中國戰斗機信息融合與傳感器技術發展

??? 摘? 要：論述了信息融合的定義、研究范圍和基本功能，重點分析了信息融合在未來軍事上的應用和特點以及面臨的六大關鍵問題。

　　關鍵詞：信息融合　軍事應用　多傳感器　決策系統

　　在未來的戰爭中，制信息權的爭奪將在很大程度上越來越取決和依賴于各類傳感器設備。因此，各種面向復雜應用背景的軍用多傳感器信息系統也隨之大量涌現，戰場指揮官和戰斗人員所獲得的信息將不再來自于單個傳感器，而是來源于多個傳感器，并呈現出多種表現形式。因此，從20世紀70年代起，一門新興的學科--多傳感器信息融合技術迅速發展起來。信息融合技術在誕生后短短的幾十年里得到了快速發展，在現代C3I（指揮、控制、通信和情報）系統、各種武器平臺上以及民用領域中得到廣泛應用。

　　一、信息融合的定義和研究范圍
　　　　
??? 早在20世紀70年代，基于多傳感器信息綜合含義的概念或名詞開始出現于一些公開出版的技術文獻中。在其后的較長一個時期，人們普遍使用"數據融合"這一概念。但從20世紀90年代開始，"信息融合"的概念逐漸得到廣泛使用。

　　1. 信息融合的定義
　　　　
??? 目前，在軍事領域一般把信息融合定義為：一個利用計算機技術對按時序獲得的多個傳感器的觀測信息，按照一定的準則進行檢測、互聯、相關、估計和組合的自動分析、優化綜合的信息處理過程，其目的是為了獲得更準確的狀態和身份估計，以及完整而及時的戰場態勢和威脅估計。可以著重從以下三個方面理解這個定義：第一，信息融合是一個利用計算機技術進行自動信息處理的過程，沒有計算機技術的應用就不可能有信息融合；第二，信息融合是一種多層次的、多方面的信息處理過程，它涉及到信息檢測、互聯、相關、估計和組合的方方面面，它是一種在多個層次上實現對多源信息處理的過程，而每一個層次都表示了不同級別的信息抽象；第三，信息融合的功能和結果既包括在較低層次上的狀態和身份估計，還包括在較高層次上的整個戰場態勢估計和威脅估計。

　　從這一定義可以看出，計算機技術是信息融合的基礎，多源信息是信息融合的加工對象，協調優化和綜合處理是信息融合的核心。

　　2. 信息融合的研究范圍

　　信息融合技術是為了解決由于同一個系統使用多個傳感器或多個系統使用多個傳感器問題的一種信息處理技術，因此信息融合的研究范圍主要是多傳感器系統，包括對多種目標的探測、識別和跟蹤，以及戰場監視、態勢和威脅評估、決策支持等，主要集中在軍事領域。作為一種信息綜合和處理技術，信息融合實際上是許多傳統學科和新技術相結合的一個邊緣新興學科，它包括了通信、信號處理、模式識別、估計理論、決策論、計算機科學、人工智能和神經網絡等眾多學科和技術領域的內容。

　　因此，信息融合就是將來自多傳感器或多源的信息進行綜合處理，從而得到更為準確、可靠的結論，以達到更好地了解對象的目的。

　　二、信息融合的基本功能

　　通常，人在處理問題時，總是用各種感官（眼、耳、鼻等）去感受信息，然后根據知識和經驗并按其習慣的思路對信息進行處理，以提出解決問題的方案。在信息融合系統中，感官就是系統的各種傳感器，經驗相當于統計學中的先驗知識，思路便是人們常說的模型、算法，根據多傳感器信息進行綜合、分析、判斷，這就是信息融合。人腦信息處理和信息融合處理過程對比如圖1所示。
　
　　由此可見，多傳感器信息融合的基本功能與人腦信息融合的基本功能是類似的。多傳感器信息融合就是充分利用多個傳感器資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理調配，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或補充信息依據某種準則來進行綜合，以獲取對被測對象全面正確的解釋或描述。
　　
??? 三、信息融合在軍事的應用及其特點
　　
　　信息融合在軍事上的應用絕大部分是在敵對的現實世界中進行的。在敵對的現實世界里，被觀測目標的運動狀態基本上是未知的、難以預測的或不易確定的，它與傳感器系統之間的關系是敵對的、不合作的，它會利用速度快、機動性強的優勢躲避傳感器的探測，甚至干擾傳感器的探測或發送虛假信息，傳感器獲得的信息可能是不連續的、間斷的，數據率也基本上是不固定的。被觀測目標的這些特點對信息融合系統提出了較高的要求，如系統要有可變的響應特性，快速、精確的信息處理能力，必要時還要求人工干預等。
　　
　　近些年來，隨著現代科學技術的發展，軍事斗爭領域不斷出現新情況、新特點，同時，也進一步促進了信息融合在軍事領域的發展和應用，這些新特點主要有：
　　
　　一是信息化軍事裝備的大量應用。近20年來，世界各主要軍事大國的軍事裝備信息化的步伐明顯加快，如通信衛星、全球定位系統、各種類型的數據鏈、預警機、網絡化的指揮通信系統等一大批信息化裝備投入使用，這在客觀上就對信息融合技術提出了很高的要求，即要發展相應的技術滿足信息融合的需要。
　　
　　二是傳感器數量和品種的急劇增加。在信息化戰爭的大背景條件下，未來戰場的環境更加復雜，敵方作戰武器平臺不僅呈現出品種多和密度大的特點，而且采用了先進的抗干擾技術后還具有低可觀測性的特點，為了能夠及時發現目標，不得不裝備和使用各種傳感器，從而也不得不需要使用信息融合技術。
　　
　　三是目標機動性的提高和武器殺傷力的增強。在實現裝備信息化的同時，各種作戰武器平臺本身的性能也在日益提高，機動性能越來越強，其攜帶的武器彈藥的殺傷力也越來越強，這就要求在時間上能更早地探測識別目標和具有更快的響應速度。
　　
　　四是人工成本的增加以及在某些任務中操作人員危險性的增加。人的生命是最寶貴的，政治家們在達到戰爭目標的同時卻越來越難以承受戰爭中人員的傷亡，這也要求采用信息融合技術來實現遠程控制或使用自主式武器系統。

　　四、信息融合的六大關鍵問題
　　
　　實現信息融合的實際系統面臨著一系列的技術困難和難題，歸納起來有六大關鍵問題：信息轉換、信息相關、融合推理、數據庫、信息安全和系統評估。
　　
　　1. 信息轉換
　　
　　在多傳感器系統中，各傳感器輸出的信息格式、各傳感器對目標和環境的描述等都是不一樣的，為了能夠把這些不同來源的信息進行融合，首先面臨的問題就是要把它們轉換成相同的格式，或者說對不同傳感器的描述進行歸一化處理，然后才能進行信息相關處理。信息轉換的難處首先在于把這些信息轉換成何種信息格式，即要先確定信息轉換的格式標準。首先，由于各傳感器對目標和環境觀測的角度不同，層次不同，要確定不同層次之間信息的轉換格式標準是困難的，即使是同一層次的信息，各傳感器之間也存在著不同的描述和說明，進行歸一化處理的難度很大；第二，各傳感器之間的坐標變換往往是非線性的，其中的誤差傳遞將直接影響數據的質量和時空校準；第三，當各傳感器信息不是同步獲得時，還需要對異步獲取的信息進行時域校準，這也會直接影響信息融合處理的質量。
　　
　　2. 信息相關
　　
　　信息相關就是要對各傳感器獲得的信息進行關聯處理。信息相關的核心問題之一是要克服傳感器測量的不準確性和干擾等引起的相關二義性，即保持信息的一致性；另一個核心問題就是要控制和降低相關計算的復雜度，開發出合適的相關處理算法和模型。
　　
　　3. 融合推理
　　
　　融合推理是進行信息融合的核心步驟，它所完成的功能主要有：對傳感器獲得信息的取舍做出決定，顯然不是傳感器獲得的所有信息都要進行融合處理；對同一傳感器相繼獲得的信息進行綜合和狀態估計，并參照其他信息源的信息進行修改驗證；對不同傳感器的相關信息進行驗證分析、歸納綜合、協調修改和狀態跟蹤估計；對新發現的信息進行分析和綜合，如是否需要建立新的目標航跡等；開展態勢決策分析等。
　　
　　融合推理的關鍵問題是如何面對復雜的環境和目標不斷機動變化的特性，在難以獲得先驗知識的前提下，建立起具有良好穩健性和自適應能力的目標機動跟蹤模型，以及如何有效地控制和降低推理估計的計算復雜度。
　　
　　4 數據庫
　　
　　數據庫不僅要及時存儲當前各傳感器的測量數據，并把它們及時提供給融合推理，還應向融合推理提供所需要的各種其他數據。與此同時，數據庫還應存儲融合推理的中間結果、最終態勢和決策分析結果等。數據庫既包含當前實時數據，還包括非實時的先驗數據等，它所要解決的難題是容量大、搜索快、開放互聯性好，并具有良好的用戶接口，因此要開發出更有效的數據模型、有效查找的搜索機制以及分布式多媒體數據庫管理系統等。
　　
　　5. 信息安全
　　　　軍用信息融合系統匯集了各類傳感器和信息源的信息，以及信息融合的中間數據和最終結果信息等，這些信息通常具有不同級別的保密要求和訪問權限。信息融合系統在實現信息融合功能的同時，還必須保證這些信息的安全，能夠讓應該使用信息的用戶及時訪問、獲取所需信息，同時又要限制用戶的存取權限。為此，必須對各種輸入輸出數據進行嚴格的分類，按照規定的保密程序及時把信息融合結果分發到各級用戶，并保證滿足保密要求。
　　　
? 　6. 系統評估
　　
　　信息融合的另一個重要問題就是如何量化信息融合系統的功效。由于信息融合理論和技術的發展仍處于完善和成熟過程之中，再加上實際應用的具體問題的千差萬別，要真正建立完整的、實用的評估體系仍是非常困難的。
　　　
? 　目前，在信息融合系統性能評估中用得較多的是各種重要的測量數據，如在評價系統的探測性能方面，主要指標有探測統計數據（探測概率以及虛警率）、關聯品質（提取特征的精度）、系統反應時間等；在評價系統的跟蹤性能方面，主要指標有軌跡統計數據（能夠跟蹤的目標軌跡數目、漏掉的軌跡數目、偽軌跡數目、軌跡改變的數目等）、軌跡品質（特征質量、軌跡正確率、軌跡精確度）和反應時間（包括跟蹤起始時間和跟蹤結束時間）；在評價系統的識別性能方面，主要指標有目標正確分類率、目標正確識別率等。
　　
　　綜上所述，信息是未來戰爭勝負的決定因素，信息融合是對信息的綜合、優化處理和提升，使人們能夠更加全面、準確、合理、方便地使用信息。深入研究、合理應用信息資源，解決信息融合技術目前所面臨的關鍵難點問題，使其迅速發展和完善，是當前面臨的迫切而重要的任務。