傳感器融合技術(shù)起源

傳感器融合技術(shù)源于數(shù)據(jù)融合技術(shù)。1985年，美國(guó)國(guó)防部試驗(yàn)室聯(lián)合理事會(huì)（JDL）所屬的數(shù)據(jù)融合研究小組（即后來(lái)的數(shù)據(jù)與信息融合研究小組）首次提出了數(shù)據(jù)融合模型。

該模型歷經(jīng)數(shù)次改進(jìn)，現(xiàn)作為數(shù)據(jù)功能分類的一種參考標(biāo)準(zhǔn)，已得到廣泛運(yùn)用，其有效增強(qiáng)了各個(gè)層次作戰(zhàn)單位的態(tài)勢(shì)感知能力。

傳感器融合技術(shù)或許也可以稱作“情報(bào)融合技術(shù)”——這也是當(dāng)初數(shù)據(jù)融合研究小組對(duì)“信息融合”中“信息”一詞的擴(kuò)大化解釋——因?yàn)樵摷夹g(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)的整合分析。在這一過(guò)程中，來(lái)自多個(gè)傳感器（影像/雷達(dá)/信號(hào)情報(bào)/運(yùn)動(dòng)覺(jué)察器等）的定位與識(shí)別數(shù)據(jù)得到融合，生成一個(gè)有效的合成“圖像”，并且能夠消除重復(fù)軌跡和定位偏差，產(chǎn)生最準(zhǔn)確的目標(biāo)引導(dǎo)信息。其最終成果涵蓋了視覺(jué)、電子與語(yǔ)言信息，情報(bào)評(píng)估能力完全達(dá)到了“1+1＞2”的效果。

美國(guó)海軍協(xié)同作戰(zhàn)能力系統(tǒng)（CEC）是傳感器融合技術(shù)的早期典型應(yīng)用實(shí)例。該系統(tǒng)由雷神公司（Raytheon）設(shè)計(jì)制造，結(jié)合AN/USG-2(V)型協(xié)同作戰(zhàn)傳輸處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)艦艇與戰(zhàn)機(jī)之間的系統(tǒng)信息共享，填補(bǔ)各系統(tǒng)信息覆蓋范圍的空白，理清模糊或不夠全面的數(shù)據(jù)信息，從而提高應(yīng)對(duì)空中與導(dǎo)彈襲擊的防御能力。尤其在近海區(qū)域，由于地面情況復(fù)雜而難以獲得可靠雷達(dá)圖像的時(shí)候，效果更加明顯。

2001年4～5月作戰(zhàn)評(píng)估完成之后，CEC逐步被推廣到整個(gè)美國(guó)艦隊(duì)。

傳感器融合技術(shù)具備強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)

傳感器融合技術(shù)的運(yùn)用主要具有以下強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)——

傳感器融合技術(shù)能夠發(fā)揮出不同類型傳感器之間的互補(bǔ)作用

舉例來(lái)說(shuō)，艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)（IRST）和多功能雷達(dá)目標(biāo)指示數(shù)據(jù)相結(jié)合，就能夠減少冗余信息，提高目標(biāo)跟蹤、分類與識(shí)別能力（尤其是在應(yīng)對(duì)機(jī)動(dòng)性與隱蔽性較強(qiáng)的威脅時(shí)），同時(shí)也能夠有效縮短目標(biāo)識(shí)別的時(shí)間。

對(duì)空中/地面的作戰(zhàn)行動(dòng)而言，在過(guò)去的二十幾年里，傳感器融合信息的發(fā)展促使印有作戰(zhàn)信息的紙質(zhì)作戰(zhàn)地圖，進(jìn)化為計(jì)算機(jī)環(huán)境下的“地理空間信息”。判讀分析，得出結(jié)論，做出決策，信息最終轉(zhuǎn)化為地理空間情報(bào)——這便是地理空間情報(bào)系統(tǒng)（GISs）。其已經(jīng)成為數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的一種重要工具，在C4ISR戰(zhàn)略系統(tǒng)或者區(qū)域性戰(zhàn)術(shù)指揮與控制應(yīng)用系統(tǒng)中發(fā)揮著構(gòu)建性作用。

如果某份信息中含有一個(gè)可確認(rèn)的位置，那么它就可以進(jìn)入地理空間情報(bào)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為電子地圖的一部分。2011年1月，英國(guó)國(guó)防部的John Kedar上校在倫敦舉行的國(guó)防地理空間情報(bào)會(huì)議上說(shuō)，此類信息正逐步成為“情報(bào)的基石”。而這一點(diǎn)也得到另一位重要與會(huì)者，英國(guó)國(guó)防部皇家空軍中將Stuart Peach的肯定。Stuart Peach說(shuō)，在阿富汗赫爾曼德河地區(qū)活動(dòng)的特遣部隊(duì)能夠得到高達(dá)352層級(jí)的地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)，其中包括地圖、地質(zhì)概況、氣象、農(nóng)業(yè)、種族分布以及各種來(lái)源的圖像資料。因此，這種傳感器融合系統(tǒng)——地理空間情報(bào)系統(tǒng)正快速成為軍事行動(dòng)中不可或缺的組成部分。

作為情報(bào)的一種類型，圖像資料的重要性當(dāng)然毋庸置疑。對(duì)同一地區(qū)24小時(shí)前后兩張圖片進(jìn)行對(duì)比，就可能發(fā)現(xiàn)重要變化，比如某個(gè)目標(biāo)的進(jìn)入情況。更長(zhǎng)期的跟蹤就可以了解特定區(qū)域的“常態(tài)”情況。

各種類型的圖像——光電（EO）、紅外（IR）、合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像，都屬于地理空間情報(bào)的數(shù)據(jù)層。圖像的來(lái)源平臺(tái)也多種多樣：衛(wèi)星、偵察機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)以及陸基或?；到y(tǒng)。這些圖片可以是原始的或處理過(guò)的，也可以是來(lái)自單個(gè)來(lái)源或者融合創(chuàng)造出來(lái)的，通常都會(huì)在地面站或者一組處理器與顯示器中匯總，然后再由復(fù)雜的相關(guān)軟件進(jìn)行處理。

英國(guó)情報(bào)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是一種對(duì)各種傳感器得到的圖像進(jìn)行綜合處理的系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由古德里奇（Goodrich ISR）公司的傳感器地面站升級(jí)而來(lái)，升級(jí)后被命名為“攻擊者”，能夠處理的輸入數(shù)據(jù)包括全動(dòng)態(tài)視頻影像、合成孔徑雷達(dá)/地面移動(dòng)目標(biāo)指示器（SAR/GMTI）影像、光電或者紅外傳感器所獲信息，以及二級(jí)情報(bào)素材，比如靜止圖像、人力情報(bào)報(bào)告、地理空間情報(bào)系統(tǒng)圖繪信息和來(lái)自軍隊(duì)保護(hù)傳感器的信息。按照古德里奇公司的說(shuō)法，“攻擊者”系統(tǒng)能夠完成圖像及相關(guān)元數(shù)據(jù)的存檔，并以接近實(shí)時(shí)的速度向客戶端進(jìn)行群發(fā)。

另一套最新面市的產(chǎn)品是以色列拉斐爾先進(jìn)防務(wù)系統(tǒng)公司（Rafael Advanced Defense Systems of Israel）的ImiLite多信源多任務(wù)圖像情報(bào)處理系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)理念就是以統(tǒng)一方式接收、開(kāi)發(fā)、處理多信源圖像和數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向獲得授權(quán)的終端用戶與客戶端發(fā)送相關(guān)報(bào)告和素材。

ImiLite圖像情報(bào)處理系統(tǒng)包括3個(gè)子系統(tǒng)：高級(jí)IP服務(wù)器組件，能夠?qū)怆?、紅外、合成孔徑雷達(dá)/地面移動(dòng)目標(biāo)指示器、影像傳感器的原始數(shù)據(jù)同時(shí)接收并實(shí)時(shí)進(jìn)行空間參照對(duì)比；可升級(jí)地理空間情報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠快速記錄、存取原始與已處理圖像數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)層，并深入進(jìn)行圖像分析與研究；高級(jí)多用戶圖像開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，能夠顯示、處理、開(kāi)發(fā)、分析并發(fā)送以各種標(biāo)準(zhǔn)或客戶定制標(biāo)準(zhǔn)形成的報(bào)告。

其實(shí)，第3個(gè)子系統(tǒng)——高級(jí)多用戶圖像開(kāi)發(fā)系統(tǒng)基本上是為了與該公司的Reccelite吊艙協(xié)同而設(shè)計(jì)的地面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。荷蘭和意大利空軍（此前還有德國(guó)空軍）在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)都應(yīng)用了Reccelite吊艙系統(tǒng)。該系統(tǒng)可收集“蒼鷺”無(wú)人機(jī)的光電/紅外信息以及合成孔徑雷達(dá)/地面移動(dòng)目標(biāo)指示器所獲信息。

拉斐爾公司表示，ImiLite系統(tǒng)已經(jīng)獲得數(shù)家潛在客戶的青睞，其中包括英國(guó)國(guó)防部。

傳感器融合技術(shù)能夠提高圖片的清晰度

在只有一種類型傳感器的情況下，可能會(huì)因?yàn)樘鞖饣驊?zhàn)場(chǎng)情況，無(wú)法獲取目標(biāo)區(qū)域的清晰圖片。比如，光電/紅外圖片就會(huì)因?yàn)樘鞖舛霈F(xiàn)模糊的情況，但是只要覆蓋上一張合成孔徑雷達(dá)的圖片，云層之后的目標(biāo)就無(wú)處藏身了。

雷達(dá)對(duì)于垂直目標(biāo)更加靈敏——比如墻體、建筑物、樹(shù)木和桅桿——而光電成像則對(duì)物體表面比如顏色等參數(shù)更加敏感。將光電成像的圖片，覆蓋到合成孔徑雷達(dá)成像的圖片，能夠提高識(shí)別目標(biāo)的能力，并且可以確認(rèn)某個(gè)地點(diǎn)在不同時(shí)間點(diǎn)的變化情況。對(duì)兩張不同時(shí)間拍攝的照片測(cè)量對(duì)比，根據(jù)波長(zhǎng)的變化可以精確測(cè)定出土壤的變化——可能埋入了簡(jiǎn)易爆炸裝置或者曾有可疑車輛經(jīng)過(guò)。

塞萊克斯?伽利略（Selex Galileo）公司正在研發(fā)一種所謂的“高度集成具有光電偵察能力的輕型集成有源相控陣（AESA）”系統(tǒng)，可應(yīng)用于偵察機(jī)或無(wú)人機(jī)。該系統(tǒng)集成了一套光電系統(tǒng)（包括中波紅外640×512像素天線陣探測(cè)器，一架彩色日用電視攝像頭以及1.57μm脈沖激光主動(dòng)成像設(shè)備），以及PicoSTAR有源相控陣X波段2-D雷達(dá)（具有條帶成像、聚束成像以及地面動(dòng)態(tài)目標(biāo)指示能力）。2011年2月，伽利略公司宣布該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入“開(kāi)發(fā)階段”，并表示“雷達(dá)子系統(tǒng)的空中試驗(yàn)已經(jīng)啟動(dòng)，不久即將試驗(yàn)光電系統(tǒng)”，但其性能細(xì)節(jié)尚不得而知。

另外一套更加復(fù)雜的雷達(dá)與光電/紅外傳感器集成系統(tǒng)屬于美國(guó)“暗影捕獲（Shadow Harvest）”項(xiàng)目的一部分。該系統(tǒng)最初是國(guó)防部某個(gè)情報(bào)機(jī)構(gòu)的計(jì)劃項(xiàng)目，但是從2008年起得到美國(guó)南方司令部的贊助支持。與“暗影捕獲”項(xiàng)目相關(guān)的傳感器與設(shè)備已配備至一架C-130H型運(yùn)輸機(jī)，其中包括動(dòng)態(tài)空中任務(wù)系統(tǒng)、機(jī)載多重現(xiàn)象學(xué)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)、諾斯羅普?格魯曼(Northrop Grumman)公司的低頻多波段合成孔徑雷達(dá)，以及英國(guó)BAE系統(tǒng)（BAE Systems）公司的光譜紅外遠(yuǎn)程圖像傳輸試驗(yàn)臺(tái)（SPIRITT）傳感器。據(jù)說(shuō)，2010年9月，內(nèi)華達(dá)州空軍國(guó)民警衛(wèi)隊(duì)第152空運(yùn)聯(lián)隊(duì)在阿富汗完成了部分“暗影捕獲”項(xiàng)目的部署。

這些系統(tǒng)的運(yùn)用，將使光電圖像與孔徑雷達(dá)圖像融合，獲得更清晰的圖像資料。

多波段+圖像分辨率提升+硬件設(shè)備體積減小，使圖像融合技術(shù)更趨完善

美國(guó)空軍U-2型高空偵察機(jī)長(zhǎng)期占據(jù)遠(yuǎn)程離岸搜集高分辨率圖像的橋頭堡。該偵察機(jī)配備了雷神公司的ASARS 2/2A型高級(jí)合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)以及古德里奇公司的SYERS-2型“畢業(yè)生”（Senior Year）光電偵察系統(tǒng)。據(jù)說(shuō)，“畢業(yè)生”系統(tǒng)能夠在七個(gè)波段工作：綠光波段（具有距離、分辨率和覆蓋區(qū)域上的優(yōu)勢(shì)）；紅光波段；近紅外波段（有效可視）；短波紅外波段（雙頻道）；中波紅外波段（雙頻道——一個(gè)可通過(guò)調(diào)諧適應(yīng)日間與夜間工作，另一個(gè)為備頻）。因此，“畢業(yè)生”系統(tǒng)是一套多重光電/紅外傳感器系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于多種傳感器具有天生互補(bǔ)的特性：一方因?yàn)榇髿馑p、光線或者日效應(yīng)等原因效果不佳時(shí)，另一方可清晰成像。

盡管不同波段傳感器可以實(shí)現(xiàn)圖像相互覆蓋、對(duì)比和關(guān)聯(lián)，但是這樣的系統(tǒng)絕非完整意義上的“融合”系統(tǒng)，還有待其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)一步完善。

圖像分辨率這個(gè)參數(shù)近幾年得到了飛速提升。10年前，640×480像素的陣列格式就被認(rèn)為屬于高分辨率。此后，陣列格式一路飆升至1024×1024、1260×720、1920×1080，而且通過(guò)處理，分辨率還能夠進(jìn)一步提升。

此外，硬件設(shè)備在體積上日益減小，因此將可精確定位的測(cè)量裝置直接安裝在轉(zhuǎn)塔平臺(tái)上也成為可能。

傳感器融合技術(shù)完全自動(dòng)化值得期待

目前，傳感器融合技術(shù)還未達(dá)到完全自動(dòng)處理，從大量數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)選取有用信息仍然需要人員參與。雖然在傳輸方面的技術(shù)進(jìn)步減少了從探測(cè)到交戰(zhàn)（傳感器到射手）之間的傳輸次數(shù)，傳輸過(guò)程仍然相對(duì)比較緩慢。

自動(dòng)化傳感器融合處理技術(shù)尚處于形成階段。這一技術(shù)未來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)帶寬利用率與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息的時(shí)間效率具有重要意義，自然備受關(guān)注。

據(jù)相關(guān)工業(yè)人士透露，當(dāng)前最大的挑戰(zhàn)是“如何獲取在動(dòng)態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)向終端用戶提供有用信息的正確算法?！边@里存在諸多技術(shù)問(wèn)題，許多問(wèn)題的解決都要依賴傳感器或者軟件的發(fā)展。而且即使算法解決方案切實(shí)有效，系統(tǒng)的復(fù)雜性和硬件的高成本也不得不納入考量范圍。現(xiàn)階段上述成本非常昂貴。

不過(guò)，傳感器融合技術(shù)并未因此停下前進(jìn)的腳步。就像2011年2月，諾斯羅普?格魯曼公司（Northrop Grumman）的情報(bào)監(jiān)視與偵察任務(wù)區(qū)域總監(jiān)Trip carter所說(shuō)，多傳感器多情報(bào)融合技術(shù)將是該公司在傳感器未來(lái)發(fā)展道路上“永遠(yuǎn)追求的圣杯”。

編輯/劉蘭芳