多傳感器信息融合及其應(yīng)用綜述

王俊娜 雷靜

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣技術(shù)分院 新疆 烏魯木齊 830021）

多傳感器信息融合及其應(yīng)用綜述

王俊娜 雷靜

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣技術(shù)分院 新疆 烏魯木齊 830021）

信息融合理論和技術(shù)最早起源并應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著這種技術(shù)與理論的不斷滲透，目前軍事與民事等領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用信息融合。其中，民事應(yīng)用更多體現(xiàn)為：智能制造、機(jī)器人、工業(yè)監(jiān)視、遙感、交通管制、船舶、照顧患者、空中交通、智能駕駛、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)入侵、數(shù)字性旅游、報(bào)警與信息貫通等。

多傳感器；信息融合；應(yīng)用

引言

最近幾年，國際上結(jié)合未來信息系統(tǒng)越來越關(guān)注信息融合，特別是軍事發(fā)達(dá)的大國尤其注重?fù)碛锌箽c互補(bǔ)功能的多種信息融合體系的構(gòu)建。在傳感、計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代通訊、判決理論與遙感技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)下，尤其是sensor network（傳感理論）與技術(shù)的深化，將信息融合應(yīng)用到傳感器中勢必成為帶領(lǐng)信息處理技術(shù)發(fā)展的核心技術(shù)，同時(shí)從本質(zhì)上改變未來航海導(dǎo)航與海洋測繪等各種信息保障形式。

1.多傳感器集成與信息融合

最近幾年，群眾將興趣投注在利用傳感器改善系統(tǒng)功能與智能機(jī)器上，為了讓系統(tǒng)充分運(yùn)用傳感器給予的各類信息，必須提供科學(xué)方法專門集成這類傳感器信息。但就目前而言，人們大多還采用傳統(tǒng)的方法，即在多傳感器系統(tǒng)中，對來自每個(gè)傳感器的信息單獨(dú)地輸入系統(tǒng)，分別獨(dú)立的加以利用。這樣，由于外部傳感器數(shù)量的增加，必然會(huì)帶來復(fù)雜的控制任務(wù)與傳感信息處理之間的矛盾。在傳感器與操作處理數(shù)量與日增多的同時(shí)，通訊與控制程序的復(fù)雜性也以對應(yīng)的規(guī)律不斷增加。許多文獻(xiàn)介紹了多傳感器集成與信息融合方面的研究成果，各種不同的控制結(jié)構(gòu)和融合方法相繼問世，但對信息集成與融合似乎還沒有一個(gè)十分明確、嚴(yán)格的定義和統(tǒng)一的認(rèn)識，大部分學(xué)者、專家都是以自身經(jīng)驗(yàn)與研究成果去理解多傳感器的信息融合與集成的具體意義，并提出各種不同的實(shí)現(xiàn)方法和控制結(jié)構(gòu)。

美國北卡羅萊納州立大學(xué)的REN C.Luo和MICHAELE. KAY在綜述了已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)比較明確的定義。所謂多傳感器集成是通過調(diào)整應(yīng)用多傳感器設(shè)備給予的各類信息，幫助系統(tǒng)更好的落實(shí)工作布局，它處于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制級上，涉及的問題較一般。而多傳感器信息融合的概念更嚴(yán)格，它通常是指在集成過程的任一階段，將不同來源、不同性質(zhì)的感覺信息融合成一種統(tǒng)一的表示形式(通常是符號表示)，它所涉及的問題大多數(shù)情況下是數(shù)學(xué)表達(dá)或統(tǒng)計(jì)問題。筆者認(rèn)為，沒有必要將集成與融合過于嚴(yán)格地區(qū)分開來，兩者只是在系統(tǒng)的不同層面上采用不同的表示和處理方式，但都是綜合運(yùn)用多傳感器信息的方式，即：多傳感器信息融合和集成是借助一種最佳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和合適的信息處理方法，綜合運(yùn)用多傳感器信息，以增強(qiáng)系統(tǒng)在各種復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的、不確定環(huán)境中的自主決策能力。信息集成作為融合的條件，它是對多傳感器提供的各類信息進(jìn)行整合處理，對外部環(huán)境的表達(dá)形式，即：融合。經(jīng)過集成與融合的多傳感器信息能完善的、精確地反映環(huán)境特征，與單一傳感器只能獲得環(huán)境特征的部分信息段相比，它具有冗余性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性和低成本四大優(yōu)點(diǎn)。

2.多傳感器信息融合的發(fā)展歷程

2.1 多傳感器信息融合的使用情況

多傳感器融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用主要有民事與軍事兩種情況。

軍事運(yùn)用作為多傳感器數(shù)據(jù)融合與產(chǎn)生的根源，更多的用在飛機(jī)、航艇與導(dǎo)彈在內(nèi)的軍事定位、檢測、識別與跟蹤。當(dāng)然，這類目標(biāo)既可以為動(dòng)態(tài)的，也可以是靜態(tài)的，具體運(yùn)用包含空中對空中、海洋監(jiān)視與陸地對空中的預(yù)防系統(tǒng)。其中，海洋監(jiān)視具體包含：水下導(dǎo)彈、魚雷、潛艇等各類目標(biāo)的識別、跟蹤與檢測，應(yīng)用較多的傳感器有：聲納、綜合性孔徑雷達(dá)、雷達(dá)與遠(yuǎn)紅外等。陸地對空中、空中對空中的防御體系主要體現(xiàn)為識別、跟蹤、檢測敵人的導(dǎo)彈、飛機(jī)與反飛機(jī)武器，常用的傳感器有：FSM接收機(jī)、雷達(dá)、電光成像、敵我識別與紅外線等。

目前，遙感技術(shù)在民事與軍事領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用，可以廣泛用于天氣、農(nóng)作物與礦產(chǎn)資源的檢測。將多傳感器運(yùn)用在遙感技術(shù)中，是借助全色圖像、空間高分辨率與低光譜的融合，最終得到高光譜與高空間分辨率圖像，通過融合多時(shí)段與多波段遙感圖像，以此改善分類。將多傳感器融匯在刑偵工作中，是借助微波、紅外燈傳感設(shè)備對隱藏的毒品、武器進(jìn)行有效檢驗(yàn)。把人體的不同生物特性，具體如：指紋、肛膜、聲音、人臉等進(jìn)行一系列有效融匯，能最大程度提高身份認(rèn)證與識別能力，同時(shí)這也是改善保衛(wèi)與安全能力的有效途徑。

2.2 多傳感器信息融合方法的發(fā)展歷程

應(yīng)用較多的傳感器融合方法有：卡爾曼濾波、經(jīng)典推理、貝葉斯估計(jì)、推理證據(jù)、參數(shù)模板、聚類分析、物理模型、品質(zhì)因數(shù)、專家系統(tǒng)、估計(jì)理論與熵法等。最近幾年，在多傳感器數(shù)據(jù)融合中應(yīng)用較多的智能計(jì)算方式有：

模糊集合理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗集理論、小波分析理論和支持向量機(jī)等。

當(dāng)下，很多學(xué)者與專家已經(jīng)著手復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中怎樣應(yīng)用與融合多傳感器。

文獻(xiàn)所述的復(fù)雜工業(yè)綜合智能控制系統(tǒng)（如圖1所示）只是其中一類，圖中的小波、頻率、時(shí)間序列分析都是從信號模式中得到的特征數(shù)據(jù)，然后再將相關(guān)數(shù)據(jù)輸送到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)融合與模式識別，通過鑒別系統(tǒng)特性，輸入模糊專家對其進(jìn)行決策融合。在專家系統(tǒng)推理工作中，就已有的數(shù)據(jù)庫與知識庫得到對應(yīng)的知識參數(shù)與規(guī)則，同時(shí)和特征數(shù)據(jù)實(shí)融合貫通，最后對被測系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行情況和故障類型進(jìn)行決策與處理。

圖1 復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的多傳感器信息融合系統(tǒng)據(jù)

3.結(jié)語

隨著多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的飛速發(fā)展，很好的擴(kuò)充了應(yīng)用空間。目前，多傳感器融合技術(shù)已經(jīng)擁有廣闊的研究空間與基礎(chǔ)。多傳感器融合是一項(xiàng)極不確定的技術(shù)，它能提供精確的測試結(jié)果，同時(shí)也是一項(xiàng)信息化、綜合程度很高的智能數(shù)據(jù)處理過程，它在監(jiān)控工業(yè)發(fā)展、軍事、智能監(jiān)測、分析圖像、機(jī)器人、跟蹤、檢測目標(biāo)、自動(dòng)識別等各個(gè)方面都得到了很大的認(rèn)同與應(yīng)用。

TP3

A

1009-5624（2016）05-0078-02