信息融合技术的源起及演进历程

多源信息融合是人类和其他生物系统进行观察的一种基本功能,在自然界中,人和动物感知客观对象不是单纯地依靠某一器官,而是综合多个感官的感知结果。例如,在光线较暗的情况下,谷仓里的猫头鹰融合其视觉信息和听觉信息来精确定位老鼠的位置,老鼠则借助视觉和听觉来判断自身是否处于危险中,并做出相应的反应来避免被猫头鹰抓获。在这个例子中,动物将视觉信息和听觉信息进行融合,实现了更高层次的信息感知。

近年来,人类的许多功能都已经通过自动化系统进行了模拟。计算机技术的快速发展推动了人工智能的深入研究,也改善了人们执行自动信息融合技术的能力,信息融合系统实际上就是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟,其基本原理就像人脑综合处理信息的过程,通过合理支配和使用来自多信息源的信息,将这些在空间和时间上互补与冗余的信息依据某种优化准则进行组合,从而产生对观测环境的一致性解释和描述。

国外对信息融合的研究起步较早,简单的信息融合始于第二次世界大战末期,当时出现了一个使用雷达、光学和测距装置来综合利用雷达和光学两种信息的系统。1964年,Sittler发表了数据互联的研究论文。1973年,美国研制了可自动探测敌方潜艇位置的信息融合系统,随后开发的战场管理和目标检测系统(BETA)进一步证实了信息融合的可行性和有效性。而后,信息融合系统迅速发展起来,自动化指挥系统C4 ISR(Command、Control、Communication、Computer、Intelligence、Surveillance、Reconnaissance,指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察)系统中采用多个传感器收集信息,工业控制、机器人、空中交通管制、海洋监视、综合导航和管理等领域也朝着多源方向发展。20世纪70年代末,在公开出版的技术文献中开始出现“融合”一词。20世纪80年代,传感器技术的飞速发展和传感器投资的大量增加,使得军事系统中的传感器数量急剧上升；超远程武器的出现和发展,从根本上改变了C4 ISR系统的信息处理方式；军事指挥人员通过对敌我武器系统的超远程认识,开阔了视野,因而需要获取更多信息和数据,更加强调其速度和实时性。为此,信息融合的研究工作成为军工生产和高技术开发等方面关心的问题,而C4 ISR战场的信息融合理论与技术更加受到重视。1988年,美国国防部把信息融合列为20世纪90年代重点研究开发的20项关键技术之一,且列为最优先发展的A类。JDL下设的技术委员会专门成立了信息融合专家组来组织和指导相关工作。

从20世纪80年代以来,美国三军总部对应用信息融合的战术和战略监视系统一直给予高度重视。美国国防部从海湾战争中意识到了信息融合技术与理论的巨大潜力,因此在海湾战争结束后更加重视信息综合处理技术的研究,并将通信局改为信息局。1991年,在美国国防部确定的七大推动力技术中,第一项就是强调“带有先进信息融合和处理能力的”全球监视与通信系统。在系统开发方面,美国在20世纪80年代研制出了应用于大型战略系统、海洋监视系统和小型战略系统的第一代信息融合系统。20世纪90年代,美国、英国和加拿大等国开始研发全源分析系统(All Source Analysis System,ASAS)、海军指挥控制系统、敌方态势攻击系统等第二代系统；此外,还出现了多模传感器武器系统,如“猛禽”系统和无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV；简称“无人机”)等。20世纪90年代以后,美国不断改进研制第三代信息融合系统,如2001年安装于沙特美军基地的“协同空战中心第十单元”等。(www.xing528.com)

美国参谋长联席会议于2000年提出了“2020年联合构想”,美国国防部于2003年颁布了“转型规划指南”,均对信息融合提出了更高的要求；美国空军试验新型情报信息融合处理系统,该系统对信息源几乎没有限制,可接收来自UAV、E-8C“联合星”飞机、RC-135侦察机等平台上的光电、合成孔径雷达、信号情报侦察装置等传感器的近实时信息,将它们处理成对作战有用的信息发送给用户。英国国防部将对信息基础设施进行信息系统融合,以提供“端到端的融合”。BAE系统公司传感器节点网络中的全部数据都被实时地综合和融合进了一幅单一的作战空间态势图。

20世纪90年代中期以来,信息融合在国内已发展为多方关注的共性关键理论和技术,许多学者致力于信息融合功能和结构模型、检测层融合、目标跟踪融合、航迹关联、状态估计、图像融合、目标识别层融合、知识融合、态势估计、威胁估计、传感器管理、数据库技术、信息融合性能评估等领域的理论和应用研究,相继研制出了一批多目标跟踪系统和有初步综合能力的多源信息融合系统。目前,新一代舰载、机载、弹载和各种C4 ISR系统正在向多源信息融合系统和系统综合集成、一体化方向发展,随着时间的推移,将有越来越多的多源信息融合系统投入使用。