第1章多傳感器數(shù)據(jù)融合概述1.1引言1.2數(shù)據(jù)融合的定義和通用模型1.3數(shù)據(jù)融合的重要性和潛在能力1.4數(shù)據(jù)融合的分類1.5數(shù)據(jù)融合技術(shù)1.6數(shù)據(jù)融合的主要內(nèi)容1.1引言

目前的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)大約有以下幾個特點(diǎn):(1)所采用的傳感器類型，一般以雷達(dá)，電子情報（ELINT）接收機(jī)，電子支援測量（ESM）系統(tǒng)，紅外、激光和可見光、聲音傳感器為主；

(2)所采用的融合算法，應(yīng)用最多的是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和多目標(biāo)跟蹤算法，其次是身份估計和基于知識系統(tǒng)；

(3)所采用的系統(tǒng)按融合級別分，狀態(tài)與身份估計、態(tài)勢評估和威脅評估的比例約為8∶5∶1。威脅評估目前應(yīng)用最少，可能是因?yàn)樗钯N近戰(zhàn)爭，出于保密的原因，報道很少。

源信息、傳感器與環(huán)境之間的關(guān)系如圖1-1所示。圖1-1傳感器、源信息與環(huán)境的關(guān)系

各種傳感器的互補(bǔ)特性為獲得更多的信息提供了技術(shù)支撐。但是，隨著多傳感器的利用，又出現(xiàn)了如何對多傳感器信息進(jìn)行聯(lián)合處理的問題。消除噪聲與干擾，實(shí)現(xiàn)對觀測目標(biāo)或?qū)嶓w的連續(xù)跟蹤和測量，并對其屬性進(jìn)行分類與識別，分析敵我雙方的兵力對比，提供敵方各類平臺的瞬時位置及其企圖，作出威脅判斷等一系列多層次的處理，就是多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，有時也稱作多傳感器信息融合(InformationFusion)技術(shù)或多傳感器融合(SensorFusion)技術(shù)，它是對多傳感器信息進(jìn)行處理的最關(guān)鍵技術(shù)。它在軍事和非軍事領(lǐng)域的應(yīng)用都非常廣泛。其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用包括海上監(jiān)視、地面防空、戰(zhàn)略防御與監(jiān)視等，其中最典型的就是C3I系統(tǒng)，即軍事指揮自動化系統(tǒng)；

在非軍事領(lǐng)域的應(yīng)用包括機(jī)器人系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程系統(tǒng)和工業(yè)控制自動監(jiān)視系統(tǒng)等。在多傳感器系統(tǒng)中所用到的各種傳感器又分有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器發(fā)射某種形式的信息，然后接收環(huán)境和目標(biāo)對該信息的反射或散射信息，形成源信息，如各種類型的有源雷達(dá)、激光測距系統(tǒng)和敵我識別系統(tǒng)等；而無源傳感器則不發(fā)射任何形式的信息，完全靠接收環(huán)境和目標(biāo)的輻射來形成源信息，如紅外無源探測器、被動接收無線電定位系統(tǒng)和電視跟蹤系統(tǒng)等，它們分別接收目標(biāo)發(fā)出的熱輻射、無線電信號和可見光信號。1.1.2雷達(dá)信息處理系統(tǒng)的發(fā)展過程

在雷達(dá)發(fā)展過程中，雷達(dá)信號的檢測、錄取和數(shù)據(jù)處理可以概括為如下幾個階段:

（1）在雷達(dá)站，由操縱員在熒光屏上通過人工的方法進(jìn)行目標(biāo)有無的判斷，并估計目標(biāo)的坐標(biāo)，同時給予新目標(biāo)一個批號。若目標(biāo)存在，加上目標(biāo)的坐標(biāo)便是我們所說的目標(biāo)點(diǎn)跡或測量。在雷達(dá)站的標(biāo)圖板上進(jìn)行標(biāo)圖，并通過無線方式向上級團(tuán)站進(jìn)行口頭報告，在團(tuán)站的標(biāo)圖板上也按相同的方式進(jìn)行人工標(biāo)圖。經(jīng)多個掃描周期之后，在標(biāo)圖板上根據(jù)目標(biāo)的多少形成若干條航跡，沒有形成航跡的那些點(diǎn)跡通常稱為孤立點(diǎn)跡，在后續(xù)若干掃描周期中沒有延續(xù)點(diǎn)跡與它相關(guān)，則認(rèn)為是噪聲或雜波剩余所形成的虛警。

（2）在雷達(dá)站，由操縱員在熒光屏上通過人工的方法進(jìn)行目標(biāo)有無的判斷，如果是兩坐標(biāo)雷達(dá)，操縱員利用手球或操縱桿產(chǎn)生一個瞬時信號，在距離和方位傳感器讀出當(dāng)時的坐標(biāo)，給予一個批號，并同時將批號和坐標(biāo)數(shù)據(jù)顯示在熒光屏上該目標(biāo)附近，然后將坐標(biāo)數(shù)據(jù)和批號送往電子標(biāo)圖板進(jìn)行自動標(biāo)圖，同時通過數(shù)傳機(jī)將該點(diǎn)跡送往上級團(tuán)站。這種錄取方式便稱為半自動錄取。經(jīng)多個掃描周期之后，最后在電子標(biāo)圖板上形成若干條航跡，沒有形成航跡的那些點(diǎn)跡可能是虛警或新目標(biāo)的點(diǎn)跡。這種工作方式的點(diǎn)跡與航跡的關(guān)聯(lián)也是通過批號完成的，即每條航跡的各個點(diǎn)跡的批號是相同的。

（3）在雷達(dá)站，由雷達(dá)信號處理機(jī)通過雷達(dá)目標(biāo)檢測器自動判斷目標(biāo)的有無。如果存在目標(biāo)，便自動在各種坐標(biāo)傳感器讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這種工作方式便稱作自動檢測與錄取。然后將坐標(biāo)數(shù)據(jù)送往上級團(tuán)站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在綜合顯示器上顯示目標(biāo)的航跡和一些假點(diǎn)跡或孤立點(diǎn)跡。（4）對多部雷達(dá)組成的雷達(dá)網(wǎng)，每部雷達(dá)均進(jìn)行自動檢測與錄取，然后將各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù)送往信息處理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，這就是所謂的集中式處理方式。

1.雷達(dá)信號處理和目標(biāo)檢測

通常，經(jīng)典的雷達(dá)信號處理主要是指雷達(dá)中頻信號經(jīng)相干檢波或包絡(luò)檢波后，經(jīng)動目標(biāo)顯示(MTI)、自適應(yīng)動目標(biāo)顯示(AMTI)、動目標(biāo)檢測(MTD)、脈沖壓縮(PC)、恒虛警處理(CFAR)、視頻積累等一系列處理。經(jīng)信號處理之后，根據(jù)尼曼-皮爾遜準(zhǔn)則給出有無目標(biāo)的判斷；如有目標(biāo)存在，則錄取其坐標(biāo)，給出狀態(tài)碼，以形成點(diǎn)跡(Plot)，也稱測量。前者稱為信號檢測，后者稱為信號錄取。當(dāng)然，目標(biāo)的存在是在虛警概率一定的情況下，以概率出現(xiàn)的，這就是我們所說的發(fā)現(xiàn)概率。

雷達(dá)信息一次處理的作用是在雜波、噪聲和各種有源或無源干擾的背景中，提取有用信息，即提升信號，抑制雜波、噪聲和干擾，提高信噪比，以較高的概率發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。盡管現(xiàn)代雷達(dá)采用了很多信號處理技術(shù)，包括各種濾波技術(shù)，但由于雜波譜特性和濾波器特性不是很完美，總會有一小部分雜波和干擾信號漏過去，即濾波濾的不是很干凈。這一部分雜波和干擾信號，我們稱其為雜波剩余。一次處理之后，有時為了減輕后續(xù)處理計算機(jī)的負(fù)擔(dān)和防止計算機(jī)飽和，提高系統(tǒng)性能，還要對一次處理所給出的點(diǎn)跡（測量）進(jìn)行過濾，以便進(jìn)一步去掉或減少信號處理所產(chǎn)生的雜波剩余、噪聲或遠(yuǎn)區(qū)雜波形成的假點(diǎn)跡。去野值及由于距離分割和目標(biāo)檢測準(zhǔn)則等因素引起的目標(biāo)分裂，也需要在這里進(jìn)行目標(biāo)合并處理。這些工作也可以看作是二次處理的預(yù)處理。

2.單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理可以是對單部雷達(dá)，也可以是對多部雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這里我們是指對單部雷達(dá)或單傳感器的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理單元的輸入是前端送來的點(diǎn)跡，因此，點(diǎn)跡是數(shù)據(jù)處理的對象。在這里對一次處理給出的點(diǎn)跡與數(shù)據(jù)庫中的所有航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后進(jìn)行外推、濾波等處理，以對目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行估計并形成航跡，這一過程就是我們通常所說的跟蹤。這里所說的關(guān)聯(lián)是指將同一目標(biāo)的點(diǎn)跡與其對應(yīng)的航跡配對，以保證同一目標(biāo)的點(diǎn)跡與歷史數(shù)據(jù)的相關(guān)。關(guān)聯(lián)上的點(diǎn)跡被歸并到相應(yīng)的航跡，沒有關(guān)聯(lián)上的點(diǎn)跡被保留下來，直到在以后有限的幾個掃描周期中滿足目標(biāo)起始準(zhǔn)則，然后建立新的航跡；關(guān)聯(lián)不上的點(diǎn)跡，在滿足一定條件的情況下，被判定為假點(diǎn)跡，它們可能是由雜波剩余或干擾形成的，予以剔除。

外推、濾波是對同一個目標(biāo)的不同時刻已關(guān)聯(lián)上的點(diǎn)跡而言的，否則沒有任何意義。一條航跡一旦被確認(rèn)之后，就要對下一采樣時刻的目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)測，以預(yù)測值為中心建立一個波門，以限制其它目標(biāo)和雜波進(jìn)入該波門，等待下一采樣周期該航跡對應(yīng)目標(biāo)的點(diǎn)跡的到來，進(jìn)行新的關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)上之后，用測量值取代預(yù)測值，對濾波器的狀態(tài)進(jìn)行更新。這一過程，通常稱作波門跟蹤。如果雷達(dá)工作環(huán)境是多目標(biāo)環(huán)境，還要考慮航跡的交叉等處理。單傳感器數(shù)據(jù)處理單元的輸出是多目標(biāo)所形成的航跡。數(shù)據(jù)處理時所用到的主要濾波技術(shù)包括：α-β濾波器、自適應(yīng)α-β濾波器、α-β-γ濾波器、卡爾曼濾波器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、自適應(yīng)卡爾曼濾波器、多模型濾波器等。通常把雷達(dá)數(shù)據(jù)處理稱作雷達(dá)信息二次處理。二次處理利用的是同一部雷達(dá)、不同掃描周期、不同距離單元的信息，它可以在各個雷達(dá)站進(jìn)行，也可以在雷達(dá)網(wǎng)的信息處理中心或系統(tǒng)指揮中心進(jìn)行。

3.多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合

雷達(dá)信息的三次處理通常是在信息處理中心完成的，它所完成的是多雷達(dá)或多傳感器的信息處理。信息處理中心接收各部雷達(dá)送來的點(diǎn)跡或航跡，對它們繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對多部雷達(dá)或傳感器的點(diǎn)跡或航跡的處理通常稱作多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理或多傳感器數(shù)據(jù)融合。每部雷達(dá)送來的航跡，通常稱作局部航跡，融合之后形成的航跡稱作全局航跡或系統(tǒng)航跡。根據(jù)不同的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，融合又分點(diǎn)跡融合和航跡融合。有時融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定了信息處理的關(guān)系，甚至影響其系統(tǒng)的性能。一般集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用點(diǎn)跡融合，分布式結(jié)構(gòu)采用航跡融合，由于點(diǎn)跡融合利用的是各部雷達(dá)的原始點(diǎn)跡，性能略高于航跡融合，但在網(wǎng)絡(luò)中除了雷達(dá)之外還有更多類型的傳感器，若目標(biāo)和雜波的數(shù)量很大，通信和處理都存在困難時，就不得不采用航跡融合。

信息處理中心所接收的是多雷達(dá)的一次處理后的點(diǎn)跡或二次處理后的航跡，它們是三次處理的對象。三次處理不像二次處理是在一次處理之后進(jìn)行的，有一個嚴(yán)格的時間順序，它與二次處理之間沒有嚴(yán)格的時間界限，它是二次信息處理的擴(kuò)展和自然延伸，主要表現(xiàn)在空間和維數(shù)上。因此，三次處理所采用的技術(shù)，如數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法、濾波方法等也是二次處理的擴(kuò)展。三次處理用的是多部雷達(dá)或多傳感器不同掃描周期的信息。三次處理的功能是通過多部雷達(dá)或多傳感器的多目標(biāo)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行目標(biāo)的狀態(tài)估計、屬性或身份估計或識別，以便后續(xù)處理時實(shí)現(xiàn)態(tài)勢和行為與威脅評估，為指揮員提供決策方案，即實(shí)現(xiàn)輔助決策。圖1-2所示為雷達(dá)信息處理的層次示意圖。圖1-2雷達(dá)信息處理層次示意圖1.1.3數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中的主要傳感器1.雷達(dá)

1)按環(huán)境分空中:機(jī)載脈沖多普勒(PD)雷達(dá)、機(jī)載預(yù)警雷達(dá)、機(jī)載火控雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)等。地面:地面搜索雷達(dá)、地面跟蹤雷達(dá)、地面火控雷達(dá)、引導(dǎo)雷達(dá)等。水面:艦載火控雷達(dá)、艦載搜索雷達(dá)、艦載導(dǎo)航雷達(dá)等。水下:各種類型的聲納。2）按技術(shù)分相控陣?yán)走_(dá)、動目標(biāo)指示雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、單脈沖雷達(dá)、天波或地波超視距雷達(dá)、雙基地雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)等，是對所采用的技術(shù)而言的，它們都可能用在不同的環(huán)境中。

2.其它電子情報(ELINT)接收機(jī)、電子支援測量(ESM)系統(tǒng)、紅外(IR)探測與跟蹤器、無線電干擾機(jī)、通信情報接收機(jī)、雷達(dá)告警機(jī)、激光測距及告警機(jī)、電視跟蹤和光電(EO)傳感器、敵—我—中識別器(IFFN)等。從這些傳感器可以看出，它們所利用的頻譜范圍是很寬的。從音頻、視頻、微波、毫米波，一直到紫外和γ射線頻段。其中紫外頻段還分近紫外和遠(yuǎn)紫外頻段；紅外頻段分近紅外、短波紅外、中波紅外、長波紅外和遠(yuǎn)紅外頻段；微波頻段分Ka、K、Ku、X、C、S、L頻段。需要注意的是，不同國家和不同技術(shù)領(lǐng)域?qū)︻l段的定義可能略有差別。

有源和無源聲納、地震儀和直接聲音探測儀利用的是音頻信號，它可以從零點(diǎn)幾赫茲到幾十千赫茲；雷達(dá)所用的頻段更寬，從短波一直到毫米波；紅外頻段盡管很寬，但云雨雜波衰減嚴(yán)重，紅外探測器只有3～5μm和8～12μm的兩個窗口利用較多。表1-1給出了各個頻段的名稱、相對應(yīng)的波長和頻率范圍。表1-1信號波譜圖

這些傳感器可能分布在空間的各種運(yùn)動平臺上，但在性能上，它們可能有很大的差異，以雷達(dá)為例:(1)有不同的精度。（2）有不同的分辨率。（3）有不同的維數(shù)。（4）有不同的頻段。

(5)有不同的覆蓋范圍。圖1-3所示為數(shù)據(jù)融合技術(shù)在C3I系統(tǒng)中應(yīng)用的示例。圖1-3數(shù)據(jù)融合在C3I系統(tǒng)中的應(yīng)用1.1.4數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用領(lǐng)域海上監(jiān)視空—空和地—空防御戰(zhàn)場情報偵察、監(jiān)視和目標(biāo)捕獲戰(zhàn)略預(yù)警和防御機(jī)器人醫(yī)療診斷遙感監(jiān)控系統(tǒng)法律執(zhí)行10.交通管制系統(tǒng)1.2數(shù)據(jù)融合的定義和通用模型1.2.1數(shù)據(jù)融合的定義人是一個最復(fù)雜的且自適應(yīng)性極強(qiáng)的信息融合系統(tǒng)。人身上有許多功能不同的傳感器。實(shí)際上，人的眼睛、耳朵、鼻子、舌頭和四肢，就是視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺傳感器。例如，一個人到一個黑屋子中去取一只帶有異味的鬧鐘，他進(jìn)屋后要“盡量地”看，要“拼命地”聽，要用手去觸摸，用鼻子去聞，以確定鬧鐘的方向和位置。他對鬧鐘的定位，是通過綜合各種信息進(jìn)行的。

從軍事應(yīng)用的角度看，多傳感器數(shù)據(jù)融合可以這樣來定義: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(jìn)行檢測、關(guān)聯(lián)（相關(guān)）、跟蹤、估計和綜合等多級多功能處理，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。

這一定義基本上能夠描述數(shù)據(jù)融合的三個主要功能：（1）數(shù)據(jù)融合是在多個層次上對多源信息進(jìn)行處理的，每個層次代表信息處理的不同級別；（2）數(shù)據(jù)融合過程包括檢測、關(guān)聯(lián)（相關(guān)）、跟蹤、估計和綜合；（3）數(shù)據(jù)融合過程的結(jié)果包括低層次上的狀態(tài)和屬性估計，以及高層次上的戰(zhàn)場態(tài)勢和威脅評估。1.2.2數(shù)據(jù)融合的通用模型由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，數(shù)據(jù)融合模型可能有些區(qū)別。美國國防部實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合指導(dǎo)委員會數(shù)據(jù)融合小組(DFS)給出了一個數(shù)據(jù)融合在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的通用模型。該模型開始分三級，后來發(fā)展成四級。應(yīng)當(dāng)指出，“級”這一術(shù)語，并不意味著各級之間有時序特性，實(shí)際上，這些子過程經(jīng)常是并行處理的。第一級處理:包括數(shù)據(jù)和圖像的配準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)、跟蹤和識別。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是把從各個傳感器接收的數(shù)據(jù)或圖像在時間和空間上進(jìn)行校準(zhǔn)，使它們有相同的時間基準(zhǔn)、平臺和坐標(biāo)系。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是把各個傳感器送來的點(diǎn)跡與數(shù)據(jù)庫中的各個航跡相關(guān)聯(lián)，同時對目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)測，保持對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤，關(guān)聯(lián)不上的那些點(diǎn)跡可能是新的點(diǎn)跡，也可能是虛警，保留下來，在一定條件下，利用新點(diǎn)跡建立新航跡，消除虛警。識別主要指身份或?qū)傩宰R別，給出目標(biāo)的特征，以便進(jìn)行態(tài)勢和威脅評估。

所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，所對應(yīng)的信息處理方法也有所不同。對分布式融合系統(tǒng)，所處理的對象是各個傳感器送來的航跡，首先要對它們進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以保證不同傳感器對同一目標(biāo)觀測的航跡得到合并。第二級處理:包括態(tài)勢提取、態(tài)勢分析和態(tài)勢預(yù)測，統(tǒng)稱為態(tài)勢評估。態(tài)勢提取是從大量不完全的數(shù)據(jù)集合中構(gòu)造出態(tài)勢的一般表示，為前級處理提供連貫的說明。靜態(tài)態(tài)勢包括敵我雙方兵力、兵器、后勤支援對比及綜合戰(zhàn)斗力估價；而動態(tài)態(tài)勢包括意圖估計、遭遇點(diǎn)估計、致命點(diǎn)估計等。態(tài)勢分析包括實(shí)體合并，協(xié)同推理與協(xié)同關(guān)系分析，敵我各實(shí)體的分布和敵方活動或作戰(zhàn)意圖分析。態(tài)勢預(yù)測包括未來時刻敵方位置預(yù)測和未來兵力部屬推理等。

第三級處理:威脅評估是關(guān)于敵方兵力對我方殺傷能力及威脅程度的評估，具體地說，包括綜合環(huán)境判斷、威脅等級判斷及輔助決策。第四級處理:可以把第四級處理稱為優(yōu)化融合處理，包括優(yōu)化利用資源、優(yōu)化傳感器管理和優(yōu)化武器控制，通過反饋?zhàn)赃m應(yīng)，提高系統(tǒng)的融合效果。也有人把輔助決策作為第四級處理。圖1-4數(shù)據(jù)融合的一般模型1.2.3傳感器組成及描述

1.傳感器的組成一個多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的輸入包括三種基本分量:(1)傳感器的觀測數(shù)據(jù);(2)操縱員或用戶輸入的數(shù)據(jù)或命令;(3)來自數(shù)據(jù)庫的先驗(yàn)數(shù)據(jù)。

其中傳感器的觀測數(shù)據(jù)是系統(tǒng)處理的主要對象，它包含人們需要的各種有用信息，因此傳感器是融合系統(tǒng)的主要信息源。所謂傳感器，是一種采用有源或無源的手段，對感興趣的目標(biāo)和環(huán)境進(jìn)行觀測或探測，并對輸入能量或信號進(jìn)行采集、處理，抑制無用分量，提升有用分量，以較高的信噪比輸出有用信號或圖像的設(shè)備。一個通用有源傳感器的功能模型如圖1-5所示。圖1-5通用傳感器模型

從功能上看，傳感器主要分七個單元：能量發(fā)射單元、能量接收單元、傳感器引導(dǎo)與控制單元、信號調(diào)節(jié)單元、信號處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和信息輸出單元。傳感器的發(fā)射單元和接收單元通常指天線、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。有的傳感器是收發(fā)共用天線，它們之間就要有收發(fā)開關(guān)；有的傳感器的收發(fā)天線是分開的。發(fā)射單元通過天線發(fā)射高頻探測信號，接收單元接收來自目標(biāo)、環(huán)境和人為產(chǎn)生的各種信號。來自目標(biāo)的信號包括電磁輻射、聲音和核粒子等；來自環(huán)境的信號可能有天電噪聲，地面、海洋、云雨雜波，多徑反射以及傳感器接收單元內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲等；人為產(chǎn)生的信號主要指敵人施放的各種有源和無源干擾，前者如各種欺騙式干擾，后者如箔條等。根據(jù)用途不同，天線也是多種多樣的，如陣列天線、拋物面天線、裂縫天線等，但其功能基本上是相同的。

信號調(diào)節(jié)單元的功能主要是變頻、放大、檢波和A/D變換。這里只是把一種能量或信號形式變成另一種能量或信號形式，并不改變它所包含的信息內(nèi)容。通常要把很高頻率的能量變成中頻或低頻能量，對信號的幅度進(jìn)行放大，提取出包含有用信息的低頻分量，以便于后續(xù)處理。信號處理單元的主要功能是抑制雜波、噪聲與干擾，提取出人們所關(guān)心的有用信號。該單元包括門限設(shè)置、檢測、變換、濾波、存儲等。信號處理之后的信噪比會有較大的提高。如雷達(dá)接收機(jī)的中頻放大器，也有提高信噪比的功能。處理之后的信號可以直接輸出，也可以送到后級繼續(xù)進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)和圖像處理及判決單元主要完成特征提取、圖像處理、跟蹤、識別、分類，把觀測數(shù)據(jù)變成身份說明。例如，通過分析雷達(dá)目標(biāo)橫截面(RCS)數(shù)據(jù)來確定觀測目標(biāo)的大小和形狀，進(jìn)而識別出目標(biāo)的類型，如飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、軍艦、云雨、小鳥等。信息輸出單元的功能包括數(shù)據(jù)緩存、坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)單位轉(zhuǎn)換、D/A變換、平滑、濾波等。從信號形式上看，輸出可以是數(shù)據(jù)，也可以是圖像。從信號內(nèi)容上看，它可以是時域信號或頻域信號，也可以是目標(biāo)測量位置向量(距離、速度、仰角或高度)或目標(biāo)預(yù)測位置向量，還可以是目標(biāo)的身份描述數(shù)據(jù)、傳感器狀態(tài)信息和環(huán)境信息等。

傳感器輸入的信息除了從天線接收的信號外，還包括指揮員命令、目標(biāo)指示數(shù)據(jù)、傳感器管理信息等。傳感器引導(dǎo)與控制單元，根據(jù)任務(wù)分派命令或目標(biāo)指示信息，確定工作狀態(tài)，如是跟蹤方式還是搜索狀態(tài)等。根據(jù)功能和任務(wù)的不同，每個傳感器的組成可能都不完全一樣，有的可能復(fù)雜，有的可能簡單。2.傳感器特征描述1)探測性能探測性能是傳感器最重要的性能指標(biāo)，通常是由在指定噪聲背景，給定虛警概率，已知信噪比情況下的檢測概率來表示的。與此相對應(yīng)的指標(biāo)是探測距離，如果說某某傳感器的探測距離是多少，那是指在一定的發(fā)現(xiàn)概率之下的距離。

2)空間/時間分辨率空間/時間分辨率表示在時間和空間上區(qū)分兩個或多個目標(biāo)的能力。實(shí)際上，頻率分辨率也是一個很重要的指標(biāo)。3)空間覆蓋范圍空間覆蓋范圍通常指傳感器所覆蓋的空間體積。如搜索雷達(dá)，它的作用距離、垂直波束寬度、圓周或扇形掃描范圍就決定了該雷達(dá)的空間覆蓋范圍。

4)檢測/跟蹤模式檢測/跟蹤模式包括：①凝視或掃描方式；②單目標(biāo)或多目標(biāo)跟蹤；③單模式或多模式方式(邊掃邊跟/監(jiān)視)。5)目標(biāo)復(fù)現(xiàn)率目標(biāo)復(fù)現(xiàn)率指一個已知目標(biāo)由傳感器反復(fù)測量而發(fā)現(xiàn)的速率。

6)測量精度測量精度指傳感器測量目標(biāo)坐標(biāo)、頻率等參數(shù)時的精確程度。

7)測量維數(shù)測量維數(shù)指傳感器對目標(biāo)測量時測量的變量數(shù)目，如距離、方位、高度、速度、譜特性等。8)硬/軟數(shù)據(jù)報告?zhèn)鞲衅鬏敵鲆词且杂矝Q策(門限)報告給出的，要么是以經(jīng)過預(yù)處理的帶有可能判定假設(shè)的定量證據(jù)報告給出的。

9)檢測/航跡報告?zhèn)鞲衅鲌蟾娓髯阅繕?biāo)檢測或保持該目標(biāo)狀態(tài)的一個時間序列表示(航跡)。3.傳感器管理1)空間管理我們知道，一個多傳感器系統(tǒng)中，大部分傳感器不是全向工作的，并且傳感器之間是非同步的，這就要求對所有的傳感器進(jìn)行管理和工作任務(wù)的分配，以保證對整個空域的覆蓋、航跡的連續(xù)性和跟蹤的可靠性。2)工作方式管理根據(jù)任務(wù)需要可以改變組合傳感器的工作方式或單個傳感器的工作模式。如在多站無源定位系統(tǒng)中，根據(jù)定位精度的不同要求，采用雙站定位或多站定位；對一部相控陣?yán)走_(dá)，選擇工作在搜索工作方式，或是工作在邊掃邊跟的工作方式。不同的工作方式，傳感器所使用的發(fā)射波形、發(fā)射的脈沖數(shù)或發(fā)射方式、發(fā)射機(jī)功率等都可能是不同的，因此造成所使用的信號處理技術(shù)的不同，這就要求信號處理機(jī)兼容不同的工作模式。3)時間管理前面已經(jīng)指出，一個多傳感器系統(tǒng)可能是由多種多樣的傳感器組成的，每個傳感器都有不同的任務(wù)，即有不同的分工。根據(jù)不同的任務(wù)和不同的觀測對象，可能在某一時刻，只需要某些傳感器工作，或只需要某些方向上的傳感器工作。因此可以根據(jù)事件出現(xiàn)的順序，選用不同的傳感器組合，按一定的時間順序進(jìn)行統(tǒng)一管理。一個典型的例子是為了獲取監(jiān)視區(qū)域運(yùn)動目標(biāo)的圖像，可能分配EO傳感器在白天工作，而分配IR傳感器在夜晚工作。

前面還曾指出，任何一個多傳感器系統(tǒng)，各個傳感器的工作往往是不同步的，這就意味著它們的工作時間和采樣間隔可能不一樣。而在數(shù)據(jù)處理或數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)時，卻需要同一時刻的采樣數(shù)據(jù)，這就必須把不同傳感器來的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間配準(zhǔn)，這就意味著整個多傳感器系統(tǒng)必須有一個統(tǒng)一的“時統(tǒng)”，即時間基準(zhǔn)。4)頻譜管理一個多傳感器系統(tǒng)，其中的傳感器所使用的頻段一般要有所區(qū)別，否則可能遇到更多電磁兼容方面的麻煩。一個系統(tǒng)中可能包含厘米波雷達(dá)、分米波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和紅外或激光雷達(dá)等，什么時候用哪些頻段的傳感器是由系統(tǒng)統(tǒng)一管理的。當(dāng)某一頻段的雷達(dá)遇到同頻干擾時，系統(tǒng)會自動啟動另一頻段雷達(dá)，以保證系統(tǒng)的正常檢測與跟蹤。因此，一個多傳感器系統(tǒng)的頻譜管理也是“四抗”的需要。5)傳感器選擇與優(yōu)化布站傳感器管理的另一個很重要的方面，就是系統(tǒng)的傳感器選擇和布站。一方面，對于一個給定的防御區(qū)域，考慮到探測與跟蹤范圍、整個系統(tǒng)的性能等諸方面的因素，選擇哪些傳感器才能完成系統(tǒng)的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)任務(wù)；另一方面，如何布站既能充分發(fā)揮每個傳感器的作用，又能使系統(tǒng)的整體性能得到優(yōu)化。通常，將站與站間的距離稱作基線，基線的長短與系統(tǒng)的定位精度是密切相關(guān)的。6)傳感器對目標(biāo)的指示與交接不管是C3I系統(tǒng)還是空中交通管制系統(tǒng)，都需要雷達(dá)網(wǎng)對整個空域進(jìn)行監(jiān)視。而雷達(dá)網(wǎng)中的每部雷達(dá)實(shí)際上只負(fù)責(zé)某一個局部的空域，當(dāng)目標(biāo)即將由一部雷達(dá)的管轄空域飛到另一部雷達(dá)的管轄空域時，系統(tǒng)就需要對傳感器進(jìn)行管理，使前者對后者進(jìn)行目標(biāo)指示，完成目標(biāo)交接工作，使后者保持對該目標(biāo)的連續(xù)跟蹤。

對一個實(shí)際的雷達(dá)網(wǎng)，往往是遠(yuǎn)程搜索/警戒雷達(dá)首先發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。當(dāng)戰(zhàn)術(shù)需要地面武器對該目標(biāo)進(jìn)行射擊時，傳感器管理系統(tǒng)就要根據(jù)指揮員的意圖，指示搜索雷達(dá)，把該目標(biāo)的實(shí)際位置通知給該目標(biāo)附近的火控雷達(dá)，即對火控雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)指示，實(shí)現(xiàn)火控雷達(dá)對該目標(biāo)的跟蹤。搜索雷達(dá)的探測距離遠(yuǎn)，但精度低，滿足不了武器系統(tǒng)的射擊要求，火控雷達(dá)的探測距離近，但精度要比搜索雷達(dá)的精度高得多，它在捕獲目標(biāo)之后，在跟蹤的同時，就把射擊諸元實(shí)時地送給武器系統(tǒng)，隨時準(zhǔn)備根據(jù)上級的命令對該目標(biāo)進(jìn)行射擊。如果在遠(yuǎn)程搜索雷達(dá)的監(jiān)視范圍內(nèi)，要同時攻擊幾批目標(biāo)，這就涉及多目標(biāo)分配的問題，搜索雷達(dá)就要同時對在不同位置的幾部火控雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)指示。1.3數(shù)據(jù)融合的重要性和潛在能力

不管是小型的智能武器系統(tǒng)還是大型的C3I系統(tǒng)，都要求它們在限定的條件下，對周圍環(huán)境進(jìn)行理解，以便作出正確的決策和反應(yīng)。到目前為止，在這一過程中的許多問題，如對環(huán)境的描述、模型建立、特征的提取、目標(biāo)識別、推理機(jī)制、視覺理解系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)等都沒有得到很好解決。正因如此，才研制了各種類型的傳感器。到目前為止，還沒有哪種傳感器的各種性能指標(biāo)都高于其它傳感器，因此在一個智能武器系統(tǒng)中，不得不同時采用多種類型的傳感器，以提高系統(tǒng)的檢測、識別、分類和決策能力。

在多傳感器信息系統(tǒng)中，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)可能給系統(tǒng)帶來的好處主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。由于采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，減小了因環(huán)境的突然變化對系統(tǒng)性能的影響，對環(huán)境的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)性。（2）擴(kuò)展系統(tǒng)的空間覆蓋能力。由于傳感器在空間的交疊，擴(kuò)展了空間覆蓋范圍，這是任何同類的單一傳感器所達(dá)不到的。（3）擴(kuò)展系統(tǒng)的時間覆蓋能力。當(dāng)某些傳感器不能工作時，其它傳感器仍能保持繼續(xù)探測，如可見光傳感器與紅外傳感器就可在白天和夜晚分時工作。

（4）增加系統(tǒng)的可信度。用多個傳感器對同一個目標(biāo)或事件進(jìn)行判決和確認(rèn)，增加了結(jié)果的可信程度。（5）減小系統(tǒng)的信息模糊程度。由于采用多傳感器的信息進(jìn)行檢測、判斷、推理等運(yùn)算，降低了事件的不確定性。（6）改善系統(tǒng)的檢測能力。利用多傳感器信息，可以在虛警一定的情況下，提高系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)概率。表1-2給出了在虛警概率為10-6的情況下，多傳感器對單傳感器性能的改善。表1-2采用多傳感器時探測性能的改善

（7）增加系統(tǒng)的空間分辨能力。多傳感器合成孔徑可以獲得比單一傳感器更高的分辨力。（8）提高系統(tǒng)的定位精度。利用多傳感器信息可以減小測量誤差，提高測量精度。圖1-6所示為一個由紅外傳感器組成的傳感器陣。眾所周知，紅外傳感器只能測量角度，而不能測量距離，但由紅外傳感器組成了多傳感器系統(tǒng)以后，不僅能夠定位，給出目標(biāo)的距離、方位和高度，而且定位精度很高；不僅擴(kuò)展了空間覆蓋范圍，而且白天和晚上都能工作。圖1-6由紅外傳感器組成的傳感器陣

（9）提高系統(tǒng)的可靠性。由于多傳感器相互配合，使系統(tǒng)具有內(nèi)在的冗余度，降低了系統(tǒng)故障率。（10）提高系統(tǒng)決策的正確性。由于多傳感器工作增加了事件的可信度，使指揮員決策的依據(jù)更可靠。（11）提高系統(tǒng)的容錯能力。系統(tǒng)工作時，如果有一個或幾個傳感器失效，其他傳感器的存在可減小系統(tǒng)的性能損失。1.4數(shù)據(jù)融合的分類1.4.1像素級融合

像素級融合是指在融合過程中要求各參與融合的傳感器信息間具有精確到一個像素的配準(zhǔn)精度。通常，它對原始傳感器信息不進(jìn)行處理或只進(jìn)行很少的處理。在信息處理層次中像素級融合的層次較低，故也稱其為低級融合。像素級融合的主要優(yōu)點(diǎn)在于它能提供其它融合層次不能提供的細(xì)微信息。由于沒有信息損失，它具有較高的融合性能。

像素級融合的缺點(diǎn)主要有:

（1）它要處理的數(shù)據(jù)量大，對計算機(jī)的容量和速度要求較高，所需處理時間長，實(shí)時性差；（2）此類融合是在最底層進(jìn)行的，信息的穩(wěn)定性差，不確定和不完全情況嚴(yán)重；（3）要求各傳感器信息間有像素級的配準(zhǔn)關(guān)系，這些信息應(yīng)來自同質(zhì)傳感器；（4）數(shù)據(jù)通信量大，抗干擾能力較差。1.4.2特征級融合特征級融合是指在各個傳感器提供的原始信息中，首先提取一組特征信息，形成特征矢量，并在對目標(biāo)進(jìn)行分類或其它處理前對各組信息進(jìn)行融合，一般稱其為中級融合。1.4.3決策級融合

決策級融合也稱高級融合，它首先利用來自各傳感器的信息對目標(biāo)屬性等進(jìn)行獨(dú)立處理，然后對各傳感器的處理結(jié)果進(jìn)行融合，最后得到整個系統(tǒng)的決策。決策級融合可以有三種形式:決策融合、決策及其可信度融合和概率融合。

決策級融合的優(yōu)點(diǎn)主要有:

（1）容錯性強(qiáng)，即當(dāng)某個或某些傳感器出現(xiàn)錯誤時，系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)融合處理，仍能得到正確結(jié)果。決策級融合能把某個或某些傳感器出現(xiàn)錯誤的影響減到最低限度。（2）通信量小，抗干擾能力強(qiáng)。（3）對計算機(jī)的要求較低，運(yùn)算量小，實(shí)時性強(qiáng)。決策級融合的缺點(diǎn)主要是信息損失大，性能相對較差。表1-3三個融合層次優(yōu)缺點(diǎn)的比較1.5數(shù)據(jù)融合技術(shù)

1.經(jīng)典推理和統(tǒng)計方法經(jīng)典推理和統(tǒng)計方法是在已知先驗(yàn)概率的情況下，求所觀察事件的概率。它是建立在牢固的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上的，但其存在嚴(yán)重不足:

（1）先驗(yàn)概率往往是不確知的；（2）在一個時刻只有估計二值（H0和H1）假設(shè)的能力；（3）對多變量情況，復(fù)雜性成指數(shù)增加；（4）不存在先驗(yàn)似然估計的優(yōu)點(diǎn)。

2.貝葉斯推理技術(shù)貝葉斯推理解決了部分經(jīng)典推理中的問題，但問題在于:

（1）定義先驗(yàn)似然函數(shù)困難；（2）在存在多個潛在假設(shè)和多個條件獨(dú)立事件時，比較復(fù)雜；（3）要求有些假設(shè)是互斥的；（4）缺乏通用不確定性能力。

3.Dempster-Shafer技術(shù)

Dempster-Shafer技術(shù)是貝葉斯理論的推廣，它利用概率區(qū)間和確定區(qū)間來決定多元假設(shè)的似然性，在身份融合方面有應(yīng)用潛力。

4.模糊集理論

模糊集理論用廣義集合論，在指定集合中確定實(shí)體的數(shù)目，廣泛地應(yīng)用于決策分析，包括不確定事件的決策分析中。模糊集理論在多傳感器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、目標(biāo)跟蹤、態(tài)勢評估和威脅評估等領(lǐng)域中，有著非常好的應(yīng)用前景。

5.聚類分析聚類分析是一種用途廣泛的算法，在多傳感器數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域，它主要用于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和身份融合等方面。聚類分析在指紋和廣義觀察數(shù)據(jù)分析方面，也有非常廣泛的應(yīng)用。

6.估值理論估計理論的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)和工業(yè)控制等。它所采用的技術(shù)比較成熟，包括最大似然估計、α-β濾波、卡爾曼濾波、加權(quán)最小二乘和貝葉斯估計，在已知噪聲的情況下，可獲得最優(yōu)估計。

7.熵法熵法主要用于計算與假設(shè)有關(guān)的信息的度量，主觀和經(jīng)驗(yàn)概率估計等。

8.品質(zhì)因數(shù)(FOM)技術(shù)

品質(zhì)因數(shù)技術(shù)用于計算兩個客體之間的近似度，其計算簡單。

9.專家系統(tǒng)或人工智能技術(shù)專家系統(tǒng)在數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中主要是黑板系統(tǒng)。

10.人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要用于識別與分類。

11.分布式和并行處理技術(shù)這里主要指處理結(jié)構(gòu)。處理結(jié)構(gòu)有很多種，包括串行結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)；有的有反饋，有的沒有反饋。并行結(jié)構(gòu)可能有更高的處理速度。1.6數(shù)據(jù)融合的主要內(nèi)容

1.多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)眾所周知，對數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)來說，它的結(jié)構(gòu)不同，可能導(dǎo)致其有不同的系統(tǒng)性能。從目標(biāo)跟蹤的角度來說，多傳感器融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常分為四種——集中式融合系統(tǒng)、無反饋的分布式融合系統(tǒng)、有反饋的分布式融合系統(tǒng)和有反饋的全并行融合系統(tǒng)，如圖1-7所示。圖1-7多傳感器融合系統(tǒng)（a）集中式融合系統(tǒng)；(b)分布式無反饋融合系統(tǒng)；(c)分布式有反饋融合系統(tǒng)；(d)并行分布式有反饋融合系統(tǒng)

2.數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)多傳感器數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù)之一是多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)(DA，DataAssociation)問題，它也是多傳感器數(shù)據(jù)融合的核心部分。所謂數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，就是把來自一個或多個傳感器的觀測或點(diǎn)跡Yi（i=1，2，…，N）與j個已知或已經(jīng)確認(rèn)的事件歸并到一起，使它們分別屬于j個事件的集合，即保證每個事件集合所包含的觀測來自同一個實(shí)體的概率較大。具體地說，就是要把每批目標(biāo)的點(diǎn)跡與數(shù)據(jù)庫中各自的航跡配對。因?yàn)榭臻g的目標(biāo)很多，不能將它們配錯。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)包括點(diǎn)跡與航跡的關(guān)聯(lián)和航跡與航跡的關(guān)聯(lián)