩事件中國潛艇同美國“麥凱恩”號驅(qū)逐艦拖曳聲吶2009年6月11日在菲律賓蘇比克附近相撞有意相撞還是意外相撞？合理的解釋是美國疑似有潛艇跟蹤為確定目標(biāo)放下了探測能力更強的拖曳聲吶(1-2公里)，中國潛艇在不知情的情況下繼續(xù)按正常距離跟蹤，于是兩者相碰。第四十二頁，共63頁。水聽器標(biāo)準水聽器外形圖第四十三頁，共63頁。實驗水箱第四十四頁，共63頁。消聲水池第四十五頁，共63頁。多傳感器問題的引入非關(guān)聯(lián)測試項目測量不同目標(biāo)或?qū)ν荒繕?biāo)的不同參數(shù)進行獨立測量。多傳感器測試系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的測試項目利用多個傳感器對同一目標(biāo)的相同或不同參數(shù)進行測量，綜合測量結(jié)果用于分析目標(biāo)特性。第四十六頁，共63頁。當(dāng)檢測對象為多目標(biāo)或快速機動目標(biāo)時，單一傳感器測量困難。復(fù)雜的電磁環(huán)境使檢測的目標(biāo)信號淹沒在大量噪聲及不相關(guān)信號與雜波中。當(dāng)單一傳感器失效或傳感器的可靠性有待提高時采用多傳感器系統(tǒng)。多傳感器問題的引入環(huán)境復(fù)雜目標(biāo)復(fù)雜可靠性為什么要采用多個傳感器測量同一目標(biāo)參數(shù)？第四十七頁，共63頁。數(shù)據(jù)融合技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用位置估計和身份識別目前1995年海灣戰(zhàn)爭20世紀70年代1973年美國聲吶信息融合研究現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的警鐘我國首次數(shù)據(jù)融合技術(shù)專題會議第四十八頁，共63頁。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,包括水下、航空目標(biāo)的探測、識別和跟蹤,以及戰(zhàn)場監(jiān)視、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢估計和威脅估計等.應(yīng)用在體育競賽，鷹眼系統(tǒng)1,2；應(yīng)用視頻，基于Kinect立體擴充實境影片目前數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從單純軍事上的應(yīng)用滲透到其他應(yīng)用領(lǐng)域:在地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域上,數(shù)據(jù)融合應(yīng)用于遙感技術(shù),包括衛(wèi)星圖像和航空拍攝圖像的研究;在機器人技術(shù)和智能航行器研究領(lǐng)域,數(shù)據(jù)融合主要被應(yīng)用于機器人對周圍環(huán)境的識別和自動導(dǎo)航;第四十九頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)50

生物系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的過程

生物系統(tǒng)對多源信息的融合處理1）獲取信息的多樣性2）信息交融得到感知信息典型系統(tǒng)：人第五十頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)51人對多源信息的處理處理過程特點：復(fù)雜性（信息的來源）、自適應(yīng)性（對外界）歧義性（信息的解讀）、不完整性（盲人摸象）與人的已有知識密切相關(guān)第五十一頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)52生物系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的過程特點：1)自適應(yīng)性(信息的多樣性)2)高智能化處理(各種解決手段)3)先驗知識(先驗知識越豐富，綜合信息處理能力越強)特點：利用多傳感器資源，把多傳感器在空間或時間上可冗余或互補信息，依據(jù)某種準則來進行組合，獲得被測對象的一致性描述1、人模仿自身信息處理能力的過程2、數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模仿人的信息處理能力第五十二頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)53數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)研究的對象后端系統(tǒng)用研究對象：各類信息表現(xiàn)形式：信號、波形、數(shù)據(jù)、文字或聲音等信息獲?。焊黝悅鞲衅鳎ㄐ畔⒌亩鄻有裕┑谖迨?，共63頁。智能信息處理技術(shù)數(shù)據(jù)融合的研究內(nèi)容對多源不確定信息進行綜合處理及利用，即對來自多個信息源的數(shù)據(jù)進行多級別、多方面、多層次的處理，產(chǎn)生新的有意義的信息。幾個重要的概念多源、多級別、多方面、多層次多源，多種信息源，主要是傳感器，還應(yīng)包括數(shù)據(jù)庫、知識庫以及人類本身獲取的有關(guān)信息。多級別，數(shù)據(jù)融合一般模型中會講到，分為四級處理。多方面，檢測、關(guān)聯(lián)、識別、綜合等多方面處理。多層次，包括低層次的狀態(tài)和屬性估計，以及高層次上的戰(zhàn)場態(tài)勢和威脅評估等。第五十四頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)55最簡單的融合是合并多個相同（同質(zhì)）傳感器的數(shù)據(jù)，這種合并并可以獲得較為滿意的解決。例如，雷達防空系統(tǒng)，對飛機進行跟蹤（跟蹤數(shù)據(jù)，位置、速度、方向）。由于每部雷達提供的數(shù)據(jù)類似（位置、方向、速度），那么數(shù)據(jù)融合就建立在相同類型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行處理。問題在于，多傳感器切換，目標(biāo)的確定，即目標(biāo)唯一性。第五十五頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)軍事上的數(shù)據(jù)融合定義所謂多傳感器數(shù)據(jù)融合就是人們通過對空間分布的多源信息(各種傳感器的時空采樣)，對所關(guān)心的目標(biāo)進行檢測、關(guān)聯(lián)（相關(guān)）、跟蹤、估計和綜合（信息組合）等多級功能處理，以更高的精度、較高的概率或置信度得到人們所需要的目標(biāo)狀態(tài)和身份（屬性）估計，以及完整、及時的態(tài)勢和威脅評估，為指揮員提供有用的決策信息第五十六頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)57數(shù)據(jù)融合在軍事領(lǐng)域中的目的組合多源信息和數(shù)據(jù)完成目標(biāo)檢測、關(guān)聯(lián)、狀態(tài)評估的多層次、多方面過程；（發(fā)現(xiàn)敵人）獲得準確的目標(biāo)識別(兩個方面，1是不是同一目標(biāo)，2是什么目標(biāo))、完整而及時的態(tài)勢評估（SA）（敵人在哪以、敵人武器裝備、敵方行動意圖）和威脅評估（TA）（關(guān)于敵方兵力對我方殺傷能力及威脅程度的評估）。前提：計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展；多渠道信息獲取、處理成為可能。第五十七頁，共63頁。數(shù)據(jù)融合的一般定義充分利用不同時間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源，采用計算機技術(shù)按時間序列獲得多傳感器的觀測數(shù)據(jù)，在一定準則下進行分析、綜合、支配和使用。獲得對被測對象的一致性解釋與描述，進而實現(xiàn)相應(yīng)的決策和估計，使系統(tǒng)獲得比它各組成部分更為充分的信息。該定義的重點：方法：分析、綜合、支配、使用；目的：一致性解釋與描述、更為充分的信息第五十八頁，共63頁。智能信息處理技術(shù)59

數(shù)據(jù)融合的時空性分布在不同空間位置上的多傳感器在對