第1讲 信息融合概述
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11
1.3 信息融合发展历史
20世纪70年代首次提出（美国）
20世纪80年代初步形成信息融合技术
20世纪90年代末，研究热点
目前，仍为学术界研究的热点
12
几个重要事件
1973年，美国国防部资助研究了“声纳信号的理解系统”研究。（起始） 1984年，美国成立了数据融合专家组；
1988年，美国国防部将数据融合技术列为90年代重点开发的20项关键技术
22
一些数据融合系统
全球网络中心监视与瞄准(GNCST)系统--美国空军的新型情报信息融合 处理系统
英国BAE系统公司还开发一种被称作”分布式数据融合”（Decentralized Data Fusion，DDF）的信息融合新技术。它采用的是分布式数据融合技 术，若一个节点脱离网络，其他部分仍会继续工作并共享、综合和融合 信息
23
其它方面的应用
军事应用是多传感器信息融合技术诞生的源泉，近年来，多传感器数 据融合系统在民事应用领域得到了快速的发展。 图像融合—图像工程中一个新兴的研究领域 工业智能机器人—对视频图像、声音、电磁等进行数据融合
遥感—检测天气变化、矿产资源分布和农作物收成等。
故障诊断—基于一定的准则进行融合处理，判断对象是否存在故障 智能交通系统 —实现无人驾驶交通工具的自主道路识别 、速度控
之一，且列为优先开发的A类； 1991年美国已有54个数据融合系统引入到军用电子系统中去，其中87%已有 试验样机、试验床或已被应用； 1998年，成立了国际信息融合学会（International Society of Informat -ion Fusion,ISIF），每年举行一次信息融合学术会议。
15
C3I系统－续
1989年美军入侵巴拿马战争的主要作战，只用了 15个小时。
1991年海湾战争和1999年的科索沃战争的规模较 大，持续时间也不过42天和78天，而海湾战争的
地面作战仅100个小时。
16
1.4 信息融合的分类
按融合技术分类
假设检验型
滤波跟踪型
人工智能
模式识别型
聚类分析型
基于专家系统的
1.1 生物多维感知系统的协同工作的实例
人或其它生物体
记忆、先验知识、规则、推理
视觉
听觉
味觉
嗅觉
触觉
9
1 信息融合基本概念
作为仪器仪表专业的研究生如何让我
们的仪器仪表做的跟人脑一样的智能、准
确、快速、高效呢？
－－（确定、不确定）信息的有效融合
10
1.2 信息融合定义
JDL(Joint Directors of Laboratories ，美国三军组织实 验室理事联合会)定义：
改善探测性能
提高空间分辨率 增加测量空间的维数
20
2 信息融合的应用
□军事应用
信息融合技术在航空武器装备中的应用具有重大意义。数据融合技术 已国外军事装备中得到广泛应用，俄罗斯和美国军方都在多传感器数 据融合和信息处理技术方面进行了大量的研究工作，并已用于多种型 号的军用飞机
自主式武器系统和自备式运载器
制和定位 等
刑侦—利用红外、微波等进行隐匿武器检查、毒品检查等
24
其它方面的应用
遥
感
故障诊断测试床
医学图像
25
智能交通
26
3 数据融合系统模型与处理结构
3.1 JDL数据融合模型-从军事应用的角度
数据 预处理 一级处理 目标评估 二级处理 态势评估 三级处理 影响评估 四级处理 过程评估
数 据 源
基于人工神经网络
以生物为基础
17
1.4 信息融合的分类
按融合判决方式
硬判决
软判决
按传感器组合方式
同类传感器
异类传感器
18
1.4 信息融合的分类
按信息融合结构模型
集中式
分布式
按融合的目的
检测融合
估计融合
属性融合
19
1.5 信息融合的优点
增加系统的生存能力
扩展空间和时间覆盖范围 提高可信度 降低信息的模糊度
传感器1 传感器2 传感器N
关 联
数 据 级 融 合
特 征 提 取
属 性 判 决
联 合 属 性 判 决 结 果
33
…
(1） 数据级融合
特点
数据损失量较少 精度最高
不足
实时性差 要求传感器是同类的 数据通信量大， 抗干扰能力差 处理的数据量大
34
(2)特征级融合
含义
《多源测试信息融合》
第一讲 多源信息融合概述
授课团队：万江文，吴银锋，于宁 yfwu@buaa.edu.cn 新主楼B502
1
主要参考书籍
韩崇昭等,《多源信息融合》，清华大学出版社 杨露菁, 余华.《多源信息融合理论与应用》，北京邮电大学出版社 David L. Hall.《Handbook of Multisensor Data Fusion》 何友, 王国宏 等.《多传感器信息融合及应用》(第二版) , 电子工业出版社 王润生. 《信息融合》 , 科学出版社
其它： 服 务 于 美 国 海 军 的 ATW(Advanced Tactical workstation) 、 CEE （Conditional Events and Entropy）； 服务于美国空军的ABI （AWACS Broadcast Intelligence ）、 AMSTE （ Affordable Moving Surface Target Engagement ） 、 DADFA （Dynamic Adaptation of Data Fusion Algorithms）等等 。
28
其它的功能模型
Dasarathy提出的I/O功能模型
指挥控制融合模型 omnibus处理模型等
Bedworth 于 1994 年提出瀑布模型，应用于英国国防 信息融合系统
说明： 实际系统的功能划分不尽相同，一般需要根据具体 应用需求来决定，可能仅需某一级或两级的融合处理
29
3.2 融合处理的过程
2
主讲内容及教学计划
信息融合概述（2课时） 多源检测融合原理（4课时） 不确定推理（6课时） 分布式检测与融合（4课时） 集中式检测与融合（4课时） 多传感器目标识别与融合模型（4课时） 应用实例（4课时） 复习(2课时) 3
考核方式
最终成绩: 平时作业（30%） 出勤（10%） 期末考试（60%）
4
本次课讲解内容
信息融合基本概念 信息融合应用 融合系统模型与处理结构 信息融合算法 待解决的问题 研究方向
5
1 信息融合基本概念
盲人摸象
丢失的骆驼
6
1 信息融合基本概念
视 觉 可能是红糖水、 可乐、咖啡……
?
一杯冰咖啡
嗅 觉
是咖啡……
触 觉
冰的……
7
d
8
1 信息融合基本概念
特点
通信量小 抗干扰能力强
融合中心处理代价低
不足
数据损失量最大
精度最低
38
(4) 不同级别的融合性能比较
融合 模型 计算 量 容错 性 信息 损失 量 精度 抗干 扰性 融合 方法 传感 器同 质性 通信 数据 量 实时 性 融合 水平
象素 级
大
差
小
高
差
难
大
大
差
低
特征 级
中
中
中
中
中
中
中
中
中
中
决策 级
小
好
大
低
好
易
小
小
好
高
39
3.4 融合处理的结构模型
根据信息流通形式和综合处理层次
集中式融合结构
分布式融合结构
混合式融合结构
多级式融合结构
40
（1） 集中式融合结构
集中式融合结构将检测报告传递到融合中心，然后进行数据对准、 点迹相关、数据互联、航迹滤波、预测与综合跟踪等。 优点：信息损失最小 缺点：互联比较困难，并且要求系统必须具备大容量的能力， 计算负担重，系统生存能力较差 融合结构的模型如下图所示
检测与估计 传感器控制/反馈信息 融合中心 传感器1 预处理 多目标 跟踪器 多目标 跟踪器 坐 标 转 换 、 数 据 对 正 目 标 状 态
13
C3I系统
C3I（Communication，Command，Control and Intelligence systems）系统: 指挥自动化系统。C3I技术是 运用系统工程的理论和方法，对军事指挥、控制、通信、情
报系统进行开发和管理的技术。应用电子计算机 、数据通信
、控制技术、传感和显示技术等，集中管理和协调远离中心 的各种资源的大型综合信息系统。通信指挥控制情报系统的
简称。军用上则称作指挥自动化系统。
14
C3I系统－续
C3I系统，极大地缩短了监视战场——处理信息、发现目标和评 估——下达作战指令和实践打击的这一作战周期的时间，从而使 真刀真枪的实战时间越来越短，战争节奏越发加快，一场战争可
能就是一次战役甚至就是一次战斗。
1986年美国空袭利比亚的“外科手术式”的战争，整个空袭行 动只用了18分钟，其中攻击主要目标的持续时间仅11分钟。
利于实时处理
不足
有信息损失 融合性能降低
36
(3) 决策级融合
含义
高层次的融合，每个传感器先基于自己的数据做出决策，然后由融 合中心完成局部决策。
传感器1
传感器2 传感器N
属性判别
特 征 提 取
属性判别 属性判别
关 联
决 策 层 融 合
联 合 属 性 判 决 结 果
37
…
…
(3) 决策级融合
战斗机及直升机上应用
截获、跟踪和指挥制导的火控系统 军事力量的指挥和控制站 敌情指示和预警系统 海事防务
21
一些数据融合系统
法国的“阵风”战斗机装有RBE2双轴、多功能电子 扫描火控雷达、“前扇区光学系统”(OSF)以及“防御 辅助子系统”(DASS)， OSF能与RBE2雷达、DASS系 统交联工作，以在保持其在低可探测性的条件下，发 挥各自的最大效能 美国F-22综合航空电子系统具有综合传感器融合能 力，包含电子战和雷达以及通信、导航和识别能力 苏-27的TsVM-80的火控计算机能将红外瞄准、激光、 光学和多模式雷达输入综合起来向屏显提供信号，具 有一定程度的多传感器数据融合能力
中间层次的融合，每个传感器先抽象出自己的特征向量，然后由融 合中心完成融合处理。可划分为目标状态和目标特征信息融合两类
传感器1 传感器2 传感器N
特 征 提 取
关 联
特 征 层 属 性 融 合
属 性 判 决
联 合 属 性 判 决 结 果
35
…
(2)特征级融合
特点
进行了数据压缩，
对通信带宽的要求低
融合处理器分析来自所有传感器的数据，并对其进行配准、 关联、相关、估计、分类与信息反馈等。
配准：将传感器数据统一到同一参考时间和空间中 关联：使用某种度量尺度对来自不同传感器的航迹与量测数据进行比较， 确定进行相关处理的候选配对 相关：对关联后的航迹和报表进行处理以确定它们是否属于同一个目标
估计：依据相关处理后的结果对目标的状态变量与估计误差方差进行更 新，实现对目标未来位置的预测
信息融合是一种多层次、多方面的处理过程，包括对多源数据进行检测、 相关、组合和估计，从而提高状态和身份估计的精度，以及对战场态势和 威胁的重要程度进行适时完整的评价。
一般定义：
利用计算机技术，对不同传感器按时序获得的观测信息，按照一定的准则 加以自动分析、优化和综合，为完成所需任务（目的）的估计和决策而进 行的信息处理过程。
分类：通过对特征数据的分析，确定目标的类型等
30
3.2 融合处理的过程
高层次融合
wk.baidu.com决策
筛选、整合和抽象
信息 由 低 层 到 高 层
传感器采集
数据
自然环境信息
环境
31
3.3 数据融合的级别
按照数据抽象 的层次划分
数据级融合
特征级融合
决策级融合
32
(1) 数据级（像素级）融合
含义 最低层次的融合，直接对传感器的观测数据进行融合处理，然后 基于融合后的结果进行特征提取和判断决策。
数据库管理系统
支持数据库 融合数据库
人 机 接 口
27
3.1 JDL数据融合功能模型
○目标评估
数据配准、数据关联、目标位置和运动学、属性参数、身份 估计，用于提供辅助决策信息。
○态势评估
在军事上指评价实体之间相互关系，主要包括态势抽象和态 势评定。
○影响评估 ○过程评估
将当前态势映射到未来，对参与者设想或预测行为的影响进 行评估。 通过建立一定的优化指标，对融合过程进行实时监控与评价， 实现多传感器自适应信息获取与处理、资源最优分配等。
41
（1） 集中式融合结构
检测与估计 传感器控制/反馈信息 融合中心 传感器1 预处理 坐 标 转 换 、 数 据 对 正 点 迹 相 关 、 数 据 互 联 航航 迹迹 滤文 波件 与与 更综 新合 跟 踪 目 标 状 态
传感器2
预处理
…
传感器N
…
预处理
42
（2） 分布式融合结构
分布式融合结构中，每个传感器的检测报告在进入融合以前，先由 它自己的处理器产生局部多目标跟踪航迹，然后将处理过的信息送 至融合中心，完成航迹-航迹相关、航迹合成，形成全局估计。
1.3 信息融合发展历史
20世纪70年代首次提出（美国）
20世纪80年代初步形成信息融合技术
20世纪90年代末，研究热点
目前，仍为学术界研究的热点
12
几个重要事件
1973年，美国国防部资助研究了“声纳信号的理解系统”研究。（起始） 1984年，美国成立了数据融合专家组；
1988年，美国国防部将数据融合技术列为90年代重点开发的20项关键技术
22
一些数据融合系统
全球网络中心监视与瞄准(GNCST)系统--美国空军的新型情报信息融合 处理系统
英国BAE系统公司还开发一种被称作”分布式数据融合”（Decentralized Data Fusion，DDF）的信息融合新技术。它采用的是分布式数据融合技 术，若一个节点脱离网络，其他部分仍会继续工作并共享、综合和融合 信息
23
其它方面的应用
军事应用是多传感器信息融合技术诞生的源泉，近年来，多传感器数 据融合系统在民事应用领域得到了快速的发展。 图像融合—图像工程中一个新兴的研究领域 工业智能机器人—对视频图像、声音、电磁等进行数据融合
遥感—检测天气变化、矿产资源分布和农作物收成等。
故障诊断—基于一定的准则进行融合处理，判断对象是否存在故障 智能交通系统 —实现无人驾驶交通工具的自主道路识别 、速度控
之一，且列为优先开发的A类； 1991年美国已有54个数据融合系统引入到军用电子系统中去，其中87%已有 试验样机、试验床或已被应用； 1998年，成立了国际信息融合学会（International Society of Informat -ion Fusion,ISIF），每年举行一次信息融合学术会议。
15
C3I系统－续
1989年美军入侵巴拿马战争的主要作战，只用了 15个小时。
1991年海湾战争和1999年的科索沃战争的规模较 大，持续时间也不过42天和78天，而海湾战争的
地面作战仅100个小时。
16
1.4 信息融合的分类
按融合技术分类
假设检验型
滤波跟踪型
人工智能
模式识别型
聚类分析型
基于专家系统的
1.1 生物多维感知系统的协同工作的实例
人或其它生物体
记忆、先验知识、规则、推理
视觉
听觉
味觉
嗅觉
触觉
9
1 信息融合基本概念
作为仪器仪表专业的研究生如何让我
们的仪器仪表做的跟人脑一样的智能、准
确、快速、高效呢？
－－（确定、不确定）信息的有效融合
10
1.2 信息融合定义
JDL(Joint Directors of Laboratories ，美国三军组织实 验室理事联合会)定义：
改善探测性能
提高空间分辨率 增加测量空间的维数
20
2 信息融合的应用
□军事应用
信息融合技术在航空武器装备中的应用具有重大意义。数据融合技术 已国外军事装备中得到广泛应用，俄罗斯和美国军方都在多传感器数 据融合和信息处理技术方面进行了大量的研究工作，并已用于多种型 号的军用飞机
自主式武器系统和自备式运载器
制和定位 等
刑侦—利用红外、微波等进行隐匿武器检查、毒品检查等
24
其它方面的应用
遥
感
故障诊断测试床
医学图像
25
智能交通
26
3 数据融合系统模型与处理结构
3.1 JDL数据融合模型-从军事应用的角度
数据 预处理 一级处理 目标评估 二级处理 态势评估 三级处理 影响评估 四级处理 过程评估
数 据 源
基于人工神经网络
以生物为基础
17
1.4 信息融合的分类
按融合判决方式
硬判决
软判决
按传感器组合方式
同类传感器
异类传感器
18
1.4 信息融合的分类
按信息融合结构模型
集中式
分布式
按融合的目的
检测融合
估计融合
属性融合
19
1.5 信息融合的优点
增加系统的生存能力
扩展空间和时间覆盖范围 提高可信度 降低信息的模糊度
传感器1 传感器2 传感器N
关 联
数 据 级 融 合
特 征 提 取
属 性 判 决
联 合 属 性 判 决 结 果
33
…
(1） 数据级融合
特点
数据损失量较少 精度最高
不足
实时性差 要求传感器是同类的 数据通信量大， 抗干扰能力差 处理的数据量大
34
(2)特征级融合
含义
《多源测试信息融合》
第一讲 多源信息融合概述
授课团队：万江文，吴银锋，于宁 yfwu@buaa.edu.cn 新主楼B502
1
主要参考书籍
韩崇昭等,《多源信息融合》，清华大学出版社 杨露菁, 余华.《多源信息融合理论与应用》，北京邮电大学出版社 David L. Hall.《Handbook of Multisensor Data Fusion》 何友, 王国宏 等.《多传感器信息融合及应用》(第二版) , 电子工业出版社 王润生. 《信息融合》 , 科学出版社
其它： 服 务 于 美 国 海 军 的 ATW(Advanced Tactical workstation) 、 CEE （Conditional Events and Entropy）； 服务于美国空军的ABI （AWACS Broadcast Intelligence ）、 AMSTE （ Affordable Moving Surface Target Engagement ） 、 DADFA （Dynamic Adaptation of Data Fusion Algorithms）等等 。
28
其它的功能模型
Dasarathy提出的I/O功能模型
指挥控制融合模型 omnibus处理模型等
Bedworth 于 1994 年提出瀑布模型，应用于英国国防 信息融合系统
说明： 实际系统的功能划分不尽相同，一般需要根据具体 应用需求来决定，可能仅需某一级或两级的融合处理
29
3.2 融合处理的过程
2
主讲内容及教学计划
信息融合概述（2课时） 多源检测融合原理（4课时） 不确定推理（6课时） 分布式检测与融合（4课时） 集中式检测与融合（4课时） 多传感器目标识别与融合模型（4课时） 应用实例（4课时） 复习(2课时) 3
考核方式
最终成绩: 平时作业（30%） 出勤（10%） 期末考试（60%）
4
本次课讲解内容
信息融合基本概念 信息融合应用 融合系统模型与处理结构 信息融合算法 待解决的问题 研究方向
5
1 信息融合基本概念
盲人摸象
丢失的骆驼
6
1 信息融合基本概念
视 觉 可能是红糖水、 可乐、咖啡……
?
一杯冰咖啡
嗅 觉
是咖啡……
触 觉
冰的……
7
d
8
1 信息融合基本概念
特点
通信量小 抗干扰能力强
融合中心处理代价低
不足
数据损失量最大
精度最低
38
(4) 不同级别的融合性能比较
融合 模型 计算 量 容错 性 信息 损失 量 精度 抗干 扰性 融合 方法 传感 器同 质性 通信 数据 量 实时 性 融合 水平
象素 级
大
差
小
高
差
难
大
大
差
低
特征 级
中
中
中
中
中
中
中
中
中
中
决策 级
小
好
大
低
好
易
小
小
好
高
39
3.4 融合处理的结构模型
根据信息流通形式和综合处理层次
集中式融合结构
分布式融合结构
混合式融合结构
多级式融合结构
40
（1） 集中式融合结构
集中式融合结构将检测报告传递到融合中心，然后进行数据对准、 点迹相关、数据互联、航迹滤波、预测与综合跟踪等。 优点：信息损失最小 缺点：互联比较困难，并且要求系统必须具备大容量的能力， 计算负担重，系统生存能力较差 融合结构的模型如下图所示
检测与估计 传感器控制/反馈信息 融合中心 传感器1 预处理 多目标 跟踪器 多目标 跟踪器 坐 标 转 换 、 数 据 对 正 目 标 状 态
13
C3I系统
C3I（Communication，Command，Control and Intelligence systems）系统: 指挥自动化系统。C3I技术是 运用系统工程的理论和方法，对军事指挥、控制、通信、情
报系统进行开发和管理的技术。应用电子计算机 、数据通信
、控制技术、传感和显示技术等，集中管理和协调远离中心 的各种资源的大型综合信息系统。通信指挥控制情报系统的
简称。军用上则称作指挥自动化系统。
14
C3I系统－续
C3I系统，极大地缩短了监视战场——处理信息、发现目标和评 估——下达作战指令和实践打击的这一作战周期的时间，从而使 真刀真枪的实战时间越来越短，战争节奏越发加快，一场战争可
能就是一次战役甚至就是一次战斗。
1986年美国空袭利比亚的“外科手术式”的战争，整个空袭行 动只用了18分钟，其中攻击主要目标的持续时间仅11分钟。
利于实时处理
不足
有信息损失 融合性能降低
36
(3) 决策级融合
含义
高层次的融合，每个传感器先基于自己的数据做出决策，然后由融 合中心完成局部决策。
传感器1
传感器2 传感器N
属性判别
特 征 提 取
属性判别 属性判别
关 联
决 策 层 融 合
联 合 属 性 判 决 结 果
37
…
…
(3) 决策级融合
战斗机及直升机上应用
截获、跟踪和指挥制导的火控系统 军事力量的指挥和控制站 敌情指示和预警系统 海事防务
21
一些数据融合系统
法国的“阵风”战斗机装有RBE2双轴、多功能电子 扫描火控雷达、“前扇区光学系统”(OSF)以及“防御 辅助子系统”(DASS)， OSF能与RBE2雷达、DASS系 统交联工作，以在保持其在低可探测性的条件下，发 挥各自的最大效能 美国F-22综合航空电子系统具有综合传感器融合能 力，包含电子战和雷达以及通信、导航和识别能力 苏-27的TsVM-80的火控计算机能将红外瞄准、激光、 光学和多模式雷达输入综合起来向屏显提供信号，具 有一定程度的多传感器数据融合能力
中间层次的融合，每个传感器先抽象出自己的特征向量，然后由融 合中心完成融合处理。可划分为目标状态和目标特征信息融合两类
传感器1 传感器2 传感器N
特 征 提 取
关 联
特 征 层 属 性 融 合
属 性 判 决
联 合 属 性 判 决 结 果
35
…
(2)特征级融合
特点
进行了数据压缩，
对通信带宽的要求低
融合处理器分析来自所有传感器的数据，并对其进行配准、 关联、相关、估计、分类与信息反馈等。
配准：将传感器数据统一到同一参考时间和空间中 关联：使用某种度量尺度对来自不同传感器的航迹与量测数据进行比较， 确定进行相关处理的候选配对 相关：对关联后的航迹和报表进行处理以确定它们是否属于同一个目标
估计：依据相关处理后的结果对目标的状态变量与估计误差方差进行更 新，实现对目标未来位置的预测
信息融合是一种多层次、多方面的处理过程，包括对多源数据进行检测、 相关、组合和估计，从而提高状态和身份估计的精度，以及对战场态势和 威胁的重要程度进行适时完整的评价。
一般定义：
利用计算机技术，对不同传感器按时序获得的观测信息，按照一定的准则 加以自动分析、优化和综合，为完成所需任务（目的）的估计和决策而进 行的信息处理过程。
分类：通过对特征数据的分析，确定目标的类型等
30
3.2 融合处理的过程
高层次融合
wk.baidu.com决策
筛选、整合和抽象
信息 由 低 层 到 高 层
传感器采集
数据
自然环境信息
环境
31
3.3 数据融合的级别
按照数据抽象 的层次划分
数据级融合
特征级融合
决策级融合
32
(1) 数据级（像素级）融合
含义 最低层次的融合，直接对传感器的观测数据进行融合处理，然后 基于融合后的结果进行特征提取和判断决策。
数据库管理系统
支持数据库 融合数据库
人 机 接 口
27
3.1 JDL数据融合功能模型
○目标评估
数据配准、数据关联、目标位置和运动学、属性参数、身份 估计，用于提供辅助决策信息。
○态势评估
在军事上指评价实体之间相互关系，主要包括态势抽象和态 势评定。
○影响评估 ○过程评估
将当前态势映射到未来，对参与者设想或预测行为的影响进 行评估。 通过建立一定的优化指标，对融合过程进行实时监控与评价， 实现多传感器自适应信息获取与处理、资源最优分配等。
41
（1） 集中式融合结构
检测与估计 传感器控制/反馈信息 融合中心 传感器1 预处理 坐 标 转 换 、 数 据 对 正 点 迹 相 关 、 数 据 互 联 航航 迹迹 滤文 波件 与与 更综 新合 跟 踪 目 标 状 态
传感器2
预处理
…
传感器N
…
预处理
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（2） 分布式融合结构
分布式融合结构中，每个传感器的检测报告在进入融合以前，先由 它自己的处理器产生局部多目标跟踪航迹，然后将处理过的信息送 至融合中心，完成航迹-航迹相关、航迹合成，形成全局估计。