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多传感器信息融合技术研究现状和发展趋势






















文 章编 号







多传 感 器 信 息 融合 技 术 研 究 现 状 和 发 展 趋 势
张明路
,

戈新 良 唐智 强
,

,

,

刘 兴荣

河 北 工 业大 学 机 械 学 院

夭津

摘要
能力

多传 感 器 信 息 融 合 可 以 避 免 单 一 传 感 器 的局 限性
,

,

获 取 更 多 的信 息 提 高 目 标 识 别
,


本 文 较 为 全 面 的 介 绍 了 多传 感 器 信 息 融 合 技 术 的 背景 并 预 测 其 将 来 的 发 展趋 势 信 息融 合 键


概念



控制结构



融合 层 次

的 划 分 等 内容



多传 感 器

算法

控制 结构

中图 分 类 号

文 献标 识 码

引言


年来 多 传感 器 信 息 融 合 技 术 受 到 广 泛 的关 注 成 为 该 多 传感 器 信息 融 合是 数 学


,

,

年 代形 成 和 发 展 的 一 种 自动化 信
,

息综 合 处 理 技 术 息处 理 结 果 的质量 智能


由于 其 充分 利 用 多 源数 据 的互 补 性 和 电子计 算 机 的 高速 运 算 和 智 能

提 高 了信


军 事 科学



计 算机 科学



自动控 制理 论

人工
,

通 信 技术



管 理 科 学 等 多 种 学 科 的交叉 和 具 体 运 用
, ‘,

该 融 合 技 术 最初 仅 用 于 军 事 科 学
,



己 广泛适 用 于 民 用工 程

发 展 多 传 感 器 信 息融 合 技 术 的原 因 很 多
人技术
『, 、
,

在 现 代工 程 应 用 中

传感 器 技术 广 泛 应 用 于 机 器
,

机 电一 体 化



柔 性制造 系 统



等控制 技 术

随着 应 用 系 统逐 渐 扩 大
,

所 需 的功 能也越
,

来越 复杂

使 用 的 传感 器 种类 也相 应增 多

原 先 的 单 一 传感 器 检 测 技术 已 不能 满 足要 求
,

多 传感

器 融 合技 术 应 运 而 生 在 多 传感 器 系 统 中

多传感 器 融 合技 术 就 是 对 同一 检 测对 象
,

利 用 各种 传感 器 检 测 的 信 息 和 不
,

同 的 处 理 方 法 以 获 得 该对 象 的 全 面 检 测 信息

从 而 提 高 检 测 精度 和 可 靠性 复 杂 性 以 及大 容 量 信 息处 理 不 同于 单 一 的 传感 检

信 息表 现 为 多样 性



测 处理 技 术

,

多 传 感 器 信息融 合 技 术 已 成 为 当 前 的 一 个 重 要 研 究领 域

信 息 融合 技 术
正 如文 献

中 所述
,


,

信 息 融 合是 为 了 达 到 目标 的 精 确位 置




身份估 计 以 及 实 时的 战场 态 势
,

和 敌方威 胁评估 几个过 程

而 对单个 或 多 个 信 息 源 的 数据进 行 互联 和 综 合 的 过 程

将 信息融 合 划 分成 如 下

对准

互联 相 关


滤波



对 准是 一 个 数 据 排 列 处 理过 程

识 别 和 威 胁 评 估 及 战 场 态 势 评估 战略 位 置 它 包 括 时 间 空 间 和 度 量 单位 的 处 理 因 为 多 传感 器 信 息融

,

合将 涉 及 到 不 同的 坐 标 系统 参考 系 中
互联
收 稿 日期 墓 金项 目 作者简介
,

观 察 时 间 和 扫 描周 期
,

所 以 需 将 所 有传感 器 的 数据转换 到 一 个公共
目前 很 少 有 学 者 在 进行

尽 管 已 有 许 多技 术 可 用
,

其 中最 典 型 的 方法是 最 小 平 方估 计

这 个领 域 的研 究

但 战场 结 果 显 示 有许 多 问题 都是 由于 不 良的定位所造 成 的
它 是 决 定从 不 同 传感 器 中 哪些 测

相关是 当 今 信 息 融 合 中最 有 技 术 挑 战力 的一 个 领 域
一 一

河北 省 自然 科 学 基 金 资助 项 目

河北 省攻 关计 划 资助 项 目
教授



张 明路



,



汉族

,

多 传 感 器 信 息 融 合 技 术 研 究现 状 和 发 展 趋 势
量 跟 踪 是 代 表 同一 个 目标 的 处 理 过 程 数据 互 联 可在 被 用 来 处 理 在 单 个 传 感 器 或 单 个 系统 的 初 始 跟 踪 上


,

个 层 次 上 进行 第
,

层是测量 一 测量互联
,

,



层是测量 一 跟踪互联
,

被 用在跟 踪维持 计 算 方 法 较 简单
, ,

第 层 是跟 踪 跟 踪 互 联 用 于 多传感 器 的 数 据 处 理 中 互联 中使 用 最 多的方法 是 序 贯 最近 邻
该 方 法是 选 择 使统 计 距 离 最 小 和 残 缺 概 率 密 度最 大 的 回 波 作 为 目标 回 波 其 它方 法
,
,



,

缺 点是 在 实 际 应 用 中容 易 发 生误 跟 和 丢 失 目标 虑 了跟 踪 门 内的 所有 侯 选 回 波
波 的加 权 和
,

如 联 合 概率 数据关 联方法
,

它 全 部考

并 根 据 不 同相 关 情 况 计 算 出 各个 概 率 加 权 系 数
另外
,

以 及 所 有候选 回

即 为 等效 回 波

,

然 后 用 等效 回 波 更 新 多个 目标 的状 态

多假设 跟 踪 法 也 是 今

后 要 考 虑 的方法 之 一

识 别是对 目标 属 性 进行 估计 的 一 个 过 程 识 别 问 题 的第
大小 方法

,

步 是 识别外形 面 貌 特 征 例如形 状 和 推理
,

识 别 问题 的 第


步 是 一 个 决策 理 论 问 题
‘,

对 它 们 的 研 究通 常 仍 分 为 两 大类

证 据理 论

方法

两 种方法 都 具 有 许 多新 的 算 法 技 巧

但 将 来 大 多数 系 统 仍可能 采

推理方法 威胁评 估 以 及 战场 态 势评 估 战略布 置 是 一 个 较为 抽 象 的 处 理过 程 相 对前 面 所提 及 的各 个 过
,

程 处 理 复 杂得 多
飞 行趋 势


处 理 技术 要 用 到 大 量 的 数据 库
,

,

该数据 库 中必 须包括 有 不 同 的 目标行 为



目标

将来 企 图的数据 和 敌 方军 事力 量 的 智能信 息
‘,

传统 的 经 典 方 法
,





方法



以 被 用 于 这 个 层 次 上 的处 理

由于 它 是 一 个 抽 象 的 推 理过 程 极大似 然
极 大后验

因而 符号 处 理 更 为 合 适
,

,

人工智能

技 术 在 此 过 程 中也 已 被 利 用
总之
,

信息融 合采 用的方 法 有


估计方 法
,

推 理 方法

,


,

波方 法 等 都 是 比 较成熟 的 算 法

对 于 其 中一 些 模 糊 现 象 处 理 如 相关 门 限 中有 许 多个 测 量 待 选 择

航 迹 起 始 中的点 迹 聚 集判 定
用 方法 法

航迹 维持 的 时 间和 质 量 等
,

目前 在 不 同的 系 统 中 正 在 开 发相 应 的适

例如

,

多 目标 多传 感 器 中相 关 处 理 所 采 用 的 多周期 动 态 组 合算 法 和 矩 阵
,

全局

优 化算

目标检 测 中采 用 的 软 判定 传感 器 技 术
,

航 迹 维 持 中 的 航 迹 质量 因 子描 述 航 迹 状 态转 移 方 法 等
正 在 研 究 的 属 于 认 识 类模 型 算法
,



都 已 到 达 实 际 应 用 阶段

技 术 已经成 熟

在 信 息融 合 的 初

级 处 理 过 程 中 尚未达 到 实 用 阶段

信 息 融合 结构
目前 还 没 有 多传 感 器 信 息融 合 结构 的 标 准 分 类 传 感器 布置
,

但 和 结 构相 关 的 有 以 下
基 本上 有 另

个 间题 最 常 用 的拓
,

传 感 器 融 合结 构 中最重 要 的 问 题 是 如何布 置 传感 器
扑 结构 是 并行 拓 扑

种类 型 的布置

在 这 种布 置 中
,

,

各 种类 型 的 传 感 器 同 时工作
实 际上
,

种 类 型 是 串行 拓 扑

在这

种 结构 里 构 最后

,

传感器 检 测 信 息具 有 暂 时性 种 类 型 是 混 合拓 扑

图像就属 于 此 结

即树 状拓 扑
,

按 融合 层 次 的 结 构 划 分 多 传 感 器 信 息融 合 根 据 信 息表 征 的 层 次

其 基 本方 法 可 分 为
〔 卜

类 数据 层 融 合 如 图
然后
,

所示

,



征 层 融 合如 图

所示

,

决 策 层 融合 如 图

所示

在数 据 层 融 合 中 识别过 程 声 波 传感 器

,

每 一 个 传 感 器观 测 物 体 并 且 组 合来 自传 感 器 的原 始数 据
, ,

进行特 征 在

此过 程 一 般 是 从 原始 数 据 中提 取 一 个特 征 矢 量 来 完成
,

并 且 根 据 此 特 征做 出 决 策

信息融 合 中

原 始数据 必 须是 匹 配 的

例如
,

传感 器 测量 同一 物理 现 象 如 两个视 觉 图像 或 两 个 超
它 们 必 须 在特 征 层 或决 策 层 融合

相反

,

如 果 传 感 器 不 是 同类 的

数 据 层 融 合 能提

供最 精 确 的 结 果 并 需要很大 的通 讯带宽

















年第 期

传感器
数 据 艺 融


传感 器

识 别

结 果



传感器



数据 层 融 合



特 征 层融 合

传感 器

特 征 提取 取

识别


传感器

特征提取 取

口 策


之、

传感器



特 征提 取

识别 别



决策 层 融 合
,

在 特 征 层 融合 中

,

从 观 测 数据 中提 取 许 多 特 征 矢 量后 把 它 们连 接 成 单个 矢 量
,

下 一 步 进行识



在 该情 况 下

,

需要 的通 讯 带宽减 小
,

结 果 的精 确 性 也 相 应 减 小

,

主 要 是 因 为 在 原 始 数据 中生

成 特 征矢 量 的 同 时

信 息也 在 丢失
,

在决 策层 融合 中

每 一 个 传感 器 依 据 本 身 的 单 源 数 据 做 出决 策
种 结构 中
,

这 些 决 策 被 融 合 生 成 最后 的

决策


,

在上 面 阐述 的
,

精 确性 是最 差 的
, ‘
,

,

但 需 要 的 带宽 最 小
,

总之

上述

个 层 次 的 信 息 融合 都 各 有 其 特 点


在 具体 的应 用 中应 根据 融 合 的 目的 和 条件选



对 它 们的 特 点进行 了 综 合 比 较

融合层 次 像素级 特征 级
决策级

种 融合 层 次 的 特 点 比 较
精度
高 中


信息损 失
小 中 大

实时性


容错性
差 中 优

抗干扰力
差 中

计算 量



融合水平

中 高

中 好





多 传 感 器 信 息融 合 技 术 研 究 现 状 和 发 展 趋 势

多传感 器 信 息 融 合 的 方 法
多源 信 息 的融 合 是 指 整 个 集 成 过 程 中 方法
, ,

实 现 来 自多 种 信 息 源 的 信 息 间统 一 合 并 的 具 体 阶段 与
,

因 此 它 是 整 个 多 源 信 息集 成 系 统 中 的关 键 技 术

其 好 坏 关 系 到 整 个 系 统 的 效率 与集 成 信 息
,

的准 确 性 与 可靠性

在 多 传感 器 感 知 系 统 中

,

各 信 息 源 提 供 的 信 息都 具 有 一 定 程 度 的 不 准 确 性

因 此 对 这 些 具有 不 确 定 性 的 信 息 的融 合过 程 实 质 上 是 一 个 非 确 定 性 推理 与决策 的过 程 目前 主 要 有 以 下 几 种 方 法
贝 叶斯 估 计
,

贝 叶斯估 计是 融 合静 态 环 境 中多 传 感 器 低 层 数 据

的一 种常 用 方 法


,

其 信 息 描述 为 概 率分 布 适 用 于 具 有 可 加 高 斯 噪声 的不 确 定
,

多 贝 叶斯 估 计
卡 尔曼



将 任务 环 境 表 示 为 不 确 定 几 何 物 体集 合 多 传感 系 统 模 型
加 权 平均 法
,

提 出 了 多传感 器 信 息融 合

的 多 贝 叶斯估计
滤波

作 为数据 层 的融 合算 法
文 献 采 用此 方 法

,

此 方 法 最 简单 也 最 直 观
,

卡 尔 曼滤 波 用 于 实时融 合动 态 的 低 层 次冗 余 传 感 器 数 据

该 方法 用 模 型 的统计特性 递 推决
采 用统 计决 策 理 论


定 统计 意 义 下 最 优 融 合数据估计 方 法 是 贝 叶斯方 法 的 推 广
,

统计 决策 理 论

为多传感 器 产 生 的 冗 余 定 位 信 息 融 合 提 出 了 分 两 步 广 义 方 法

,

证据 推 理







介 绍 此 种方法
,

带有 置 信 因 子 的 产 生 式 规 则
,

此法

主 要 用 于 符号 水平 层 表 达 传 感 器 信 息和 信 息 属 性 两 者 的关 系

这 种 不 直 接 基 于 传 感 器 信 息 的方 法 如专 家 系 统
,

很 容 易 与 基 于 传感 器 信 息 的规 则 相 结 合
人 工 神 经 网络
‘ 「,
,

从 而 作 为 整 个高 层 推 理 系 统 的一 部 分



和 模糊 推 理

’ ‘今

,

神 经 网 络 用 于 多 传感 器 信 息融合 是 近 年来发 展 的 新 方 法
选 择 神 经 网 络 的拓 扑 结 构
,



致 可分 为 以 下

个 步骤
,

根 据 系统 要 求 及 融 合 方 式
函数
,

将 各 传 感 器 的输 入 信 息处理 为 一 个 总 体输 入 函 数
对传感 器 输 出 信 息进行 学 习 输 入 模 式 作 出解 释 络 参数
, ,


并将 此 函 数 映 射 定 义 为相 关 单 元 的 映 射
,

它 通 过 神经 网 络 与 环 境 的 交互 作 用 把 环 境 的统计规律 反 映 到 网 络 本身 的 结 构 中

理 解及 确 定 权 值 的 分 配

完成 知 识 获取 和 信 息 融 合 概念
,

,

进而对

将 输 入 数 据 向量 转 化 成 高 层 逻 辑
,

符号

此 融 合 方 法具 有 如 下 特 点

具 有 统 一 的 内部 知 识表 达 式

通过学 习 算 法
,

,

可 将 网 络 获 得 的 传感 器 信息进 行 融 合
利 用外 部 环 境 信 息
, ,

获得 相 应 网

巨可 将 知 识 规 则 转化 成 数 字形式

便 于 建立 知识 库

便 于 实 现 知识 使

自身获 取 及 并行 联 想 处 理
得 神经 网络
, 〔

能 将 不 确 定 环 境 的复 杂 关 系经 过 学 习
,

融 合 为 系统 能 够 理 解 的 符 号


由于 神 经 网 络 具 有 大 规 模并行 处 理 能力

使 得 系统 处 理速 度快
,



对 多超 声 传感 器 的 信 息进 行 融 合
多 传 感 器 系 统 中各 信 息 源提 供 的 环 境 信 息 具 有 一
此 法 首先
,
,

模糊 逻 辑 推 理 实 际 是 一 个 不 确 定 推 理 过 程
定程 度 的 不 确 定 性

同 时 对 这 些 不 确 定 性 信 息 的 融 合 过 程 也 就是 一 个 不 确 定 推 理 过 程
,

对多 传感 器 输 出 进 行 模 糊 化

将 所 测 得 的 物理 量
, ,

如距离
,

进行 分 级

,

用 相应 的 模 糊 子 集 表 示
,

并 确 定 这 些 模 糊 子 集 的隶 属 函 数

每 个 传感 器 的 输 出 值 对 应 一 个隶 属 函 数
红 外线 等信 息进 行 融 合
,

再通 过 一 个 融 合算 法 使 用此
,,

将 这 些 隶 属 函 数进 行综 合 处 理
,

最 后 将其 结果 清 晰 化


求 出 非模糊 的融 合值
并 将 融 合结 果 用 于 移 动机器 人

方 法 对 简单 的 传 感 器 如 超 声波

,

定位

多传 感 器 集成 系 统 的 控 制 结 构
控 制结构 用 于 整 个 集 成 与融合 过 程 的 控制 主 要 用 以 在 多 传 感器 集成 系统 中根据信 息 的来 源
,


处 理 目标 和 环 境特 点 选 择 控制 信 息 集成 过 程 的 总 体方 法 与结 构 致 将 它 们分 为 以 下 几 类

目前所使 用的方法 归 纳 起 来 可大


自适应 学 习















年第 期

将 自适 应学 习 用 于 多 传 感 器 控 制 的机 器 人 控制 结构 的限 制
,

实验 中体 现 了 动 作 度 受 传 感 器 分 辨 率 限 制 而 不 受
,

自适 应 学 习 是 一 种控 制 方 法
,

系 统 由相 关 控 制 信号 的 表 示 样 本 示 教
,

,

与 信号 范
,

围内传感 器 输 出 相 连

并 使传 感 器 输 出 与 系 统 相 互 作 用

在 与 示 教 状 态 相 结合 的 基 础 上
,

系统能

正 确 响应 与 适 当 的 控 制 信 号 相 结合 的 任 何 传感 器 输 出
面 向 目标 法

系 统 不 需 要先 验 的相关 知 识

期 望 控制 信

号 以 及 与 它 们相关 的 传感 器 输 出 是 自适 应学 习 方法 的 特 征

将 目标 表 示 为 类别



,

系 统 根 据 各 种 传感 器 性 能 特 点 和 具 体 的 目标类 别
,

,

用 由程 序编制 的





激 活 特 定 传 感器 处 理过 程
,

进行 信 息 处 理

该方法 使 具有 相 同功 能 特 性 的 不 同的实 际 传 感 器
,

能够相 互 交 换 使用

从 而 建 立 了 任 务 与具体 传 感 器 之 间的 对应关 系

提 高 了整 个 系 统 的 可靠性

分 布式 黑 板 系 统

黑 板 结构 能 使 多 传 感 器 系 统 中 的 分 布 子 系 统 之 间的 通 讯 实 用 而 合理

每 一 个 子 系 统 送 出具 有
,

时 间 标记 的概 括 信 息到 黑 板 结 构 中

,

输 出上 的时 间标 记进入 黑 板 后
,

,

传 感 器 信息进行 匹 配
,

此时

传感 器 信 号 适 合 于 集 成 和 融 合
用 任何 融 合方 法
,

,

黑 板 中可 包含 集成 时所 需 的 任何 系 统 信 息

对 黑 板 的输 出

,

可采

采 用 黑板 结 构 比 较 多 传感 器 不 同 的融 合 方法

并 将 其 用 于 自主 车 控 制

多传 感 器 信 息 融合 技 术 的发 展 趋 势
随着 传感 器 技 术
据 处 理 的重要 技 术
和 广 义 融 合模 型 算 法


数据 处 理 技 术
,



计 算 机技 术



网 络通 讯 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 信 息融合 必 将 成 为未来 复 杂工业 系 统智 能检 测 与数

下面 总 结 它 的未 来 发 展 趋 势

根据 融 合 的应 用 研 究 已 是 如此 广 泛
, ,

但其 绝

大 多数 工 作 都是 针 对特 定 应 用 领 域 内的 问 题 来 开 展 研 究

因 而 需要 建 立 统 一 的 信 息 融 合基本 理论

人 工智 能 可使 系统 本 身具 有 较 好 的柔 性 和 可 理 解性
,

同 时 还 能处 理复 杂 处理 器 结构 将朝 并

的 问题

,

因 而 在未 来 的 信息融 合技 术 中利 用 人 工智 能 的 各种 方法
,

以 知 识 为 基 础 构 成 多 传感 器 信
,

息 融 合 将 继 续是 其研 究趋 势 之 一
行 体结构发 展 点

为 了在 现 实世 界 实现 多 传 感 器 信 息融 合
,

传 感 器 功 能并行 结 构 和 算 法 功 能 的并行结 构
,

分布 式 处 理 结 构所具有 的独 特优


信道 容 量要 求 低
,

系统 生 命 力 强

工 程 易于 实 现

,

使其在检 测
, ,

估计



跟 踪 方 法 进 一步 发 展
,

我 国 已 开 展 了 对 多传感 器 信 息融 合 技 术 的 研 究 工 作

并取 得 一 定 的成 绩
笔 者 认为
,

但 和 国外相 比

,



究水 平 差 距 明显
手 法
,

尚有 许 多工 作 要 做
,

对 于 今后 的研 究 工 作

充分 利 用 我 国 已 研 制 的 各种 传感 器 来发 展 多 传 感 器 系 统 逐 步 向 多 目标 发 展

首先 从 具 体 的 有 限 的应 用 目标入
,

并 尽 快从 探 索性 基 础 研 究 提 高 到 应 用 研 究 层 次 上
,

对 基 础 理 论 和 方 法 的研 究

应 积极 跟 踪 国 外 最 新 研 究成 果

在 此 基础 上 研 究 新 的理 论和方
,

人 工 智 能技 术 在 信 息融 合 中 的 应 用 已 是 国 外研 究 的 一 个 热 点

我 国 也应 尽 快 开 展 这方 面 的

研究

,

跟 上 国 外 的 研 究步 伐

结 束语
多 传感 器 融 合 和 集 成技 术是 实 现 新 一 代 智 能 机 器 人 或 智 能 系统 的 关键 技 术



美国
,



日本





法国



加 拿大 等 国 都 非 常重 视

从 我 国 机 器 人 研 究 所检索 的 外 文 数 量 来 看
, ,

日本



美 国的 作

者 占多 数

,

而且 他 们 的研 究大 部 分都 结 合 机器 人 或 其 它 应用 领 域 中 的实 际 问 题

具有 针对性
,

多传感 器 融 合 技术 在 国 际 上 经 多 年 的 研 究

虽 无非 常成熟 和 完 善 的理 论 和 方 法

但 在 信 息融

多 传感 器 信 息 融 合 技 术研 究 现 状 和 发 展 趋 势

合 的各 个 方 面 已 取 得 不 少 成 果
和 应 用研 究
,

应 该重 视 这 种 新 型 的 信 息 处 理 技术

,

积 极 开 展 该 领域 的基 础 理 论

在 多 传 感器 信 息 融 合 的理 论 体 系 与 应 用 研 究 中作 出贡 献

参考 文 献
,


,

,



张 明路


,

孟庆 浩

,

,

彭 商贤
,

基 于 多传感 器 的移 动机 器 人 对 感 知 环 境 的识别

天 津 大 学学 报 【

自然科学与工 程 技 术版
,

,

,

,



敬忠 良
【」

基 干 模 糊神 经 网 络 和
, ,



推理 的 智 能 特 征 信息融 合 研 究


信息与控制


,

,




,

拓 贾永 红

,

李德 仁
,

,

孙 家柄

多源 遥 感 影 像数据 融 合

遥 感 技 术与 应用


,


, ,



李军


,

周 月琴
,

影 像 局 部 直方 图 匹 配 滤 波技 术 用 于 遥 感 影 像 数据融 合

测绘 学报




,

,




,




,



游 林儒
【 」 【
【 」

,

张晋格
,

一 种 多源 信息融 合方法 及 其 应 用
,

哈 尔滨 工业 大 学学 报


,

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【 」



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【 」

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【 【
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【 」


,

,



【 」 」

,

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,



,


,

,

,









,



,



,



,

,

,

,
, , ,


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