高 龍， 康美玲

(上海航天技術(shù)研究院， 上海 201109)

面向低空監(jiān)視的多源信息融合技術(shù)關(guān)鍵問題研究

高 龍， 康美玲

(上海航天技術(shù)研究院， 上海 201109)

針對(duì)通用航空逐級(jí)開放、低空空域“低小慢”目標(biāo)的監(jiān)管需求，結(jié)合低空雷達(dá)網(wǎng)預(yù)研項(xiàng)目背景，提出用多源信息融合技術(shù)解決低空空域監(jiān)視問題，分析面向低空空域監(jiān)視的多源信息融合技術(shù)遇到的關(guān)鍵問題，給出有效解決途徑，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

低空監(jiān)視； 低空雷達(dá)； 多源信息融合

0 引言

隨著通用航空的逐步開放，低空空域目標(biāo)監(jiān)視將面臨目標(biāo)飛行高度低、雷達(dá)散射截面(RCS)小、種類、速度多樣化，監(jiān)視區(qū)域復(fù)雜化的趨勢(shì)，多源異構(gòu)傳感器監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)因其具有優(yōu)于單傳感器的諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。

多源信息融合技術(shù)是一門涉及信號(hào)處理、信息論、人工智能、模糊數(shù)學(xué)等理論的多學(xué)科交叉技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。目前，能被大多數(shù)研究者接受的有關(guān)信息融合的定義，是由美國(guó)三軍組織實(shí)驗(yàn)室理事聯(lián)合會(huì)JDL(Joint Directors of Laboratories)從軍事應(yīng)用角度提出的[1-3]。

多源信息融合是指用于包含多個(gè)(或多類)傳感器(或信息源)系統(tǒng)的一種信息處理方法。Walz將多源信息融合定義：通過對(duì)多個(gè)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、組合設(shè)計(jì)、關(guān)聯(lián)等多級(jí)操作，從而得到關(guān)于觀測(cè)環(huán)境或目標(biāo)的精確狀態(tài)、身份估計(jì)以及完整、及時(shí)的態(tài)勢(shì)評(píng)估的過程[4]。

在低空空域領(lǐng)域的多源信息融合指將來源于不同體制、不同功能和不同頻率的低空空域監(jiān)視設(shè)備(如地面雷達(dá)、ADS-B監(jiān)視設(shè)備、多基站協(xié)同監(jiān)視雷達(dá)、紅外、光電探測(cè)等)的監(jiān)視數(shù)據(jù)通過預(yù)處理、人工智能、過程優(yōu)化等多技術(shù)綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)信息共享、整體探測(cè)、協(xié)同作戰(zhàn)及體系對(duì)抗，提高探測(cè)性能、情報(bào)質(zhì)量、抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)高可靠性的低空空域監(jiān)視，向用戶提供通用、連續(xù)、及時(shí)、完整、準(zhǔn)確的一體化低空空情信息，滿足對(duì)低空空域“低小慢”目標(biāo)的探測(cè)要求[5-7]。

資源管理是多源信息融合系統(tǒng)中的一個(gè)反饋控制環(huán)節(jié)。其核心問題就是依據(jù)一定的最優(yōu)準(zhǔn)則，建立易于量化的目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)選定要工作的傳感器及其工作模式或工作參數(shù)。目前解決途經(jīng)主要有三種，分別是基于規(guī)劃論、信息論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。Malhotra,LiuXianxing,Wasburn等人在規(guī)劃論領(lǐng)域提出了基于效用函數(shù)的資源管理方法[8-11]；McIntyre等在信息論方向提出使用混合熵分辨力信息函數(shù)解決資源管理分配問題[12-14]；而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方向，主要有Mplina Lopez等提出基于知識(shí)推理和模糊決策理論[15]，本文不再贅述。

本文依托低空雷達(dá)網(wǎng)預(yù)研項(xiàng)目需求背景，圍繞多元信息融合方法，探討在低空空域監(jiān)視中需要解決的關(guān)鍵問題。

1 多源信息融合模型

關(guān)于信息融合模型，由JDL數(shù)據(jù)融合組織首先提出，其后幾經(jīng)修改，形成面向信息融合結(jié)果的模型，如圖1所示，該模型正被越來越多的實(shí)際工程系統(tǒng)所采用。構(gòu)建JDL信息融合模型的目的是促進(jìn)系統(tǒng)管理人員、理論研究者、設(shè)計(jì)人員、評(píng)估人員相互之間更好地溝通和理解，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施過程得以高效順利地進(jìn)行。

該處理模型中，包括以下幾種處理過程。

第一級(jí)處理是目標(biāo)評(píng)估(Object Assessment)，如圖2所示，主要功能包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、目標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)估計(jì)，以及屬性參數(shù)估計(jì)、身份估計(jì)等，其結(jié)果為更高級(jí)別的融合過程提供輔助決策信息。

第二級(jí)處理態(tài)勢(shì)評(píng)估(Situation Assessment)問題，是對(duì)整個(gè)態(tài)勢(shì)的抽象和評(píng)定。其中，態(tài)勢(shì)抽象就是根據(jù)不完整的數(shù)據(jù)集構(gòu)造一個(gè)綜合的態(tài)勢(shì)表示，從而產(chǎn)生實(shí)體之間一個(gè)相互聯(lián)系的解釋；態(tài)勢(shì)評(píng)定則關(guān)系到對(duì)產(chǎn)生觀測(cè)數(shù)據(jù)和時(shí)間態(tài)勢(shì)的表示和理解。態(tài)勢(shì)評(píng)定的輸入包括時(shí)間檢測(cè)、態(tài)勢(shì)估計(jì)以及為態(tài)勢(shì)評(píng)定所生成的一組假設(shè)等；態(tài)勢(shì)評(píng)定的輸出在理論上是所考慮的各種假設(shè)的條件概率。在軍事領(lǐng)域，態(tài)勢(shì)評(píng)估是指評(píng)價(jià)實(shí)體之間的相互關(guān)系，包括敵我雙方兵力結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)，是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上戰(zhàn)斗力量分配情況的評(píng)價(jià)過程。

第三級(jí)處理是影響評(píng)估(Impact Assessment)問題，它將當(dāng)前態(tài)勢(shì)映射到未來，對(duì)參與者設(shè)想或預(yù)測(cè)行為的影響進(jìn)行評(píng)估。在軍事領(lǐng)域指威脅估計(jì)(Threat Assessment)，是一種多層視圖處理過程，用于有效地扼制敵方進(jìn)攻的風(fēng)險(xiǎn)程度。威脅估計(jì)包括通過匯集技術(shù)和軍事數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比對(duì)，對(duì)我軍受敵人攻擊的脆弱性、作戰(zhàn)事件出現(xiàn)程度和可能性進(jìn)行估計(jì)，并對(duì)敵方作戰(zhàn)企圖給出指示和告警。

第四級(jí)處理是過程評(píng)估(Process Assessment)，它是更高級(jí)的處理階段。通過建立一定的優(yōu)化指標(biāo)，對(duì)整個(gè)融合過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)多傳感器自適應(yīng)信息獲取和處理、資源最優(yōu)分配，最終提高整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能。對(duì)過程評(píng)估研究的關(guān)鍵主要集中在如何對(duì)系統(tǒng)特定任務(wù)目標(biāo)以及限制條件進(jìn)行建模和優(yōu)化，以平衡有限的系統(tǒng)資源。

2 多源信息融合技術(shù)的關(guān)鍵問題

按照信息融合模型處理過程，多源信息融合技術(shù)可劃分為以下三個(gè)級(jí)別：數(shù)據(jù)級(jí)、特征級(jí)以及決策級(jí)，其中涉及到數(shù)學(xué)、信息論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、決策論等多個(gè)學(xué)科進(jìn)行交互綜合處理，按照融合級(jí)別劃分，需要解決以下關(guān)鍵問題。

2.1 空時(shí)校準(zhǔn)

多傳感器信息融合系統(tǒng)一般由多個(gè)異類傳感器組成，異類多傳感器較之單傳感器或同類傳感器，其提供的信息更具有多樣性和互補(bǔ)性，但由于每個(gè)傳感器提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)都在各自的參考框架內(nèi)，導(dǎo)致產(chǎn)生的異類數(shù)據(jù)在時(shí)間上不同步，空間坐標(biāo)系不相同，數(shù)據(jù)率不一致以及測(cè)量維數(shù)不匹配，使得信息融合處理存在困難。所以在對(duì)各傳感器傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行處理前，必須先將它們變換到同一個(gè)參考框架中，并對(duì)傳感器位置誤差、觀測(cè)誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的固有誤差進(jìn)行修正。

空間校準(zhǔn)指將各傳感器上報(bào)的、以各傳感器為中心的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，使之在一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系下進(jìn)行處理。在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)，如果系統(tǒng)覆蓋區(qū)域很大，由于地球曲率的影響，坐標(biāo)有畸變誤差，會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)目標(biāo)分裂。坐標(biāo)變換對(duì)準(zhǔn)一般將以各傳感器為中心的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地理經(jīng)緯度坐標(biāo)系，最后統(tǒng)一到以融合或數(shù)據(jù)處理中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于時(shí)間校準(zhǔn)，一般通過外推和內(nèi)插的方法進(jìn)行，根據(jù)t′,t″時(shí)刻的觀測(cè)位置與融合時(shí)刻ti的時(shí)間差，將多個(gè)傳感器的異步測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ti時(shí)刻的同步數(shù)據(jù)，便于進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理[6]。校準(zhǔn)公式為

(1)

2.2 基于低空空域特性的雜波抑制

對(duì)于低空空域，觀測(cè)背景中大部分物體(如草地、樹林、建筑物等)是非剛性的，因此其邊緣回波具有一定的隨機(jī)特性，經(jīng)過背景差分的雷達(dá)圖像中，除動(dòng)目標(biāo)外，邊緣殘留了大量的雜波，且強(qiáng)度一般較高，給小弱動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)帶來一定困難。由于低空空域具有強(qiáng)地雜波、“低小慢”觀測(cè)目標(biāo)的特性，若采用傳統(tǒng)的全局或局部閾值分割法[7]，會(huì)引入大量的雜波，為下一步跟蹤算法帶來過重的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)處理效率，所以需要采取符合低空雜波、目標(biāo)空域分布特性的雜波抑制方法。

在低空空域中，目標(biāo)一般出現(xiàn)在相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)，其鄰域沒有背景信息；雜波則分布在背景邊緣，空域分布特征明顯，即使其灰度值強(qiáng)于目標(biāo)，仍然可與目標(biāo)相區(qū)別。因此，采用的目標(biāo)檢測(cè)窗口如圖3所示。

由式(2)計(jì)算Nout×Nout和Nin×Nin之間的陰影區(qū)域像素平均灰度值D(i,j,k)表示第k幀圖像中待檢測(cè)像素的坐標(biāo)值。

(2)

式中：Mout、Min分別代表外側(cè)、外側(cè)矩形框內(nèi)的像素灰度值之和，由下式計(jì)算：

(3)

(4)

式中：G(·)是原始雷達(dá)圖像中像素的灰度值。當(dāng)設(shè)定相應(yīng)閥值S，得出一個(gè)像素點(diǎn)屬于雜波或目標(biāo)的判斷公式：

(5)

目標(biāo)像素為1，雜波像素為0。

2.3 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及數(shù)據(jù)融合

由于多傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)在空間域、時(shí)間域和粒度級(jí)別不同，需要判斷來源于不同傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)是否屬于同一目標(biāo)源。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及融合可以定義為這樣一個(gè)過程：把來自不同傳感器和信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合、相關(guān)和組織，以獲得探測(cè)目標(biāo)的精確狀態(tài)和屬性估計(jì)，以便對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、威脅和重要程度的適時(shí)綜合評(píng)估。它主要包括兩大部分：融合關(guān)聯(lián)和融合跟蹤。目前，解決融合關(guān)聯(lián)和融合跟蹤所采用的方法主要有加權(quán)法、修正法、序貫法、最近鄰域法和K鄰域法、分布式JP-DA法、統(tǒng)計(jì)聚類法、經(jīng)典分配法、多假設(shè)跟蹤法等。這些航跡關(guān)聯(lián)方法，如果從數(shù)學(xué)的角度看，屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。

在低空空域，當(dāng)目標(biāo)密集，且機(jī)動(dòng)目標(biāo)較多，探測(cè)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，若系統(tǒng)包含有較大的傳感器校準(zhǔn)及轉(zhuǎn)換和延遲誤差，要判斷來自2個(gè)局部節(jié)點(diǎn)的航跡是否屬于同一個(gè)目標(biāo)是很困難的，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有時(shí)不能滿足要求，容易導(dǎo)致錯(cuò)關(guān)聯(lián)、漏關(guān)聯(lián)。由于在航跡關(guān)聯(lián)判決中，航跡實(shí)際上存在著較大的模糊性，而這種模糊性可以用隸屬度函數(shù)來描述2個(gè)航跡的相似程度，所以就產(chǎn)生了模糊數(shù)學(xué)的方法。其中，模糊聚類數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法是一種新近的模糊數(shù)學(xué)方法，它利用觀測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性(即模糊性)把在某一時(shí)刻t得到的n個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)分配給m個(gè)航跡。從模糊聚類的觀點(diǎn)看，如果在某一時(shí)刻能把各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行正確聚類，就可以知道在該時(shí)刻該觀測(cè)空間出現(xiàn)的目標(biāo)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確關(guān)聯(lián)和融合。

圖4采用3個(gè)不同類型的一次雷達(dá)，觀測(cè)2個(gè)平行直線航路目標(biāo)，進(jìn)行30次蒙特卡洛后得到的仿真結(jié)果，其中圖(a)為極坐標(biāo)系下3個(gè)雷達(dá)與目標(biāo)的位置關(guān)系，圖(b)為2個(gè)平行直線航路目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡放大圖。

經(jīng)過模糊聚類算法，得出觀測(cè)目標(biāo)位置誤差和速度估計(jì)誤差以及關(guān)聯(lián)得到的平均目標(biāo)數(shù)分布圖以及平均關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤概率。

由圖5可以看出，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后的目標(biāo)位置和速度誤差，均小于3個(gè)雷達(dá)中的最小誤差，說明經(jīng)融合后的系統(tǒng)探測(cè)精度優(yōu)于單傳感器探測(cè)精度。

3 多源信息融合技術(shù)在低空空域監(jiān)視中的應(yīng)用及前景分析

多源信息融合技術(shù)在低空空域監(jiān)視領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，可以在艦艇編隊(duì)電子信息、核心區(qū)域防空防御、軍民兩用空中交通管理等系統(tǒng)的低空監(jiān)視防御領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。

3.1 海上艦艇編隊(duì)電子信息系統(tǒng)

編隊(duì)電子信息系統(tǒng)對(duì)從衛(wèi)星、預(yù)警飛機(jī)、電子戰(zhàn)斗機(jī)、反潛巡邏機(jī)、GPS、上級(jí)、本編隊(duì)及友鄰編隊(duì)等有源和無源探測(cè)系統(tǒng)所獲取的多批次、多層次目標(biāo)信息進(jìn)行匯集、分類、相關(guān)處理，指揮協(xié)調(diào)編隊(duì)中的有源干擾和無源設(shè)備，實(shí)施雷達(dá)、通訊、水聲、光電偵察和對(duì)抗；并通過多源信息融合技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，生成對(duì)低空監(jiān)視的綜合態(tài)勢(shì)，提供給指揮決策和武器分配中心。

3.2 核心區(qū)域低空保衛(wèi)防御系統(tǒng)

由于目前作戰(zhàn)對(duì)象擁有大量的先進(jìn)空襲兵器，作戰(zhàn)樣式日趨現(xiàn)代化，具有很強(qiáng)的預(yù)警指揮、電子對(duì)抗、隱形突防和遠(yuǎn)程精確打擊能力，使得在核心區(qū)域低空防空作戰(zhàn)中，反導(dǎo)、反隱形、反干擾、反低空等問題更加突出。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，單單依靠某幾部或者某幾種傳感器難以勝任，必須把一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、紅外傳感器、ESM電子偵察、光學(xué)探測(cè)、聲探測(cè)等多元監(jiān)視信息綜合利用，采用多源信息融合技術(shù)，發(fā)揮多源傳感器各自優(yōu)勢(shì)，形成及時(shí)、統(tǒng)一、通用、準(zhǔn)確的態(tài)勢(shì)，與防空武器系統(tǒng)協(xié)同工作，完成核心區(qū)域的低空防御防空任務(wù)。

3.3 軍民兩用低空雷達(dá)網(wǎng)空管系統(tǒng)

隨著通用航空低空空域的逐步開放，需要掌握低空空域監(jiān)視的有效手段，加強(qiáng)空中交通管理。很多中小型民航機(jī)場(chǎng)沒有監(jiān)視設(shè)備，缺乏有效地監(jiān)視手段，目前我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)低空探測(cè)手段基本上依賴于一次、二次雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)，其他輔助探測(cè)手段稀少，且情報(bào)綜合效率依然較低，手段較為單一，覆蓋范圍有限，這給飛行安全帶來嚴(yán)重的隱患。要解決上述問題，除提高單傳感器的探測(cè)性能外，更重要的是實(shí)現(xiàn)多源探測(cè)信息包括地面一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、ADS監(jiān)視雷達(dá)、多基站協(xié)同監(jiān)視雷達(dá)、浮空平臺(tái)雷達(dá)等情報(bào)的信息融合，綜合采用多源信息，提供綜合空中態(tài)勢(shì)，加強(qiáng)對(duì)低空領(lǐng)域的監(jiān)視和管制。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)通用航空逐級(jí)開放、低空空域“低小慢”目標(biāo)監(jiān)管的實(shí)際需求，在低空雷達(dá)網(wǎng)預(yù)研項(xiàng)目背景下，提出了利用多源信息融合技術(shù)解決低空空域監(jiān)視問題。本文分析了面向低空空域監(jiān)視的多源信息融合技術(shù)遇到的關(guān)鍵問題，給出了有效解決途徑，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

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Research on the Key Issues of Multi-source Information Fusion in Low-altitude Surveillance

GAOLong，KANGMei-ling

(Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

According to general aviation low-altitude opening and the need to the target surveillance in low-altitude airspace, combining with the project of low-altitude radar network, multi-source information fusion technology to solve the problems in the low-altitude surveillance is proposed, and several key issues are analyzed. The corresponding methods are presented. It is shown that the proposed methods are effective. Furthermore, the application prospects of multi-source information fusion technology are discussed and pointed out.

low-altitude surveillance; low-altitude radar; multi-source information fusion

1671-0576(2017)01-0042-06

2016-12-09

高 龍(1986-)，工程師；康美玲(1978-)，高工，均從事雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)研究。

TN926

A