趙辰冰， 齊占輝， 張鎖平

(國家海洋技術中心，天津 300112)

基于信息融合技術的多傳感器大氣波導探測研究*

趙辰冰， 齊占輝， 張鎖平

(國家海洋技術中心，天津 300112)

結合我國大氣波導探測技術發(fā)展的實際情況，引入了信息融合技術，介紹并分析了采取多傳感器大氣波導探測的可行性和必要性，提出了信息融合中的關鍵技術。結合GNSS探測大氣波導和氣象水文模型計算大氣波導2種方法的特點，初步建立了多傳感器大氣波導探測系統(tǒng)的信息融合體系結構。

大氣波導； 信息融合； 多傳感器探測

0 引 言

受大氣折射的影響，電磁波會被限制在一定厚度氣層內的上下界之間并產(chǎn)生來回反射向前傳播的現(xiàn)象。電磁波的這種傳播方式就像在波導管中傳播一樣，所以,這種現(xiàn)象被稱為電磁波的大氣波導傳播。出現(xiàn)大氣波導傳播現(xiàn)象的氣層稱為大氣波導層。電磁波在大氣波導層中傳播時，電磁波的衰減遠小于在標準大氣中的傳播，因此,大氣波導極大地擴展了電磁波的有效作用距離，從而為遠距離的探測、通信提供了有利條件。由于部分電磁波陷在波導層內傳播，在波導層以上的部分空間形成了電磁盲區(qū)，同樣也會影響相關系統(tǒng)的正常工作。因此,大氣波導的探測技術已成為中外研究人員關注的一個重點問題。

目前，大氣波導探測的主要方法有探空氣球、微波折射率儀等。近幾年，國內外學者提出了利用衛(wèi)星的掩星現(xiàn)象反演大氣波導的方法。中國電波傳播研究所的李玲玲提出了利用GPS負仰角衛(wèi)星與接收站之間的幾何關系推導出存在大氣波導的方位和波導的距離[1]。這種方法可以簡單快捷地得到大地域、長時間段的大氣波導相關結果，但得到結果的空間、時間分辨率較低，準確度也有待提高。探測大氣波導的方法還有利用海表皮水溫和海面某一高度上的風速、溫度、濕度和氣壓等氣象水文參數(shù)，通過氣象水文模型得到近海面大氣折射率的剖面，從而計算出大氣波導的高度。常用的參數(shù)模型有Jeske H等人提出的PJ模型[2]，Babin S提出的A模型[3]，我國劉成國提出的偽折射率模型[4]和利用TOGA-COARE算法的海氣通量模型等[5]。這些模型雖然可以較為準確地模擬大氣折射率廓線，但這種方法覆蓋面積小，只能進行單點測量。若將多種探測方法獲得的信息進行有效的融合，可以使得所測結果的精度和準確度得到提高，并實現(xiàn)大氣波導的立體探測。

本文提出了多傳感器協(xié)同探測的方法，并初步設計了利用多傳感器探測大氣波導的體系結構。

1 多傳感器協(xié)同探測

單傳感器系統(tǒng)，即單一信源在空間上僅僅能覆蓋環(huán)境中的某個特定區(qū)域，不能獲得對象的全部特征，并且傳感器或傳感器連接故障會導致測量數(shù)據(jù)的丟失，甚至導致系統(tǒng)癱瘓或崩潰。依據(jù)單信源提供的信息得到的處理結果往往是不精確的、不完全的。因此，在單傳感器系統(tǒng)的基礎上提出了多源探測，即多傳感器協(xié)同探測的概念。

多傳感器系統(tǒng)較單傳感器系統(tǒng)而言，其優(yōu)勢顯而易見：在時間和空間上具有更寬的監(jiān)視覆蓋范圍；可以選擇最優(yōu)的算法來發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢，更好地提高測量的精度和準度；多傳感器系統(tǒng)較單傳感器系統(tǒng)也具有更強的抗干擾性能[6]。近年來提出的很多大氣波導探測方法，應用于海面多種形式的載體，形成了多種探測來源，例如：1)岸基、島基建立大氣波導探測系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)有的海洋站等觀測站資源進行長期固定點的利用GNSS[7]和水文氣象模型進行的大氣波導探測；2)浮標式的大氣波導探測系統(tǒng)，具有定位功能，可測得所在位置的大氣波導；3)船載大氣波導探測系統(tǒng)，可以形成移動的海上大氣波導觀測網(wǎng)。

為優(yōu)化大氣波導探測的性能并提高探測的分辨率，采用的多傳感器探測獲得的數(shù)據(jù)需要利用信息融合技術進行有效的分析與整合。

2 信息融合

1991年，美國三軍組織——實驗室理事聯(lián)合會(Joint Directors of Laboratories， JDL)將信息融合定義為：信息融合是一種針對單一傳感器或多傳感器數(shù)據(jù)或信息的處理技術，通過數(shù)據(jù)關聯(lián)、相關和組合等方式以獲得對被測環(huán)境或對象的更加精確的定位、身份識別以及對當前態(tài)勢和威脅的全面而及時的評估[8]。信息融合技術是利用計算機技術，對由多源也就是多個傳感器觀測到的信息進行多級別、多方面、多層次的處理，以獲得單個或單類信息源所無法獲得的有價值的綜合信息，并最終完成其決策和估計任務。

信息融合可以將多傳感器探測獲得的信息進行有效的分析和處理，取長補短地整合信息，提高探測性能。具體表現(xiàn)在：提高時空分辨率，增大時空覆蓋范圍；提高系統(tǒng)的置信度和容錯能力，改善了系統(tǒng)性能。因此，應用信息融合技術的系統(tǒng)性能更加完善、功能更加全面[9]。

信息融合可分為三級，即數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合。圖1是信息融合處理中3種抽象層次的過程圖。

圖1 3種抽象層次過程圖Fig 1 Process diagram of three kinds of abstract levels

數(shù)據(jù)級是直接在原始數(shù)據(jù)上進行的融合，是最低層次的融合，只適合同類傳感器的數(shù)據(jù)融合，主要應用于圖像融合。這種融合方式優(yōu)點是保留了盡可能多的信息，基本不發(fā)生信息丟失，但是具有處理信息量大、要求配準精度較高等缺點。

特征級融合對各個傳感器的原始信息進行特征提取，然后對特征信息進行綜合分析和處理，融合后的特征更有利于決策。特征級融合既保持了足夠數(shù)量的重要信息，又將數(shù)據(jù)進行了合理的壓縮。

決策級融合是最高層次的融合，是對每只傳感器完成初步?jīng)Q策后通過關聯(lián)信息得出最終的決策信息。這種融合層次處理的信息量最少，容錯性強，但信息的損失量也是最大的。

3 大氣波導多傳感器協(xié)同探測系統(tǒng)

3.1 協(xié)同探測系統(tǒng)結構

本文基于融合理論提出多傳感器大氣波導協(xié)同探測技術方案。

GNSS與氣象傳感器融合系統(tǒng)硬件主要包括：GNSS接收機與天線、氣象傳感器、紅外測溫儀以及融合控制計算機。GNSS接收機可接收多星信息，將GPS、北斗(BD)等系統(tǒng)的信息進行有效融合得到更精確的結果。氣象傳感器內置GPS模塊，可以測量真風速和溫度、濕度、氣壓等氣象參數(shù)，再配置水文傳感器來測量水表面溫度。

GNSS接收機、氣象傳感器等儀器分別將各自的輸出數(shù)據(jù)通過RS—232串口發(fā)送至控制計算機中進行解算與波導狀態(tài)估計，系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示。

圖2 大氣波導協(xié)同探測系統(tǒng)硬件結構示意圖Fig 2 Hardware structure diagram of atmospheric duct co-detection system

圖2中虛線框內即為融合系統(tǒng)的硬件結構與信息傳輸方式，計算機解算的結果可以直接顯示出來，同時也可以作為后端系統(tǒng)的輸入。

3.2 探測系統(tǒng)邏輯結構

考慮到處理的信息量大小和合理的數(shù)據(jù)壓縮量，系統(tǒng)采用特征級融合方式，即系統(tǒng)對探測到的原始信息做初步的判斷，獲得大氣波導的各項參數(shù)進行決策處理。邏輯結構如圖3所示，GNSS接收機利用提取出的仰角、方位角等信息可對波導的存在性進行判斷。若存在大氣波導則求出大氣波導的方位、距離等信息。氣象站和紅外測溫儀測得的海水皮溫、大氣溫度、濕度等信息應用于多種波導模型，計算出波導高度。利用PJ模型計算大氣波導高度的過程中并不涉及氣壓參數(shù)，因此，這種多模型融合方式保證了在氣壓參數(shù)測量出現(xiàn)問題時，依然可以保證系統(tǒng)的有效工作。系統(tǒng)結構采用了多星、多模型、多傳感器探測數(shù)據(jù)進行信息融合。大氣波導的存在性屬于同類信息，而波導的方位與高度屬于異類信息。融合系統(tǒng)從不同信息源獲得數(shù)據(jù)，通過不同的融合算法由計算機系統(tǒng)得出大氣波導的綜合特征。得到的數(shù)據(jù)信息和融合后的結果存儲到計算機中，并對得到的數(shù)據(jù)進行分析處理，以便后續(xù)的波導研究。

圖3 大氣波導多傳感器協(xié)同探測信息融合系統(tǒng)結構Fig 3 Structure of atmospheric duct multi-sensor co-detection information fusion system

在數(shù)據(jù)融合環(huán)節(jié)，2種方法對波導的存在性的判斷，測得的大氣波導相關結果，可以利用合理的算法進行融合。其中涉及到部分關鍵技術如下：

1)時間對準技術

由于傳感器采樣周期與起始時間的不同以及通信網(wǎng)絡的不同延遲等因素影響，多傳感器對同一對象的屬性特征的觀察數(shù)據(jù)通常都存在著時間差，待融合處理的信息往往是異步的，而大多數(shù)的融合算法只能處理同步數(shù)據(jù)，這樣處理出的結果才是目標的真實狀態(tài)。所以,在融合步驟之前需要對數(shù)據(jù)進行時間對準。

在多傳感器時間匹配的過程中還應考慮到各個傳感器在融合時采樣頻率確定的問題,應保證采樣頻率不會高于傳感器集合中的最低采樣頻率,但當傳感器間采樣頻率相差較大時就會導致高采樣頻率傳感器測量數(shù)據(jù)的浪費,因此，應對采樣頻率進行合理的選擇。

系統(tǒng)中選擇的氣象傳感器具有內置GPS，因此,和GNSS接收機可以利用GPS時基同步原理進行時間對準。

2)空間配準技術

對于不同的信息源，各信息源采用不同的坐標平臺。本結構GNSS的坐標信息與傳感器的GPS信息均采用通用的NMEA—0183語句輸出的經(jīng)緯度信息。因此，在將GNSS計算出的大氣波導方位和長度，與氣象水文模式計算出的大氣波導高度進行融合時，只需要考慮坐標的對準。通過對準等步驟可以得出測量區(qū)域的大氣波導的空間基本信息。

4 仿真實驗

根據(jù)相關模型和算法計算流程，以Matlab為平臺，利用Monte Carlo分析方法進行模擬仿真。仿真時設定風速為3.8 m/s，氣溫為7.3 ℃、水表面溫度為5.8 ℃、氣壓為1013 hPa、相對濕度為81 %RH，各數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。生成的隨機數(shù)帶入各模型算法得出結果。表1為經(jīng)過10 000次Monte Carlo仿真后各模型與融合后得出結果對比。

表1 Monte Carlo仿真結果Tab 1 Monte Carlo simulation result

根據(jù)以上仿真結果分析，融合后得出的波導高度的標準差大小位于標準差最大的PJ模型和其它2種模型之間。波導高度標準差的大小反映了該模式對誤差的敏感性。在模型選擇時，必須考慮其敏感性。最不敏感的模型不一定是最準確的，但是非常敏感的模型又對傳感器的穩(wěn)定度和精度要求較高。

5 結 論

本文介紹并討論了利用信息融合技術的多傳感器協(xié)同探測大氣波導的方法，并給出了GNSS和氣象水文傳感器協(xié)同探測大氣波導系統(tǒng)的體系結構。該結構采用多星系統(tǒng)、多模型、多傳感器探測結構，并將探測到的數(shù)據(jù)進行信息融合，為后續(xù)波導探測技術的創(chuàng)新發(fā)展提供思路。

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Study on multi-sensor atmospheric duct detection based on information fusion technology*

ZHAO Chen-bing, QI Zhan-hui, ZHANG Suo-ping

(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Considering current development progress of atmospheric duct detection in China,introduce information fusion technology,feasibility and necessity of multi-sensor atmospheric duct detection are introduced and analyzed,key technologies of information fusion is proposed.Information fusion architecture for multi-sensor atmospheric duct detection system is set up based on feature of GNSS atmospheric duct detection method and meteorological and hydrological duct model method.

atmospheric duct; information fusion; multi-sensor detection

2014—01—10

天津市應用基礎及前沿技術研究計劃資助項目(青年基金項目) (12JCQNJC02400)

TP 212.9

A

1000—9787(2014)04—0041—03

趙辰冰(1988-)，女，天津人，碩士研究生，主要研究方向為海洋觀測和信息處理技術。