数据融合系统结构及数据准备
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智能信息处理技术
自动化学院
NUST
2)分布式处理结构
智能信息处理技术
各传感器都有自己的处理器,进行预处理,然后把中间结 果送到中心处理器进行融合处理。
优点如下:
①处理器连到每个传感器上以改进其性能; ②现有的平台数据总线(一般是低速的)可以频繁地使 用; ③分隔容易; ④增加新传感器或改进老传感器,可以更少地 触动系统软件和硬件。
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自动化学院
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智能信息处理技术
缺点:
①提供给中心处理器的有限数据,降低传感器融合的有效性; ②对于某些传感器,环境的严重干扰限制了处理器部件的选
择,从而增加了成本; ③传感器位置的选择受更多地限制; ④增加的各种单元降低了可维护性,增加了成本。
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自动化学院
NUST
分布式系统的主要应用
智能信息处理技术
5
中心。
自动化学院
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特点
主要特点
智能信息处理技术
Ø 可利用所有传感器的全部信息进行状态估计、 速度估计和预测值计算。
Ø 利用全部信息,系统的信息损失小,性能好, 目标的状态、速度估计是最佳估计。
主要优点
Ø 把所有的原始信息全部送给处理中心,通信
不足
开销太大,融合中心计算机的存储容量要大。
对计算机要求高及数据关联困难。
说明:
级”的概念并不意味各级之间有时序特性,这些过程经常并 行处理
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三) 数据融合的层次
1、数据层融合
智能信息处理技术
2、特征层融合
3、决策层融合
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智能信息处理技术
1、数据层(像素级)融合
特点:
应用:
1)直接在采集到的原始数据层上进行融合; 2)原始观测信息未经预处理或只进行很少 的处理就进行数据综合分析,是最低层次的融合; 3) 参与融合的传感器信息间具有一个像素的配 准精度。
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缺点:
①要求专门的数据总线; ②硬件改进或扩充困难; ③由于所有的处理资源都在一个位置,所以易损 性增加了; ④分隔困难; ⑤软件开发和维护困难(因为与一个传感器有关 的变化可以影响到其余部分)。
集中式系统的主要应用
收集来自单个平台上的多个传感器的数据,可形 成诸如舰艇或战斗机的信息显示,也可用于检测对象 相对单一的智能检测系统。
解决方法
硬件系统:
各种高可靠性、高性能传感器系统的应用;
软件系统:
37
开发高速数据处理算法;
ห้องสมุดไป่ตู้
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2、数据的预处理
智能信息处理技术
数据进行二次处理前,通过预处理来提高信号 的质量,主要包括:
1)点迹过滤
2)点迹合并
3)消除粗大误差
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原因:
1)点迹过滤
智能信息处理技术
像素级融合
最大 最小 最差 最差 最难 最小 最好 最大
特征级融合
中等 中等 中等 中等 中等 中等 中等 中等
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决策级融合 最小 最大 最好 最好 最易 最大 最差 最小
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智能信息处理技术
数据融合分类-按融合判决方式
分类:硬判决、软判决
指数据处理活动中用于信号检测、目标识别的判决方式
2)数据通信量较大,抗干扰能力较差;
3)在信息的最低层进行的,由于传感器原始信息的不确定性、不完全性 和不稳定性,要求在数据融合时有较高的纠错能力;
4)各传感器信息之间校准精度要求较高,各传感器信息应来自同质传感器。
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2、特征级融合
智能信息处理技术
对来自传感器的原始信息进行特征提取(特征可以是被观 测对象的各种物理量),然后对特征信息进行综合分析和 处理。
系统有局部融合单元及全局融合单元,这是最复杂的 融合系统,但它非常有潜力。
这种结构方式可进行扩展,即把每个传感器扩展成 一个包含多个传感器的平台。
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智能信息处理技术
数据融合系统结构的主要设计实现特点
集中式处理结构:
所有传感器数据都送到中心处理器处理和融合。
优点如下:
①所有数据对中心处理器都是可用的; ②可用较少种类的标准化处理单元; ③传感器在平台位置上的选择受限较少; ④所有的处理单元都在可接近的位置,增强了 处理器的可维护性。
③这种判决方式以经典的数理逻辑为基础,是确定性的。
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特点:
2)软判决
智能信息处理技术
①不设置确定不变的判决门限
②无论系统何时收到观测数据都要执行相应分析,都作出适当评 价,也都向更高层次系统传送评判结论意见及有关信息,包括评 判结果的置信度。
③这些评判不一定是确定无疑的,但它可以更充分的发挥所有有 用信息的效用,是信息融合结论更可靠更合理
3)当一个或几个传感器出现错误时,通过适当融合,系统 还能获得正确结果,具有容错性;
4)对传感器的依赖性小,传感器可以是同质的,也可以是 异质的;
5)能有效反映环境或目标各侧面不同类型信息。
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融合层次的优缺点比较
智能信息处理技术
处理信息量 信息量损失 抗干扰性能
容错性能 算法难度 融合前处理 融合性能 对传感器的依赖程度
大型军事防御系统,多参数或参数间交叉影响的智能检测系统
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智能信息处理技术
二) 数据融合系统的功能模型
数据融合的通用功能模型(军事上,数据融合技术 支持下的综合性信息处理过程)
信息获取
直接: 雷达 各类传感 器 其他
间接: 人工 友邻 其他
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预
处
一级处理
理
数据校准
采
数据关联
集
目标跟踪
3)识别:
18
主要指身份或属性识别,给出目标的特征,以便进行态势和威胁评估。
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2、第二级处理
主要内容:态势评估
1)态势提取
2)态势分析
1)态势提取
3)态势预测
智能信息处理技术
从大量不完全的数据集合中构造出态势的一般表示,为前级处理提供连 贯的说明。
静态态势包括敌我双方兵力、兵器、后勤支援对比及综合战斗力估计;
具体包括综合环境判断、威胁等级判断及辅助决策。
威胁评估
综合环境判断
威胁等级评估
辅助决策
进进时 攻攻间 能目等 力标级 推推计 理理算
预威威 处胁胁 理等等
级级 推综 理合
确求优 定解化 决决决 策策策 方变指 案量标
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4、第四级处理
智能信息处理技术
优化融合处理,包括优化利用资源、优化传感器管理和优化武器控 制,通过反馈自适应,提高系统的融合效果
智能信息处理技术
3、有反馈的分布式融合系统
传感器1
传感器2 ...
传感器n
形成点迹
形成点迹 ...
形成点迹
本地滤波 本地滤波
本地滤波
融 合 融合输出 单 元
特点:
由融合中心到每个传感器有一个反馈通道,这有助 于提高各个传感器状态估计和预测的精度。
增加了通信量,在考虑其算法时,要注意参与计算
之间的相关性。
噪声、干扰大量存在,产生虚警(环境因素及传感器性能);
当虚警较多时可能产生假目标,因此检测得到的数据不仅包 含运动目标点迹,也可能包含固定目标的点迹和假目标的点 迹(孤立点迹);
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智能信息处理技术
点迹过滤的目的
将非目标点迹减至最少,消除大部分由干扰产生的假点迹或孤立点迹;
减轻计算机数据处理的负担,改善数据融合系统的状态估计精度,提高 系统的性能。
19 动态态势包括意图估计、遭遇点估计、致命点估计等。
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智能信息处理技术
2)态势分析
包括实体合并,协同推理与协同关系分析,敌我各实体的分布和敌 方活动或作战意图分析。
3)态势预测
包括未来时刻敌方位置预测和未来兵力部属推理等。
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3 、第三级处理
智能信息处理技术
威胁评估是关于敌方兵力对我方杀伤能力及威胁程度的评估;
管
身份识别
理
四级处理 优化控制
二级处理 态势评估
三级处理 威胁评估
动
态
数 据 库
数 据 库
管
理
系
统
支
持
数
据
库
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通用模型的特点
分为四级处理 第一级处理的主要内容:
1)数据和图像的配准 2)关联 3)跟踪和识别
智能信息处理技术
1)数据配准:
把从各个传感器接收的数据或图像在时间和空间
上进行校准,使它们有相同的时间基准、平台和
第3讲 数据融合系统结构形式
及数据准备
一数据融合系统结构形 式
主要内容
1、数据融合的主要结构 2、数据融合系统的功能模型 3、数据融合的层次
3
智能信息处理技术
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智能信息处理技术
一) 数据融合的主要结构
数据融合系统的主要结构形式
无
有
有
反
反
反
集
馈
馈
馈
中
的
的
的
式
分
分
全
融
布
布
并
合
式
式
行
点迹过滤的基本依据
运动目标、固定目标及假目标跨周期的相关特性不同。利用一定的判 定准则判定点迹的跨周期特性,就可区别运动目标、固定目标及假目 标。
坐标系。时间配准:将各测量值推算到统一的观测时间
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点上;空间配准:对位置偏差进行估计和补偿。
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2)数据关联:
把各个传感器送来的点迹与数据库中的各个航迹相关联,同时对目 标位置进行预测,保持对目标进行连续跟踪;
关联不上的那些点迹可能是新的点迹,也可能是虚警,保留下来, 在一定条件下,利用新点迹建立新航迹,消除虚警。
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2)特征级目标特性融合
智能信息处理技术
在融合前必须先对特征进行相关处理,把特征向量分成有 意义的组合。
优点:
①实现可观的信息压缩,有利于实时处理;
②所提取的特征直接与决策分析有关,融合结果能最大限度 地给出决策分析所需特征信息。
应用:
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C3I系统
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特点:
3、决策级融合
特征级融合属于中间层次,融合过程为:
1)提取特征信息(数据信息表示量或统计量) 2)按特征信息对多传感器数据进行分类、综合和分析。
特征级融合分类:
1)目标状态数据融合
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2)目标特性融合
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智能信息处理技术
1)特征级目标状态数据融合
主要应用:
多传感器目标跟踪领域
融合过程:
①对传感器数据进行预处理以完成数据校准; ②实现参数相关的状态向量估计。
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2、无反馈的分布式融合系统
传感器1
传感器2 ...
传感器n
形成点迹
形成点迹 ...
形成点迹
本地滤波 本地滤波
本地滤波
融 合 融合输出 单 元
特点:
分布式 融合系统所要求的通信开销小 融合中心计算机所需的存储容量小
融合速度快
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性能不如集中式融合系统
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8
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4、有反馈的全并行融合系统
传感器 1
形成 点迹
本地 滤波
融合 单元
传感器 2
...
形成 点迹
...
本地 滤波
融合 单元
传感器 n
形成 点迹
本地 滤波
融合 单元
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估 计 传 输 通 道
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智能信息处理技术
主要特点:
是全并行、有反馈的融合结构
通过传送通道,各传感器都存取其它传感器的当前估 计,各传感器都独立地完成全部运算任务。
智能信息处理技术
1)是一种高层次融合,其结果为检测、控制、指挥、决策提供依据;
2) 首先利用传感器提供的信息对目标属性进行独立处理,再对各传感 器的处理结果进行融合,最后得到整个系统的决策。
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主要优点
智能信息处理技术
1)融合中心处理代价低,具有很高灵活性;
2)通信量小,抗干扰能力强;
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二数据准备
智能信息处理技术
融合中心数据处理的前提
虚警的处理-剔除假点迹 具体表现为多目标系统点迹与航迹的关联-剔除孤立点迹
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智能信息处理技术
1、对传感器信号处理的要求
尽可能消除各种干扰(各类杂波,如雷达系统,地杂波,海 杂波,气象杂波以及人为干扰;声呐系统,多径,反射,折 射,海底地貌等),降低假点迹出现的概率,减小计算机数 据处理的负担,提高数据处理系统的性能。
系
融
融
融
统
合
合
合
系
系
系
4
统
统
统
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1、集中式融合系统
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传感器1
传感器2 ...
传感器n
检测判定
检测判定 ...
检测判定
融
合
判 输出 定
检测判定是指,多传感器扫描观测目标,实现信号检测;
扫描过程中,各传感器进行独立的测量和判断,并将各
种测量参数(目标特性参数和状态参数)报告给数据融合
应用:
每个传感器内部或信息融合中心都既可以选用硬判决方 式,也可选用软判决方式
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特点:
1)硬判决
智能信息处理技术
①设置有确定的预置判决门限,只有数据样本特征量达到或超过预 置门限时,系统才作出判决断言;
②只有当系统作出了确定的断言时,系统才向更高层次系统传送“ 确定无疑”的判决结论;
优点:
1)能保持尽可能多的现场数据
24 2)提供其他融合层次所不能提供的细微信息
多 源 图 像 复 合、 图 像 分 析 和 理 解
同多 类传 雷感 达器 波数 形据 的融 直合 接的 合卡 成尔
曼 滤 波 自动化等学院
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局限性
智能信息处理技术
1)所处理的传感器数据量大,处理代价高、时间长、实时性差;
智能信息处理技术
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2)分布式处理结构
智能信息处理技术
各传感器都有自己的处理器,进行预处理,然后把中间结 果送到中心处理器进行融合处理。
优点如下:
①处理器连到每个传感器上以改进其性能; ②现有的平台数据总线(一般是低速的)可以频繁地使 用; ③分隔容易; ④增加新传感器或改进老传感器,可以更少地 触动系统软件和硬件。
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智能信息处理技术
缺点:
①提供给中心处理器的有限数据,降低传感器融合的有效性; ②对于某些传感器,环境的严重干扰限制了处理器部件的选
择,从而增加了成本; ③传感器位置的选择受更多地限制; ④增加的各种单元降低了可维护性,增加了成本。
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分布式系统的主要应用
智能信息处理技术
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中心。
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特点
主要特点
智能信息处理技术
Ø 可利用所有传感器的全部信息进行状态估计、 速度估计和预测值计算。
Ø 利用全部信息,系统的信息损失小,性能好, 目标的状态、速度估计是最佳估计。
主要优点
Ø 把所有的原始信息全部送给处理中心,通信
不足
开销太大,融合中心计算机的存储容量要大。
对计算机要求高及数据关联困难。
说明:
级”的概念并不意味各级之间有时序特性,这些过程经常并 行处理
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三) 数据融合的层次
1、数据层融合
智能信息处理技术
2、特征层融合
3、决策层融合
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1、数据层(像素级)融合
特点:
应用:
1)直接在采集到的原始数据层上进行融合; 2)原始观测信息未经预处理或只进行很少 的处理就进行数据综合分析,是最低层次的融合; 3) 参与融合的传感器信息间具有一个像素的配 准精度。
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缺点:
①要求专门的数据总线; ②硬件改进或扩充困难; ③由于所有的处理资源都在一个位置,所以易损 性增加了; ④分隔困难; ⑤软件开发和维护困难(因为与一个传感器有关 的变化可以影响到其余部分)。
集中式系统的主要应用
收集来自单个平台上的多个传感器的数据,可形 成诸如舰艇或战斗机的信息显示,也可用于检测对象 相对单一的智能检测系统。
解决方法
硬件系统:
各种高可靠性、高性能传感器系统的应用;
软件系统:
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开发高速数据处理算法;
ห้องสมุดไป่ตู้
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2、数据的预处理
智能信息处理技术
数据进行二次处理前,通过预处理来提高信号 的质量,主要包括:
1)点迹过滤
2)点迹合并
3)消除粗大误差
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原因:
1)点迹过滤
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像素级融合
最大 最小 最差 最差 最难 最小 最好 最大
特征级融合
中等 中等 中等 中等 中等 中等 中等 中等
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决策级融合 最小 最大 最好 最好 最易 最大 最差 最小
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数据融合分类-按融合判决方式
分类:硬判决、软判决
指数据处理活动中用于信号检测、目标识别的判决方式
2)数据通信量较大,抗干扰能力较差;
3)在信息的最低层进行的,由于传感器原始信息的不确定性、不完全性 和不稳定性,要求在数据融合时有较高的纠错能力;
4)各传感器信息之间校准精度要求较高,各传感器信息应来自同质传感器。
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2、特征级融合
智能信息处理技术
对来自传感器的原始信息进行特征提取(特征可以是被观 测对象的各种物理量),然后对特征信息进行综合分析和 处理。
系统有局部融合单元及全局融合单元,这是最复杂的 融合系统,但它非常有潜力。
这种结构方式可进行扩展,即把每个传感器扩展成 一个包含多个传感器的平台。
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数据融合系统结构的主要设计实现特点
集中式处理结构:
所有传感器数据都送到中心处理器处理和融合。
优点如下:
①所有数据对中心处理器都是可用的; ②可用较少种类的标准化处理单元; ③传感器在平台位置上的选择受限较少; ④所有的处理单元都在可接近的位置,增强了 处理器的可维护性。
③这种判决方式以经典的数理逻辑为基础,是确定性的。
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特点:
2)软判决
智能信息处理技术
①不设置确定不变的判决门限
②无论系统何时收到观测数据都要执行相应分析,都作出适当评 价,也都向更高层次系统传送评判结论意见及有关信息,包括评 判结果的置信度。
③这些评判不一定是确定无疑的,但它可以更充分的发挥所有有 用信息的效用,是信息融合结论更可靠更合理
3)当一个或几个传感器出现错误时,通过适当融合,系统 还能获得正确结果,具有容错性;
4)对传感器的依赖性小,传感器可以是同质的,也可以是 异质的;
5)能有效反映环境或目标各侧面不同类型信息。
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融合层次的优缺点比较
智能信息处理技术
处理信息量 信息量损失 抗干扰性能
容错性能 算法难度 融合前处理 融合性能 对传感器的依赖程度
大型军事防御系统,多参数或参数间交叉影响的智能检测系统
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二) 数据融合系统的功能模型
数据融合的通用功能模型(军事上,数据融合技术 支持下的综合性信息处理过程)
信息获取
直接: 雷达 各类传感 器 其他
间接: 人工 友邻 其他
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预
处
一级处理
理
数据校准
采
数据关联
集
目标跟踪
3)识别:
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主要指身份或属性识别,给出目标的特征,以便进行态势和威胁评估。
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2、第二级处理
主要内容:态势评估
1)态势提取
2)态势分析
1)态势提取
3)态势预测
智能信息处理技术
从大量不完全的数据集合中构造出态势的一般表示,为前级处理提供连 贯的说明。
静态态势包括敌我双方兵力、兵器、后勤支援对比及综合战斗力估计;
具体包括综合环境判断、威胁等级判断及辅助决策。
威胁评估
综合环境判断
威胁等级评估
辅助决策
进进时 攻攻间 能目等 力标级 推推计 理理算
预威威 处胁胁 理等等
级级 推综 理合
确求优 定解化 决决决 策策策 方变指 案量标
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4、第四级处理
智能信息处理技术
优化融合处理,包括优化利用资源、优化传感器管理和优化武器控 制,通过反馈自适应,提高系统的融合效果
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3、有反馈的分布式融合系统
传感器1
传感器2 ...
传感器n
形成点迹
形成点迹 ...
形成点迹
本地滤波 本地滤波
本地滤波
融 合 融合输出 单 元
特点:
由融合中心到每个传感器有一个反馈通道,这有助 于提高各个传感器状态估计和预测的精度。
增加了通信量,在考虑其算法时,要注意参与计算
之间的相关性。
噪声、干扰大量存在,产生虚警(环境因素及传感器性能);
当虚警较多时可能产生假目标,因此检测得到的数据不仅包 含运动目标点迹,也可能包含固定目标的点迹和假目标的点 迹(孤立点迹);
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点迹过滤的目的
将非目标点迹减至最少,消除大部分由干扰产生的假点迹或孤立点迹;
减轻计算机数据处理的负担,改善数据融合系统的状态估计精度,提高 系统的性能。
19 动态态势包括意图估计、遭遇点估计、致命点估计等。
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2)态势分析
包括实体合并,协同推理与协同关系分析,敌我各实体的分布和敌 方活动或作战意图分析。
3)态势预测
包括未来时刻敌方位置预测和未来兵力部属推理等。
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3 、第三级处理
智能信息处理技术
威胁评估是关于敌方兵力对我方杀伤能力及威胁程度的评估;
管
身份识别
理
四级处理 优化控制
二级处理 态势评估
三级处理 威胁评估
动
态
数 据 库
数 据 库
管
理
系
统
支
持
数
据
库
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通用模型的特点
分为四级处理 第一级处理的主要内容:
1)数据和图像的配准 2)关联 3)跟踪和识别
智能信息处理技术
1)数据配准:
把从各个传感器接收的数据或图像在时间和空间
上进行校准,使它们有相同的时间基准、平台和
第3讲 数据融合系统结构形式
及数据准备
一数据融合系统结构形 式
主要内容
1、数据融合的主要结构 2、数据融合系统的功能模型 3、数据融合的层次
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智能信息处理技术
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智能信息处理技术
一) 数据融合的主要结构
数据融合系统的主要结构形式
无
有
有
反
反
反
集
馈
馈
馈
中
的
的
的
式
分
分
全
融
布
布
并
合
式
式
行
点迹过滤的基本依据
运动目标、固定目标及假目标跨周期的相关特性不同。利用一定的判 定准则判定点迹的跨周期特性,就可区别运动目标、固定目标及假目 标。
坐标系。时间配准:将各测量值推算到统一的观测时间
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点上;空间配准:对位置偏差进行估计和补偿。
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2)数据关联:
把各个传感器送来的点迹与数据库中的各个航迹相关联,同时对目 标位置进行预测,保持对目标进行连续跟踪;
关联不上的那些点迹可能是新的点迹,也可能是虚警,保留下来, 在一定条件下,利用新点迹建立新航迹,消除虚警。
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2)特征级目标特性融合
智能信息处理技术
在融合前必须先对特征进行相关处理,把特征向量分成有 意义的组合。
优点:
①实现可观的信息压缩,有利于实时处理;
②所提取的特征直接与决策分析有关,融合结果能最大限度 地给出决策分析所需特征信息。
应用:
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C3I系统
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特点:
3、决策级融合
特征级融合属于中间层次,融合过程为:
1)提取特征信息(数据信息表示量或统计量) 2)按特征信息对多传感器数据进行分类、综合和分析。
特征级融合分类:
1)目标状态数据融合
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2)目标特性融合
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1)特征级目标状态数据融合
主要应用:
多传感器目标跟踪领域
融合过程:
①对传感器数据进行预处理以完成数据校准; ②实现参数相关的状态向量估计。
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2、无反馈的分布式融合系统
传感器1
传感器2 ...
传感器n
形成点迹
形成点迹 ...
形成点迹
本地滤波 本地滤波
本地滤波
融 合 融合输出 单 元
特点:
分布式 融合系统所要求的通信开销小 融合中心计算机所需的存储容量小
融合速度快
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性能不如集中式融合系统
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智能信息处理技术
4、有反馈的全并行融合系统
传感器 1
形成 点迹
本地 滤波
融合 单元
传感器 2
...
形成 点迹
...
本地 滤波
融合 单元
传感器 n
形成 点迹
本地 滤波
融合 单元
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估 计 传 输 通 道
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智能信息处理技术
主要特点:
是全并行、有反馈的融合结构
通过传送通道,各传感器都存取其它传感器的当前估 计,各传感器都独立地完成全部运算任务。
智能信息处理技术
1)是一种高层次融合,其结果为检测、控制、指挥、决策提供依据;
2) 首先利用传感器提供的信息对目标属性进行独立处理,再对各传感 器的处理结果进行融合,最后得到整个系统的决策。
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主要优点
智能信息处理技术
1)融合中心处理代价低,具有很高灵活性;
2)通信量小,抗干扰能力强;
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二数据准备
智能信息处理技术
融合中心数据处理的前提
虚警的处理-剔除假点迹 具体表现为多目标系统点迹与航迹的关联-剔除孤立点迹
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智能信息处理技术
1、对传感器信号处理的要求
尽可能消除各种干扰(各类杂波,如雷达系统,地杂波,海 杂波,气象杂波以及人为干扰;声呐系统,多径,反射,折 射,海底地貌等),降低假点迹出现的概率,减小计算机数 据处理的负担,提高数据处理系统的性能。
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融
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合
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1、集中式融合系统
智能信息处理技术
传感器1
传感器2 ...
传感器n
检测判定
检测判定 ...
检测判定
融
合
判 输出 定
检测判定是指,多传感器扫描观测目标,实现信号检测;
扫描过程中,各传感器进行独立的测量和判断,并将各
种测量参数(目标特性参数和状态参数)报告给数据融合
应用:
每个传感器内部或信息融合中心都既可以选用硬判决方 式,也可选用软判决方式
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特点:
1)硬判决
智能信息处理技术
①设置有确定的预置判决门限,只有数据样本特征量达到或超过预 置门限时,系统才作出判决断言;
②只有当系统作出了确定的断言时,系统才向更高层次系统传送“ 确定无疑”的判决结论;
优点:
1)能保持尽可能多的现场数据
24 2)提供其他融合层次所不能提供的细微信息
多 源 图 像 复 合、 图 像 分 析 和 理 解
同多 类传 雷感 达器 波数 形据 的融 直合 接的 合卡 成尔
曼 滤 波 自动化等学院
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局限性
智能信息处理技术
1)所处理的传感器数据量大,处理代价高、时间长、实时性差;