郭妍利 唐思圓 谷升陽

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第38 研究所,安徽合肥 230031;2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北武漢 430072)

0 概述

由于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有多種數(shù)據(jù)源,并能夠多層次、全方位感知信息,已被大量應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[1-5]。但對多源數(shù)據(jù)融合算法的評價,基本還處于定性評價階段,缺乏體系化的定量評估手段;缺乏標(biāo)準(zhǔn)的融合評估體系,用于開展多源數(shù)據(jù)融合情報系統(tǒng)的效能評估[2]。為了全面評估和對比不同多源數(shù)據(jù)融合算法的優(yōu)劣性,本文建立了一個合理的且相對全面的評估指標(biāo)體系,定量計算多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能指標(biāo),為多源數(shù)據(jù)融合功能、性能的提升提供改進(jìn)的方向和依據(jù),有助于提高多源信息融合評判方法的科學(xué)化水平。

1 融合評估指標(biāo)體系

融合評估主要是對多源數(shù)據(jù)融合后航跡的評估,包括融合評估指標(biāo)體系的建立,評估指標(biāo)計算方法的確定,評估數(shù)據(jù)的記錄和導(dǎo)入,評估指標(biāo)計算,評估結(jié)果圖-表展示,及評估報告自動生成等功能。

融合評估指標(biāo)體系包括兩個方面,含系統(tǒng)性能評估和航跡質(zhì)量評估。其中,系統(tǒng)性能評估有系統(tǒng)周期處理最大航跡數(shù)和系統(tǒng)瞬時處理最大航跡數(shù)兩個指標(biāo);航跡質(zhì)量評估包括系統(tǒng)航跡質(zhì)量評估和單條航跡質(zhì)量評估,其中系統(tǒng)航跡質(zhì)量評估包括漏情率、虛情率和時效性等指標(biāo);單條航跡質(zhì)量評估包括航跡起始時間、漏關(guān)率、錯關(guān)率、航跡零碎度和位置精度等指標(biāo)。融合評估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 融合評估指標(biāo)體系Fig.1 Integrated evaluation index system

2 融合評估指標(biāo)計算

對融合系統(tǒng)進(jìn)行評估時,涉及到的目標(biāo)航跡有真值航跡、雷達(dá)探測原始航跡和融合航跡。其中真值航跡數(shù)包括目標(biāo)真值航跡數(shù)N 和非目標(biāo)真值航跡數(shù)M。目標(biāo)真值航跡和非目標(biāo)真值航跡定義如下:

目標(biāo)真值航跡:有真值對應(yīng)的觀測目標(biāo)航跡;

非目標(biāo)真值航跡:沒有真值對應(yīng)的非觀測目標(biāo)航跡。

2.1 融合系統(tǒng)性能評估指標(biāo)

對融合系統(tǒng)性能的評估是對影響系統(tǒng)有效性指標(biāo)的評估,即:系統(tǒng)周期處理最大航跡數(shù)和系統(tǒng)瞬時處理最大航跡數(shù)兩個指標(biāo)。

(1)系統(tǒng)周期處理最大航跡數(shù),是指在周期內(nèi),融合處理系統(tǒng)能夠處理的最大航跡數(shù)。該指標(biāo)用于評估融合系統(tǒng)的處理能力。當(dāng)某一融合系統(tǒng)不滿足該處理容量指標(biāo)時,則該系統(tǒng)性能指標(biāo)不達(dá)標(biāo),不再進(jìn)行其他評估指標(biāo)計算。

(2)系統(tǒng)瞬時處理最大航跡數(shù),是指在極短時間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的最大航跡數(shù)。該指標(biāo)用來衡量融合系統(tǒng)的瞬時處理能力。當(dāng)系統(tǒng)不滿足該指標(biāo)時,融合系統(tǒng)接收大容量數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)融合軟件卡死、信息丟失等情況,因此當(dāng)該指標(biāo)不達(dá)標(biāo)時,默認(rèn)融合系統(tǒng)不合格,不再進(jìn)行其他評估指標(biāo)計算。

2.2 航跡質(zhì)量評估指標(biāo)

2.2.1 航跡相關(guān)性計算

在航跡質(zhì)量的評估過程中,首先根據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合航跡與真值航跡及原始航跡之間相關(guān)性計算,計算過程為:(1)真值航跡與融合/原始航跡之間的相關(guān)計算。單條真值航跡與系統(tǒng)中所有融合/原始航跡分別進(jìn)行相關(guān),計算獲得真值航跡和融合/原始航跡的對應(yīng)關(guān)系表;(2)融合航跡與原始航跡之間的相關(guān)計算。單條融合航跡與雷達(dá)探測原始航跡分別進(jìn)行相關(guān),計算獲得融合航跡與原始航跡的對應(yīng)關(guān)系表;(3)融合航跡與相關(guān)成功的原始航跡之間的相關(guān)計算。將相關(guān)成功的一條或多條原始航跡的航跡點(diǎn),按照時間排列在一個鏈表上,融合航跡的航跡點(diǎn)與原始航跡點(diǎn)遍歷相關(guān),獲得融合航跡與原始航跡之間相關(guān)成功航跡點(diǎn)的個數(shù)。

2.2.2 系統(tǒng)航跡質(zhì)量評估指標(biāo)

(1)系統(tǒng)漏情率。漏情率是指融合系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)情報的概率。

計算方法為:真值航跡中沒有與融合航跡相關(guān)成功的真值航跡數(shù)與系統(tǒng)真值航跡總數(shù)的比率。其中系統(tǒng)真值航跡總數(shù)為系統(tǒng)真值航跡數(shù)減去沒有與原始航跡相關(guān)成功的真值航跡數(shù)。漏情率主要用于評估融合系統(tǒng)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力。

(2)系統(tǒng)虛情率。虛情率是指融合系統(tǒng)輸出虛假目標(biāo)情報的概率。

計算方法為:融合航跡中與真值航跡和原始航跡均沒有相關(guān)成功的融合航跡數(shù)與系統(tǒng)真值航跡總數(shù)的比率。虛情率主要用于評估融合系統(tǒng)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)的正確性。當(dāng)虛情率為0時,表示該融合系統(tǒng)沒有虛假目標(biāo)產(chǎn)生;當(dāng)虛情率大于1 時,表示該融合系統(tǒng)產(chǎn)生的虛假目標(biāo)比較多。

(3)系統(tǒng)時效性。系統(tǒng)時效性是指融合系統(tǒng)從接收原始航跡時間開始到融合航跡輸出所消耗的時間。

計算方法:系統(tǒng)所有融合航跡與相關(guān)成功的原始航跡航跡點(diǎn)之間的時間差求和取平均值。計算獲得的系統(tǒng)處理時間越大,表示該融合系統(tǒng)時效性越差。

2.2.3 單條航跡質(zhì)量評估指標(biāo)

(1)航跡起始時間。航跡起始時間是指從接收到原始航跡點(diǎn)開始到建立一批新的穩(wěn)定融合航跡的時間。

計算方法:當(dāng)前融合處理軟件航跡起始的準(zhǔn)則是多點(diǎn)起始,不同的融合算法有一點(diǎn)起始、三點(diǎn)起始等多種準(zhǔn)則,但一旦建立穩(wěn)定航跡,即將建立穩(wěn)定航跡的連續(xù)多點(diǎn)均輸出,因此通過融合航跡中航跡點(diǎn)輸出與輸入的時間差來計算航跡起始時間,對時間差進(jìn)行比較,如果在第n點(diǎn)的時間差遠(yuǎn)小于前n點(diǎn)的時間差,則認(rèn)為融合航跡在第n點(diǎn)起始,起始時間為第n 點(diǎn)輸出時間與第一點(diǎn)輸入時間之間的時間差。

(2)漏關(guān)率。航跡漏關(guān)率是指融合航跡的丟點(diǎn)概率。

計算方法:與該融合航跡相關(guān)成功的原始航跡中匹配不成功的航跡點(diǎn)數(shù)與原始航跡總航跡點(diǎn)數(shù)的比率。漏關(guān)率越低,說明該融合航跡輸出連續(xù)性越好。

(3)錯關(guān)率。航跡錯關(guān)率是指融合航跡點(diǎn)相關(guān)錯誤的概率。

計算方法為:融合航跡與相關(guān)成功原始航跡進(jìn)行航跡點(diǎn)相關(guān),相關(guān)失敗的航跡點(diǎn)數(shù)與原始航跡總航跡點(diǎn)數(shù)的比率。

(4)航跡零碎度。航跡零碎度是指一條真值航跡在融合系統(tǒng)中被分裂輸出的航跡總數(shù)。零碎度越大說明該航跡分裂嚴(yán)重。

(5)位置精度。位置精度是指實(shí)際目標(biāo)位置與融合航跡輸出的位置之間的誤差標(biāo)準(zhǔn)差。這個指標(biāo)用來衡量融合系統(tǒng)航跡的坐標(biāo)位置信息與真實(shí)坐標(biāo)位置信息的符合程度。在極坐標(biāo)坐標(biāo)系下,位置精度包括有距離精度和方位精度。下面以極坐標(biāo)系下距離精度為例進(jìn)行計算。

計算方法為:1)計算融合航跡某一點(diǎn)距離的一次差;2)計算該融合航跡所有點(diǎn)距離的一次差,并求平均獲得距離一次差均值;3)計算融合航跡距離信息的一次差標(biāo)準(zhǔn)差;4)根據(jù)一次差標(biāo)準(zhǔn)差計算航跡一次差的均方根誤差,即該融合航跡的距離精度。

2.3 綜合評估指標(biāo)計算

綜合評估指標(biāo)即將計算獲得的各個指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理并加權(quán)計算獲得一個總的得分的過程[3-4]。綜合評估指標(biāo)計算過程為:(1)指標(biāo)選擇;(2)指標(biāo)權(quán)重設(shè)置;(3)單個指標(biāo)計算;(4)單個指標(biāo)歸一化處理;(5)不同指標(biāo)加權(quán)求和。

最終計算獲得綜合評估指標(biāo)為(0,1)標(biāo)量空間上的值,值越大表示該融合系統(tǒng)融合算法越優(yōu)越。

3 仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按上述評估指標(biāo)體系對仿真系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和實(shí)際試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合性能評估,圖2 為仿真數(shù)據(jù)評估結(jié)果,圖3為實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)評估結(jié)果。

圖2 仿真數(shù)據(jù)評估結(jié)果Fig.2 Simulation data evaluation results

圖3 實(shí)際數(shù)據(jù)評估結(jié)果Fig.3 Actual data evaluation results

經(jīng)離線比對分析,該系統(tǒng)的評估結(jié)果與實(shí)際分析結(jié)果一致,與融合軟件的實(shí)際應(yīng)用效果一致。仿真結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,該評估結(jié)果可信,可以用于對多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)進(jìn)行融合算法的性能評價。

4 總結(jié)

本文通過建立了反應(yīng)實(shí)戰(zhàn)需求的融合指標(biāo)體系,對同一場景的不同融合結(jié)果進(jìn)行評估,提供了一種有效的空情多源信息融合的定量評估手段;同時可根據(jù)評估結(jié)果查找融合算法的短板,進(jìn)行針對性地改進(jìn),促進(jìn)了空情多源信息融合軟件功能及性能的提升。