多传感器信息融合技术综述.pdf

第 6期 2 0 0 5年 1 2月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a n d M i n e Aut oma t i on No． 6 De c ． 2 0 0 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 0 5 0 6 0 0 3 0 0 3 多传感器信息融合技术综述 臧 大进 ， 严宏凤 ， 王跃 才 中国矿业 大学信 电学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 文章首先介绍了多传感器信息融合技 术的定义、 优点、 发展历程 ， 接着介绍了多传感器信息融合的 工作原 理 、 主要研 究方 法 、 主要 应 用 ， 最后对信 息 融合技 术 的未来发 展做 了展 望 。 关 键词 多传 感 器 ； 信 息融合技 术 ； 研 究方法 ； 应 用 中图分 类号 T P 2 1 2 文 献标识 码 A Su mma r y o n t h e I n f o r ma t i o n Sy n t h e s i s Te c h n o l o g y o f M u l t i s e ns o r Z ANG Da - j i n． YAN Ho n g f e n g． W ANG Yu e c a i Col l e g e o f I nf o r m a t i on a nd El e c t r i c a l Eng i ne e r i n g o f CUM T．，Xuz h ou 2 21 00 8，Ch i na Ab s t r a c t The p a p e r i nt r odu c e d t he d e f i ni t i on，a dv a n t a g e s a nd de ve l op m e nt p r oc e s s o f t he i n f o r ma t i o n s yn t he s i s t e c hn ol o gy o f m ul t i s e n s o r，a n d t he wor k i ng p r i nc i pl e，m a i n r e s e a r c h m e t ho d a nd m a i n a ppl i c a t i on o f t h e t e c hn ol o gy ．At l a s t ，t h e pa pe r p r os pe c t e d t h e d e v e l o pme n t t e n de nc y o f t h e i nf o r m a t i o n s y n t he s i s t e c h no l o gy ． Ke y wo r d smul t i - s e ns o r，i nf o r m a t i o n s y nt h e s i s t e c hn o l og y，r e s e a r c h m e t ho d，a pp l i c a t i o n 0 引 言 近 年来 ， 由于超大 规模 集成 VL S I 和超高 速集 成 电路 VHS I C 、 高 精 度 数 控 机 床 、 计 算 机 辅 助 设 计 和制 造 ， 以及其 它设计 和生 产 的改进 ， 传感器 性 能 的大大 提高 ， 各种 面 向复 杂 应 用 背景 的军 用 或 民用 多传感器 信 息系统 也随 之大量 涌 现 。在 多传感 器 系 统 中 ， 信息表 现形 式 的多样性 、 信 息容量 以及 信息 的 处理速 度等 要求 ， 都 大 大超 过 了人 脑 的信 息 综 合 能 力， 因此出现了信息融合技术。根据美国国防部数 据融合专家组的定义 ， 信息融合技术可表述为 对多 源来 的数据 和信 息进行 多方 面 的关联 、 相关 和处理 ， 以更 好地进 行定 位 、 特 征估 计 ， 并 完全 和适 时地对 情 况进 行评估 ， 融 合 也适 用 于 对 事 件 的预 测 。这 里 的 多源 既可 以指 物理信 息 ， 也 可 以指逻辑 信 息 ， 甚 至可 以包 含社会 信 息 。它 具 有 以 下 优 点 1 增 加 了测 收稿 日期 2 0 0 5 0 6 1 5 作者简介 臧大进， 中国矿业大学信 电学院博士 ， 研 究方 向为控 制理论 与控制工程 。 量 的维数和置信度， 从而降低 了对单个传感器的性 能 要求 ； 2 改 进 了探 测 性 能 ， 增 加 了 响 应 的有 效 性 ； 3 扩 展 了空 间和时 间 的覆 盖 范 围 ， 提 高 了空 间 分 辨率 ， 对覆 盖范 围补 盲 ； 4 改进 了系统 可靠 性 和 可维 护性 ， 性能 稳定 ； 5 系统 容 错 性 好 ， 运 行 鲁 棒 性强 ； 6 系统 内优势互补 ， 资源共享 ， 可提高资源 的利 用率 。 1 信息 融合技 术的 发展历 程 回顾 融合 的概念最初 出现于 2 0世纪 7 0年代 的美 国， 当时称之 为多源 相关 、 多 传感器 混合和数据融 合 。并最 早 应 用 于 军 事 的 C 。 I c o mma n d 、 c o n t r o l 、 c o mmu n i c a t i o n a n d i n f o r ma t i o n 系统 。进 入 8 0年 代得以迅速发展 ， 美、 英、 德 、 法 、 俄、 意 、 日等国研制 了上百个 实 用 的军 事信 息融合 系统 。美 国 国防部还 成 立 了数据融 合专 家组 ， 以指 导该技 术 的研发 实施 。 1 9 8 7年， 美国国会军事委员会将数据融合列为对其 国防部 至关 重要 的 2 1项 技术 之 一 。值 得 一 提 的是 美国国防部 连续于 1 9 9 0 、 1 9 9 1年将其列为关键技 术 。相继投入了大量 的人财物以确保该技术的研究 维普资讯 2 0 0 5年 第 6 期 臧 大进 等 多传感 器信 息融 合技 术综述 3 1 发展。美国三军总部尤其对应用信息融合 的战术和 战略监 视 系统给 予 高度 重 视 ， 主要 原 因之 一 是 美 国 国防部从 1 9 9 1 年 的海湾战争 中实际体会到 了信息 融合技术的巨大潜力 。因此 ， 在海湾战争结束后更 加重 视信 息 自动 综 合 处理 技 术 的研 究 ， 并 将 通 信 局 改为信息局， 在 C 。 I 中增加 了计算机 ， 建立以信息融 合 中心为 核 心 的 C I 。该 技 术 已在 1 9 9 9年 的科 索 沃战争 和 2 0 0 2年 的阿富 汗战争 以及 2 0 0 3 年 的第 二 次 海湾 战 争 中相 继 发 挥 了 重 大 的作 用 。各 国 的 军 方 、 跨 国公 司 、 科 研 院 所 纷 纷 建 立 了各 自的 实 验 系 统 。如波音公司建立的传感器数据融合 分析实验 台 ， 可用 于开 发和评 估环 境 、 仿 真 、 跟 踪 、 显示 ／ 分析 。 G e o r g e Ma s s o n大学 模 块 融 合 实 验 系 统 ， 可 对 公 共 环境中不同多传感器融合方法进行 比较， 开发传感 器融合管理算法。此外 ， 围绕信息融合技术的学术 活动十分频繁， 其中包括美国三军的数据融合年会 、 I E E E的相关 主题会 议 、 S P I E传感 器融合 年会 、 国际 机器人 与 自动化会 议 等 。1 9 8 7年 起 ， 美 国三 军 每年 召开一次信息融合学术会议 ， 并通过 S P I E传感器 融合专集 、 I E E E Tr a n s ．o n AE S 、 AC等发表有关论 著 ； I E E E 系 统 和 控 制 论 会 议 、 航 空 航 天 与 电子 会 议 、 自动控制会议、 指挥、 控制、 通信和信息管理系统 会 议 ； 国际军 事运筹 学 会 议 ， 国际 雷 达 、 控 制 与 判 决 信 号处理 等会 议也 不断报 道信息 融合 领域 的最新 研 究 和应用 开 发成果 。 我 国在这 方面 的研究起 步较 晚 ， 8 O年 代初 才 开 始关注 多 目标 跟踪技 术 的研 究 。8 O年 代末 9 O年 初 才掀起这方面的研究高潮 ， 并取得一定的进展。有 关信息融合方面的论文和专著也相继 出现。 这是最佳协同作用的结果 ， 即利用多个传感器共同 或联合操作的优势 ， 提高传感器系统 的功能。其基 本原 理如 图 l所示 。 图 1 多 传 感 器 数 据 融 合 的 基 本 原 理 3信 息融合 技术 的主要 方法 数据融合的级别按照数据抽象的三个层次分为 三级 像素级融合 、 特征级融合 以及决策级融合 。像 素 级融 合 是 直接 在 采 集 到 的 原 始 数 据 层 上 进 行 融 合 ， 在 各种 传感器 的原始 数 据 未 经 预 处理 之 前 就进 行数据 的综合 和分析 ， 是最低层 次的融合。常见的 研 究方 法有 小波 变 换 、 人工 神经 网络 、 加 权 平 均 、 产 生式规则、 遗传算法等 。特征级融合属于中间层次， 它对来 自传感器的原始信息进行特征提取 ， 并对特 征信息进行综合分析和处理。该层常见的研究方法 有卡尔曼滤波法 、 扩展卡尔曼滤波法 、 参数模板法、 特征 压缩 和聚类 分 析 法 、 K 阶 近 邻 、 人工 神经 网络 、 模糊集合理论等。决策级融合是一种高层 次融合 ， 结果为指挥控制决策提供依据 ， 因此要求必须从具 体决策问题的需求 出发， 充分利用特征级融合所提 取 的测 量对象 的各 类 特 征 信息 ， 采 用 适 合 的融合 技 术 实现 。主要 的研 究 方 法有 贝 叶斯 估 推 理 、 统 计决 策 、 DS D e mP s t e r --S h a f e r 证 据 推 理 法 、 专 家 系 统法、 人工神经网络、 遗传算法、 粗糙集理论等。 2 信 息融 合技术 的基本 原理4 信 息融 合技术 的主 要应 用 多传感器数据融合是人类或其它逻辑系统 中常 见的基本功能 ， 在某种意义讲是指模仿人脑综合处 理复杂问题 。各种传感器 的信息具有不 同的特征 实 时的或 者非实 时 的 ， 快变 的或者 缓变 的 ， 模糊 的或 者确定的， 相互支持或者相互补偿 ， 也可能是互相矛 盾 或竞争 。 多传感器数据融合的基本原理就是像人脑综合 处理信息一样 ， 充分利用多个传感器资源 ， 通过对这 些传感器及其观测信息的合理支配和使用 ， 把多个 传感器在空间或时间上的冗余或互补信息以及某种 准则来 进行 组合 ， 以获 得 被 测对 象 的一 致性 解 释 和 描述 。数据 融合 的 目标 是通过 数据 组合 而不是 出现 在输入信息中的任何个别元素， 推导出更多的信息 ， 军 事 应 用是 诞 生 的源 泉 ， 多 传感 器 数 据融 合 技 术首先 广 泛用 于军 事 ， 主要 用 于包 括 战术 和 战略 上 指挥 、 控制 、 通信和情 报任务及军事 目标 舰艇 、 飞 机 、 导弹等 的检 测 、 定 位 、 跟踪 和识别 。 近年来 ， 多传感器融合系统在民事应用领域得 到 了较快 的 发展 ， 主要 用 于工业 机器 人 、 工业过 程监 视 、 智能交通、 医疗诊 断、 遥感、 刑侦和保安、 股票行 情系统等领域 。工业机器入 主要使用电视 图象 、 声 音 、 电磁等数 据的融合 来进行推理 ， 以完成物料搬 运 、 零件制造 、 检验和装配等工作。工业过程监视主 要包括各种加工机床、 工具和材料传送装置 、 检测报 警和试验装置 以及装配装置 的工业生产过程监视， 目的是在制造 系统 中用机器官能来代替人进行加 维普资讯 3 2 工矿 自动 化 2 0 0 5年 1 2月 工 、 状态监测和故障诊断。智能交通系统采用多传 感 器数据 融合技 术 ， 实 现 无 人 驾驶 交 通 工 具 的 自主 道路识别 、 速 度控 制 、 定 位 以及 交通 事 务 管理 、 交通 信息采集和交通信号控制等。比较成功的案例是杭 州交警结 合 杭州市 智 能 交 通工 程 的总 体 目标 、 杭州 市 的特点 ， 根 据杭 州交 通 信 息 化 的 程度 以及 对智 能 交通 的认 识 ， 利用 信 息融 合 技 术 将 各个 交 通信 息 系 统进行整合 ， 使之成为一个具有三层体系结构 ， 便于 管理 、 维 护 、 扩 展 的先进 的交通 信息 综合平 台 。在 以 往 的医疗诊 断 中 ， 外 科 医生 常 用 视觉 检 查 以及 温度 计和 听诊器来 帮助 诊断 。现 在 出现 了更 为复 杂而有 效的医用传感技术 ， 如超声波成像 、 核磁共振成像和 x 一射线成像等。将这些传感器的数据进行融合 能 更准确 地进行 医疗 诊断 ， 如肿 瘤 的定位 与识别 。 遥 感 在 军事 和 民事 领 域都 有 一 定 的应 用 ， 可用 于监测 天气 变化 、 矿 产 资 源 、 农 作 物 收 成 、 环 境 条 件 和威 胁态 势 如 原 油泄 漏 、 辐 射 泄 漏 等 。多 传 感 器 融合 在遥感 领域 中 的应 用 ， 主 要 是 通过 高 空 间 分辨 率全 色图 象和低 光谱 分 辨 率 图 象 的融 合 ， 得 到 高空 间分 辨率 和高光 谱 分辨 率 的 图 象 ， 融合 多 波 段 和 多 时段 的遥感 图象来 提 高分类 的准 确性 。多传 感器 数 据 融合技 术在刑 侦 中的应用 ， 主要 是 利用红外 、 微 波 等传 感设 备进行 隐匿 武 器 、 毒 品 等 的检 查 。将 人体 的 各种生 物特征 如 人 脸 、 指 纹 、 声 音 、 肛膜 等 进 行 适 当的融合 ， 能大 幅度提 高对 人 的身份识 别认证 能 力 ， 这对 提高 安全保 卫能 力是很 重要 的 。 5信息 融合技 术展 望 随着传感器技术、 数据处理技术 、 计算机技术、 网 络通信技 术 、 人工 智能 技术 、 并行 计算 的软件 和 硬件 技术等相 关技 术的发展 ， 多传感 器数据 融合必将 成 为 未来 复杂 工业系统智能检测 与数据处 理 的重要技术 。 我们应积极借鉴国外的研究成果， 结合我国的实际情 况 ， 大力开展这方面的研究。今后多传感器信息融合 技术 的主要研究方 向应 包括以下几方面 1 改 进融合 算法 以进 一步 提高 融 合 系统 的性 能 。目前 ， 将 模糊 逻 辑 、 神 经 网络 ， 进化 计算 、 粗 集理 论 、 支持 向量 机 、 小 波变换 等计 算智 能技术 有机 地结 合 起来 ， 是一 个 重要 的发 展趋 势 。如何 利 用 集成 的 计算智能方法 如模糊逻辑神经网络 ， 模糊逻辑 进化计 算 ， 神经 网络 进化计 算 ， 小 波变 换 神 经 网 络等 ， 提高 多传感 器 融 合 的性 能 ， 是值 得 深 入 研究 的课 题 。 2 动态异类 多传感 器信 息 融合 技术 研究 。由 于动态多源异类海量信息融合中态势评估类问题涉 及的 面广 、 层次 多且复 杂 ， 因而普 遍存在 时效 性与信 任性 问题 ， 目前 ， 该 问题 已成 为信 息融合 领 域急需 解 决 的重 要课 题之 一 。 3 开发 并行 计 算 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 。比如 图象融合 ， 如何采用新的嵌入式软硬件系统 ， 真正实 现 图象 的实 时融 合 。 4 如何利 用有 关 的先验 数据 提 高数 据 融合 的 性能 ， 也是需 要认 真研 究 的一个 问题 。 5 复杂恶劣环境下多传感器信息融合技术的 研究 ， 如水下 和 煤矿 井 下 的 多传 感 器 信 息融 合 技 术 的研究 。 6 针对具 体 的应 用 情 况 ， 正确 地 评 价 多 传 感 器信息融合 的结果 。在评价信息融合 系统的性能 时 ， 除 要分 析测试 其功 能 和性能外 ， 还 要将 这种评 价 工作 与所 花费 的成 本 和 实施 的难 易 程度 、 现 实性 联 系起来 ， 综 合考 虑其性 价 比 。因而 ， 需 广泛 开发计 算 机模 拟技 术和融 合算 法测试 床技 术 。 参考文献 [1 ] 张树侠 ， 孙静 ． 捷 联式惯 性导航 系统 [ M] ． 北 京 国 防工业 出版社 ， 1 9 9 2 ． [2 ] 刘 同 明， 夏 祖 勋 ， 解 洪 成． 数 据 融 合 技 术 及 其 应用 [ M] 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