中國戰(zhàn)斗機信息融合與傳感器技術(shù)發(fā)展

　　在未來的戰(zhàn)爭中，制信息權(quán)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(shè)備。因此，各種面向復(fù)雜應(yīng)用背景的軍用多傳感器信息系統(tǒng)也隨之大量涌現(xiàn)，戰(zhàn)場指揮官和戰(zhàn)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(xiàn)出多種表現(xiàn)形式。因此，從20世紀(jì)70年代起，一門新興的學(xué)科--多傳感器信息融合技術(shù)迅速發(fā)展起來。信息融合技術(shù)在誕生后短短的幾十年里得到了快速發(fā)展，在現(xiàn)代C3I（指揮、控制、通信和情報）系統(tǒng)、各種武器平臺上以及民用領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

　　一、信息融合的定義和研究范圍
　　　　
    早在20世紀(jì)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(xiàn)于一些公開出版的技術(shù)文獻(xiàn)中。在其后的較長一個時期，人們普遍使用"數(shù)據(jù)融合"這一概念。但從20世紀(jì)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(lǐng)域一般把信息融合定義為：一個利用計算機技術(shù)對按時序獲得的多個傳感器的觀測信息，按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行檢測、互聯(lián)、相關(guān)、估計和組合的自動分析、優(yōu)化綜合的信息處理過程，其目的是為了獲得更準(zhǔn)確的狀態(tài)和身份估計，以及完整而及時的戰(zhàn)場態(tài)勢和威脅估計?？梢灾貜囊韵氯齻€方面理解這個定義：第一，信息融合是一個利用計算機技術(shù)進(jìn)行自動信息處理的過程，沒有計算機技術(shù)的應(yīng)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(lián)、相關(guān)、估計和組合的方方面面，它是一種在多個層次上實現(xiàn)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(jié)果既包括在較低層次上的狀態(tài)和身份估計，還包括在較高層次上的整個戰(zhàn)場態(tài)勢估計和威脅估計。

　　從這一定義可以看出，計算機技術(shù)是信息融合的基礎(chǔ)，多源信息是信息融合的加工對象，協(xié)調(diào)優(yōu)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(shù)是為了解決由于同一個系統(tǒng)使用多個傳感器或多個系統(tǒng)使用多個傳感器問題的一種信息處理技術(shù)，因此信息融合的研究范圍主要是多傳感器系統(tǒng)，包括對多種目標(biāo)的探測、識別和跟蹤，以及戰(zhàn)場監(jiān)視、態(tài)勢和威脅評估、決策支持等，主要集中在軍事領(lǐng)域。作為一種信息綜合和處理技術(shù)，信息融合實際上是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)相結(jié)合的一個邊緣新興學(xué)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(xué)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等眾多學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容。

　　因此，信息融合就是將來自多傳感器或多源的信息進(jìn)行綜合處理，從而得到更為準(zhǔn)確、可靠的結(jié)論，以達(dá)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(jù)知識和經(jīng)驗并按其習(xí)慣的思路對信息進(jìn)行處理，以提出解決問題的方案。在信息融合系統(tǒng)中，感官就是系統(tǒng)的各種傳感器，經(jīng)驗相當(dāng)于統(tǒng)計學(xué)中的先驗知識，思路便是人們常說的模型、算法，根據(jù)多傳感器信息進(jìn)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(diào)配，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或補充信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進(jìn)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(yīng)用及其特點
　　
　　信息融合在軍事上的應(yīng)用絕大部分是在敵對的現(xiàn)實世界中進(jìn)行的。在敵對的現(xiàn)實世界里，被觀測目標(biāo)的運動狀態(tài)基本上是未知的、難以預(yù)測的或不易確定的，它與傳感器系統(tǒng)之間的關(guān)系是敵對的、不合作的，它會利用速度快、機動性強的優(yōu)勢躲避傳感器的探測，甚至干擾傳感器的探測或發(fā)送虛假信息，傳感器獲得的信息可能是不連續(xù)的、間斷的，數(shù)據(jù)率也基本上是不固定的。被觀測目標(biāo)的這些特點對信息融合系統(tǒng)提出了較高的要求，如系統(tǒng)要有可變的響應(yīng)特性，快速、精確的信息處理能力，必要時還要求人工干預(yù)等。
　　
　　近些年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軍事斗爭領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新情況、新特點，同時，也進(jìn)一步促進(jìn)了信息融合在軍事領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，這些新特點主要有：
　　
　　一是信息化軍事裝備的大量應(yīng)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(wèi)星、全球定位系統(tǒng)、各種類型的數(shù)據(jù)鏈、預(yù)警機、網(wǎng)絡(luò)化的指揮通信系統(tǒng)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(shù)提出了很高的要求，即要發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)滿足信息融合的需要。
　　
　　二是傳感器數(shù)量和品種的急劇增加。在信息化戰(zhàn)爭的大背景條件下，未來戰(zhàn)場的環(huán)境更加復(fù)雜，敵方作戰(zhàn)武器平臺不僅呈現(xiàn)出品種多和密度大的特點，而且采用了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)后還具有低可觀測性的特點，為了能夠及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，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(shù)。
　　
　　三是目標(biāo)機動性的提高和武器殺傷力的增強。在實現(xiàn)裝備信息化的同時，各種作戰(zhàn)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(biāo)和具有更快的響應(yīng)速度。
　　
　　四是人工成本的增加以及在某些任務(wù)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(dá)到戰(zhàn)爭目標(biāo)的同時卻越來越難以承受戰(zhàn)爭中人員的傷亡，這也要求采用信息融合技術(shù)來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或使用自主式武器系統(tǒng)。

　　四、信息融合的六大關(guān)鍵問題
　　
　　實現(xiàn)信息融合的實際系統(tǒng)面臨著一系列的技術(shù)困難和難題，歸納起來有六大關(guān)鍵問題：信息轉(zhuǎn)換、信息相關(guān)、融合推理、數(shù)據(jù)庫、信息安全和系統(tǒng)評估。
　　
　　1. 信息轉(zhuǎn)換
　　
　　在多傳感器系統(tǒng)中，各傳感器輸出的信息格式、各傳感器對目標(biāo)和環(huán)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(jìn)行融合，首先面臨的問題就是要把它們轉(zhuǎn)換成相同的格式，或者說對不同傳感器的描述進(jìn)行歸一化處理，然后才能進(jìn)行信息相關(guān)處理。信息轉(zhuǎn)換的難處首先在于把這些信息轉(zhuǎn)換成何種信息格式，即要先確定信息轉(zhuǎn)換的格式標(biāo)準(zhǔn)。首先，由于各傳感器對目標(biāo)和環(huán)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(zhuǎn)換格式標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行歸一化處理的難度很大；第二，各傳感器之間的坐標(biāo)變換往往是非線性的，其中的誤差傳遞將直接影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時空校準(zhǔn)；第三，當(dāng)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(jìn)行時域校準(zhǔn)，這也會直接影響信息融合處理的質(zhì)量。
　　
　　2. 信息相關(guān)
　　
　　信息相關(guān)就是要對各傳感器獲得的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。信息相關(guān)的核心問題之一是要克服傳感器測量的不準(zhǔn)確性和干擾等引起的相關(guān)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(guān)計算的復(fù)雜度，開發(fā)出合適的相關(guān)處理算法和模型。
　　
　　3. 融合推理
　　
　　融合推理是進(jìn)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(jìn)行融合處理；對同一傳感器相繼獲得的信息進(jìn)行綜合和狀態(tài)估計，并參照其他信息源的信息進(jìn)行修改驗證；對不同傳感器的相關(guān)信息進(jìn)行驗證分析、歸納綜合、協(xié)調(diào)修改和狀態(tài)跟蹤估計；對新發(fā)現(xiàn)的信息進(jìn)行分析和綜合，如是否需要建立新的目標(biāo)航跡等；開展態(tài)勢決策分析等。
　　
　　融合推理的關(guān)鍵問題是如何面對復(fù)雜的環(huán)境和目標(biāo)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(wěn)健性和自適應(yīng)能力的目標(biāo)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(fù)雜度。
　　
　　4 數(shù)據(jù)庫
　　
　　數(shù)據(jù)庫不僅要及時存儲當(dāng)前各傳感器的測量數(shù)據(jù)，并把它們及時提供給融合推理，還應(yīng)向融合推理提供所需要的各種其他數(shù)據(jù)。與此同時，數(shù)據(jù)庫還應(yīng)存儲融合推理的中間結(jié)果、最終態(tài)勢和決策分析結(jié)果等。數(shù)據(jù)庫既包含當(dāng)前實時數(shù)據(jù)，還包括非實時的先驗數(shù)據(jù)等，它所要解決的難題是容量大、搜索快、開放互聯(lián)性好，并具有良好的用戶接口，因此要開發(fā)出更有效的數(shù)據(jù)模型、有效查找的搜索機制以及分布式多媒體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。
　　
　　5. 信息安全

　　軍用信息融合系統(tǒng)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(shù)據(jù)和最終結(jié)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(quán)限。信息融合系統(tǒng)在實現(xiàn)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(yīng)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(quán)限。為此，必須對各種輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的分類，按照規(guī)定的保密程序及時把信息融合結(jié)果分發(fā)到各級用戶，并保證滿足保密要求。
　　　
  　6. 系統(tǒng)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(tǒng)的功效。由于信息融合理論和技術(shù)的發(fā)展仍處于完善和成熟過程之中，再加上實際應(yīng)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(tǒng)性能評估中用得較多的是各種重要的測量數(shù)據(jù)，如在評價系統(tǒng)的探測性能方面，主要指標(biāo)有探測統(tǒng)計數(shù)據(jù)（探測概率以及虛警率）、關(guān)聯(lián)品質(zhì)（提取特征的精度）、系統(tǒng)反應(yīng)時間等；在評價系統(tǒng)的跟蹤性能方面，主要指標(biāo)有軌跡統(tǒng)計數(shù)據(jù)（能夠跟蹤的目標(biāo)軌跡數(shù)目、漏掉的軌跡數(shù)目、偽軌跡數(shù)目、軌跡改變的數(shù)目等）、軌跡品質(zhì)（特征質(zhì)量、軌跡正確率、軌跡精確度）和反應(yīng)時間（包括跟蹤起始時間和跟蹤結(jié)束時間）；在評價系統(tǒng)的識別性能方面，主要指標(biāo)有目標(biāo)正確分類率、目標(biāo)正確識別率等。 
　　
　　綜上所述，信息是未來戰(zhàn)爭勝負(fù)的決定因素，信息融合是對信息的綜合、優(yōu)化處理和提升，使人們能夠更加全面、準(zhǔn)確、合理、方便地使用信息。深入研究、合理應(yīng)用信息資源，解決信息融合技術(shù)目前所面臨的關(guān)鍵難點問題，使其迅速發(fā)展和完善，是當(dāng)前面臨的迫切而重要的任務(wù)。