多传感器信息融合技术

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1、多传感器信息融合多传感器信息融合技术技术 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院主主 要要 内内 容容 一、概念一、概念 二、多传感器信息融合层次二、多传感器信息融合层次 三、主要方法三、主要方法 四、研究方向四、研究方向 五、信息融合方法的实际应用五、信息融合方法的实际应用 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 多传感器信息融合，又称多源信息融合，是用于包含多个或多类传感多传感器信息融合，又称多源信息融合，是用于包含多个或多类传感器或信息源的系统的一种信息处理方法。器或信息源的系统的一种信息处理方法。WalzWalz将多源信息融合定义为：通过将多源信息融合定义为：通

2、过对多个传感器产生的数据或信息进行检测、组合估计、关联等多级操作，从对多个传感器产生的数据或信息进行检测、组合估计、关联等多级操作，从而得到关而得到关于于观测环境或目标的精确状态、身份估计以及完整、及时的态势评观测环境或目标的精确状态、身份估计以及完整、及时的态势评估的过程。估的过程。多传感器数据融合基本原理如下多传感器数据融合基本原理如下：多个不同类型的传感器获取目标的数据；多个不同类型的传感器获取目标的数据；对输出数据进行特征提取，从而获得特征矢量；对输出数据进行特征提取，从而获得特征矢量；对特征矢量进行模式识别，完成各传感器关于目标的属性说明；对特征矢量进行模式识别，完成各传感器关于目标

3、的属性说明；将各传感器关于目标的属性说明数据按同一目标进行分组，即关联；将各传感器关于目标的属性说明数据按同一目标进行分组，即关联；利用融合算法将每一目标各传感器数据进行合成，得到该目标的一致性解利用融合算法将每一目标各传感器数据进行合成，得到该目标的一致性解释与描述释与描述 简而言之：简而言之：信息融合就是将来自多传感器或多源的信息进行协调优化和信息融合就是将来自多传感器或多源的信息进行协调优化和综合处理，产生新的有价值的信息，以得出更为准确、可信的结论。综合处理，产生新的有价值的信息，以得出更为准确、可信的结论。一、概念一、概念 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院多传感器信

4、息融合的特点多传感器信息融合的特点(1)(1)提高了信息的可信度。提高了信息的可信度。(2)(2)增加了目标特征增加了目标特征矢量的维数。矢量的维数。(3)(3)降低了获得信息的费用。降低了获得信息的费用。(4)(4)减少了信息获取的时间。减少了信息获取的时间。(5)(5)提高了系统的容提高了系统的容错能力。错能力。(6)(6)提高了整个系统的性能提高了整个系统的性能 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 信信息息的的数数据据融融合合是是对对多多源源数数据据进进行行多多级级处处理理，每每一一级级处处理理都都代代表表了了对对原原始始数数据据的的不不同同程程度度的的抽抽象象化化，它它

5、包包括括对对数数据据的的检检测测、关关联联、估估计计和和组组合合等等处处理理。信信息息融融合合按按其其在在传传感感器器信信息息处处理理层层次次中中的的抽抽象象程程度度，可可以以分分为为三三个个层层次次：像像素素层层融融合合、特特征层融合及决策层融合。征层融合及决策层融合。 根根据据信信息息融融合合处处理理方方式式的的不不同同，可可以以将将多多传传感感器器信信息息融融合合的拓扑结构分为集中型、分散型、混合型、反馈型等。的拓扑结构分为集中型、分散型、混合型、反馈型等。二、多传感器信息融合层次二、多传感器信息融合层次 ( (一）一）、多传感器信息融合的融合、多传感器信息融合的融合层次层次（二）（二）

6、、多传感器信息融合的融合结构、多传感器信息融合的融合结构 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院1 1像素层融合像素层融合 它是最低层次的融合，是在采集到的传感器的原始信息层它是最低层次的融合，是在采集到的传感器的原始信息层次上次上( (未经处理或只做很少的处理未经处理或只做很少的处理) )进行融合，在各种传感器的进行融合，在各种传感器的原始测报信息未经预处理之前就进行信息的综合和分析。其优原始测报信息未经预处理之前就进行信息的综合和分析。其优点是保持了尽可能多的战场信息点是保持了尽可能多的战场信息; ;其缺点是处理的信息量大，其缺点是处理的信息量大，所需时间长，实时性差。所需时间

7、长，实时性差。( (一）一）、多传感器信息融合的融合、多传感器信息融合的融合层次层次 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院2 2特征层融合特征层融合 属于融合的中间层次，兼顾了数据层和决策层的优点属于融合的中间层次，兼顾了数据层和决策层的优点。它利用从传感器的原始信息中提取的特征信息进行综合分析和它利用从传感器的原始信息中提取的特征信息进行综合分析和处理。也就是说，每种传感器提供从观测数据中提取的有代表处理。也就是说，每种传感器提供从观测数据中提取的有代表性的特征，这些特征融合成单一的特征向量，然后运用模式识性的特征，这些特征融合成单一的特征向量，然后运用模式识别的方法进行处理。

8、这种方法对通信带宽的要求较低，但由于别的方法进行处理。这种方法对通信带宽的要求较低，但由于数据的丢失使其准确性有所下降。数据的丢失使其准确性有所下降。 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院3 3决策层融合决策层融合指在每个传感器对目标做出识别后，将多个传感器的识别指在每个传感器对目标做出识别后，将多个传感器的识别结果进行融合。这一层融合是在高层次上进行的，融合的结果结果进行融合。这一层融合是在高层次上进行的，融合的结果为指挥控制决策提供依据为指挥控制决策提供依据。决策层融合的优点是决策层融合的优点是：具有很高的具有很高的灵活性，系统对信息传输带宽要求较低灵活性，系统对信息传输带宽

9、要求较低；能有效地融合反映环能有效地融合反映环境或目标各个侧面的不同类型信息，具有很强的容错性境或目标各个侧面的不同类型信息，具有很强的容错性；通信通信容量小，抗干扰能力强容量小，抗干扰能力强；对传感器的依赖性小，传感器可以是对传感器的依赖性小，传感器可以是异质的异质的；融合中心处理代价低。融合中心处理代价低。 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院1 1集中型集中型 集中型融合结构的融合中心直接接收来自被融合传感器的集中型融合结构的融合中心直接接收来自被融合传感器的原始信息。由于在此结构中传感器仅起到了信息采集的作用，原始信息。由于在此结构中传感器仅起到了信息采集的作用，不预先对

10、数据进行局部处理和压缩，所以对信道容量要求较高。不预先对数据进行局部处理和压缩，所以对信道容量要求较高。一般这种结构适用于小规模的融合系统。一般这种结构适用于小规模的融合系统。（二）（二）、多传感器信息融合的融合结构、多传感器信息融合的融合结构 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院2 2分散型分散型 分散型信息融合系统中，各传感器完成一定量的计算和处分散型信息融合系统中，各传感器完成一定量的计算和处理任务后，将压缩后的传感器数据送到融合中心，融合中心将理任务后，将压缩后的传感器数据送到融合中心，融合中心将接收到的多维信息进行组合和推理，最终得到融合结果。这一接收到的多维信息进行组

11、合和推理，最终得到融合结果。这一结构的优点是结构冗余度高、计算负荷分配合理、信道压力轻，结构的优点是结构冗余度高、计算负荷分配合理、信道压力轻，但由于各传感器进行局部信息处理，可能会导致部分信息的丢但由于各传感器进行局部信息处理，可能会导致部分信息的丢失。这种结构适合于远距离配置的多传感器系统。失。这种结构适合于远距离配置的多传感器系统。3 3混合型混合型 混合型信息融合结构吸收了分散型和集中型信息融合结构的优点，混合型信息融合结构吸收了分散型和集中型信息融合结构的优点，既有集中处理，又有分散处理，各传感器信息均可多次利用。这一结既有集中处理，又有分散处理，各传感器信息均可多次利用。这一结构能

12、得到比较理想的融合结果，适用于大型的多传感器信息融合，但构能得到比较理想的融合结果，适用于大型的多传感器信息融合，但其结构复杂，计算量很大。其结构复杂，计算量很大。 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院4 4反馈型反馈型 当当系系统统对对处处理理的的实实时时性性要要求求很很高高的的时时候候，如如果果总总是是试试图图强强调调以以最最高高的的精精度度去去融融合合多多传传感感器器信信息息融融合合系系统统的的信信息息，则则无无论论融融合合的的速速度度多多快快都都不不可可能能满满足足要要求求，这这时时，利利用用信信息息的的相相对对稳稳定定性性和和原原始始积积累累对对融融合合信信息息进进行行

13、反反馈馈再再处处理理将将是是一一种种有有效效的的途途径径。当当多多传传感感器器系系统统对对外外部部环环境境经经过过一一段段时时间间的的感感知知，传传感感系系统统的的融融合合信信息息已已能能够够表表述述环环境境中中的的大大部部分分特特征征，该信息对新的传感器原始信息融合具有很好的指导意义。该信息对新的传感器原始信息融合具有很好的指导意义。 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 从人工智能角度看，信息融合进程控制可分为从人工智能角度看，信息融合进程控制可分为目标驱动（模型驱动）方法和数据驱动方法两大类：目标驱动（模型驱动）方法和数据驱动方法两大类：目标驱动方法是将多传感器信息融合目标

14、分解为一目标驱动方法是将多传感器信息融合目标分解为一系列子目标。系统通过对子目标问题求解来完成信系列子目标。系统通过对子目标问题求解来完成信息融合；数据驱动是直接对多传感器信息进行推理息融合；数据驱动是直接对多传感器信息进行推理以得出结论。以得出结论。 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 三、主要方法三、主要方法 目前，能够应用目前，能够应用于于多传感器数据融合的方法可以分为随机类方多传感器数据融合的方法可以分为随机类方法和人工智能方法两大类。随机类方法主要有统计决策理论、法和人工智能方法两大类。随机类方法主要有统计决策理论、n-s证据推理、产生式规则、贝叶斯估计法、证据推理、

15、产生式规则、贝叶斯估计法、Kalman滤波等滤波等；而人工而人工智能类方法主加权平均法、要包括专家系统、人工神经网络、模糊智能类方法主加权平均法、要包括专家系统、人工神经网络、模糊逻辑理论、粗糙集理论等。其中，加权平均法和逻辑理论、粗糙集理论等。其中，加权平均法和Kalman滤波融合滤波融合方法主要应用方法主要应用于于动态环境中的低层次数据融合动态环境中的低层次数据融合；统计决策理论、贝统计决策理论、贝叶斯估计法、叶斯估计法、n-s证据推理、模糊逻辑理论主要应用证据推理、模糊逻辑理论主要应用于于静态环境中静态环境中的高层次数据融合的高层次数据融合；粗糙集理论、产生式规则方法适用粗糙集理论、产生

16、式规则方法适用于于动态或静动态或静态环境中的高层次数据融合，而人工神经网络则可以应用飞动态或态环境中的高层次数据融合，而人工神经网络则可以应用飞动态或静态环境中的各层次数据融合。静态环境中的各层次数据融合。 由由于于各类方法具有互补性，各类方法具有互补性，因因此，在实际应用中，通常将多种此，在实际应用中，通常将多种方法组合运用，如粗糙集神经网络方法、模糊神经网络方法等，以方法组合运用，如粗糙集神经网络方法、模糊神经网络方法等，以提高融合的精度和效率。提高融合的精度和效率。 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 1)1)复杂环境复杂环境下下信息融合，主要包括复杂环境信息融合，主要包

17、括复杂环境下下的分布的分布检测融合研究、复杂电磁环境卜的目标跟踪算法研检测融合研究、复杂电磁环境卜的目标跟踪算法研究、复杂目标运动环境卜的多源融合跟踪研究等究、复杂目标运动环境卜的多源融合跟踪研究等； 2)2)无线传感器组网信息融合研究，主要包括机会信息无线传感器组网信息融合研究，主要包括机会信息融合问题、传感器优化管理问题等融合问题、传感器优化管理问题等； 3)3)信号融合理论研究，主要包括稳定信号特征提取和信号融合理论研究，主要包括稳定信号特征提取和建立、数据融合和信号融合的联和优化问题以及信建立、数据融合和信号融合的联和优化问题以及信号的关联性和一致性问题等号的关联性和一致性问题等； 4

18、)4)图像融合研究，主要包括图像融合评价体系的构建、图像融合研究，主要包括图像融合评价体系的构建、基基于于遥感图像融合的三维成像技术研究、图像融合遥感图像融合的三维成像技术研究、图像融合系统的实时处理等系统的实时处理等； 四、研究方向四、研究方向 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 5)5)其他内容，如空其他内容，如空间间信息融合、信息融合、面面向通用知识的融合、向通用知识的融合、信息融合中的智能数据库技术和精细化处理研究等。信息融合中的智能数据库技术和精细化处理研究等。 6 6) )确立具有普遍意义的信息融合模型标准和系统结构确立具有普遍意义的信息融合模型标准和系统结构标准。标准。 7 7) )将信息融合技术应用到更广泛的新领域。将信息融合技术应用到更广泛的新领域。 8 8) )改进融合算法以进一步提高融合系统的性能。改进融合算法以进一步提高融合系统的性能。 9 9) )开发相应的软件和硬件，以满足具有大量数据且计开发相应的软件和硬件，以满足具有大量数据且计算复杂的多传感器融合的要求。算复杂的多传感器融合的要求。 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 未完待续未完待续. 五、信息融合方法的实际应用五、信息融合方法的实际应用