1、多 传 感 器 数 据 融 合理 论 及 应 用( 第 二 版 ) 美 L aw r ence A. Klein 著戴 亚 平 刘 征 郁 光 辉 译版 权 专 有 侵 权 必 究图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据多 传 感 器 数 据 融 合 理 论 及 应 用 / ( 美 ) 克 莱 因 ( Klein , L. A. ) 著 ; 戴 亚 平 , 刘 征 , 郁 光 辉 译 . 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社 , 2004. 2ISBN 7 - 5640 - 0185 - 2. 多 . 克 戴 刘 郁 . 传 感 器 - 数 据 融 合 . T P212中 国
2、版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 2003 ) 第 080318 号北 京 市 版 权 局 著 作 权 合 同 登 记 号 图 字 : 01 - 2002 - 2690 号 Copyrigh t 1999 SP IE . All righ t s r eserved . No par t of t hi s book may be re produced or t ran smit ted in a ny for m or by any means , elect ronic or m ech anical , incl uding pho tocopying ,recordin
3、g or by a ny infor mation s tora ge a nd ret rieval sys tem , withou t p er mis sion i n w riting from t h e Publish er a nd SP IE .Au thorized Chinese-lan guage edit ion出 版 发 行 / 北 京 理 工 大 学 出 版 社社 址 / 北 京 市 海 淀 区 中 关 村 南 大 街 5 号邮 编 / 100081电 话 / ( 010 )68914775( 办 公 室 ) 68912824(发 行 部 )网 址 / h tt
4、p : / / w ww. bitpress. com. cn电 子 邮 箱 / chiefedit bitpr ess. com. cn经 销 / 全 国 各 地 新 华 书 店印 刷 / 北 京 地 质 印 刷 厂开 本 / 787 毫 米 1092 毫 米 1/ 16印 张 / 11. 25字 数 / 225 千 字版 次 / 2004 年 2 月 第 1 版 2004 年 2 月 第 1 次 印 刷印 数 / 1 3500 册 责 任 校 对 / 郑 兴 玉定 价 / 20. 00 元 责 任 印 制 / 刘 京 凤图 书 出 现 印 装 质 量 问 题 , 本 社 负 责 调 换本
5、系 列 教 材 简 介为了 响应 那些 没能 参加 SPIE 短 期课 程 ， 但 又想复 制其 笔记 的同 学的 要求 ， 我们 出版了 此 套系列教材。根据有关法律规定，授课教师对这些笔记拥有版权，因此它们不能在市场上随 意流通。由于这些笔记仅仅是为课堂讨论提供了一个方向或作为对专题演讲的一个补充，而 且有时现场演讲会用到一些复杂图形，所以笔记常常不能替代教材的功能。为了出版本系列 教材，我评阅了很多套课程笔记，结果发现，尽管这些课程已涉及到几乎所有相关领域的内 容 ， 但 与 之 对 应 的 笔 记 却 不 能 对 相 应 的 理 论 做 进 一 步 阐 明 ， 有 时 反 而 更 加
6、困 惑 读 者 。本系列教材正是为了填补这个缺口，使它们能成为一个完整的教材体系，详细解释被笔 记里忽视的一些观点和论据。这个主题确认后，我们开始这项工作的最关键的问题是，这套 系列教材能否有效地表达与这个主题相关的一些基本概念。在刚开始动笔和最后成稿时，我 查阅了原始的笔记手稿，这样就能保证本系列教材能提供丰富的理论来帮助读者建立一些基 本概念，然后运用这些基本概念，再给读者具体的有关本主题的实际工程知识。参考文献作 为 每 本 教 材 必 备 的 一 个 部 分 也 在 本 系 列 教 材 中 列 出 ， 它 为 读 者 提 供 了 更 深 层 次 的 学 习 素 材 。 本系列教材的一个
7、优势就是覆盖了最新发展的一些新领域。传统的教材对某些新领域涉及 不深或 根本 没有 涉及 ， 如多 传感 器融 合、 形 态图 像处 理及 数字 压缩技 术等 。 从 1989 年以 来， 本系列教材就对以上技术及其他新的技术领域进行了介绍。在此基础上，我们又扩展了这套 系列教材的内容，使它不仅仅包含短期课程的范围，而且还包含一些专家所研究的领域，我 想这些资深专家在所研究的领域中有资格对研究进展作出权威的评价。本系列教材还一直突 出它作为教材的特点，我衷心希望在以后的几年中还会出现类似于第一个十年中所取得的高 质 量 、 宽 范 围 的 作 品 。Donald C. OShea佐 治 亚 理
8、 工 大 学第 一 版 序 言本书的内容来源于一系列演讲的笔记。该演讲的内容主要是高级传感器操作及传感器数 据的融合。在实际多传感器应用系统中，由于空间的限制，主传感器一般都工作在红外和毫 米波的频段。另外由于这些传感器具有相对短的波长，从而占用的空间比较小，所以各传感 器在响应不同的能产生信号的物理现象时能相互补充。最后得到的结果是对在恶劣天气、密 集 杂 波 及 由 于 反 测 量 而 使 信 号 被 淹 没 的 条 件 下 ， 也 能 得 到 很 好 的 效 果 。最初演讲的主题主要包括以下几个方面：多传感器系统在智能武器中的应用；在各子系 统中任务分配的优化方法；对于工作在不同电磁频域
9、的主动、被动式传感器所产生信号的物 理学方式；整个雷达系统的操作，包括硬件设施、检测概率的计算、对目标及回波信号的分 析以及各种信号处理算法；红外传感器的设计及考虑什么时候使用图像传感器及什么时候不 采用图像传感器；激光雷达的操作与应用；对传感器性能有影响的干扰以及传感器数据融合 技 术 ， 该 技 术 能 在 目 标 判 别 （ 检 测 、 定 位 、 分 类 和 识 别 ） 和 跟 踪 中 起 帮 助 作 用 。在本书中对上述有关主题进行了详细的描述，包括：多传感器系统的应用；目标、背景 及 大气 中 一些 能产 生信 号的 物理 现象的 研究 ； 应 用 于目 标识 别与 跟 踪 的数据
10、 融合 体系 结构 等， 这些体系结构能结合多个传感器的数据进行融合。我们在解释能产生信号的物理现象和数据 融合技术时，使用了少量的数学知识。即使在用数学理论时也只是使用最简单的数学运算来 描 述 一 些 内 在 原 理 。 我 们 在 每 一 章 中 还 使 用 一 些 非 数 学 的 解 释 来 帮 助 读 者 理 解 概 念 。使用本书的一些概念如能产生信号的物理现象和数据融合等，有助于理解一些实际应用 中的背景知识，如天气预报、使用遥感进行地球资源勘探、机动车辆的交通管制、目标分类 与跟踪以及战场态势估计等。即使对于一些狭窄的领域如国防开支等，人们对数据融合在此 方面应用的兴趣也越来越
11、高，因为它能帮助我们识别出各种导弹、其他战略目标及各潜在因 素的威胁。信号产生的物理现象及已提出的数据融合体系结构与算法不仅不断地应用于国防 领域，在非国防领域的应用也越来越多。本书的最后一章主要描述了只使用被动得到的数据 来 检 测 和 跟 踪 目 标 。 我 想 从 事 导 弹 定 位 问 题 的 研 究 人 员 应 该 对 这 一 章 有 特 别 的 兴 趣 或 关 注 。 本 书 的 出 版 融 合 了 许 多 人 有 价 值 的 建 议 。 Henry Heidary 除 了 对 第 9 章 内 容 作 出 主 要 的 贡 献 外 ， 他 还 评 阅 了 全 书 的 其 他 章 节
12、。 Sam Blackman 评 阅 了 整 本 书 ， 并 提 供 了 一 些 参 考 文 献 ， 这 些参考 文献 为 本 书提 供了 新的 内容。 Pat Williams 评阅 了 关 于跟 踪的 章节 ， 并 且提 供了跟 踪第 二 版 序 言通过多年连续讲授“在对潜在目标的跟踪和识别中多传感器多目标数据融合技术”这门 短期课程，我很明显地感到有必要对一些新的数据融合算法进行解释和举例说明。许多读者 对其中三个领域特别感兴趣，即贝叶斯推理、人工神经网络和模糊逻辑。本版正是包含了这 些 新 发 展 起 来 的 内 容 ， 相 信 它 能 满 足 对 这 些 知 识 有 需 求 的 读
13、者 。另外，对第一版中原有的各章节也进行了不同程度的修改，主要改动的内容有：第二章 原来主要讲述了有关多传感器系统的应用、优点及大气对信号的衰减等内容。本版扩充的内 容 包括 FASCODE 和 MODTRAN 的大 气模 型信息 以及 分析 各种 不同物 理过 程的 EOSAEL， 这 些 物 理 过 程 能 影 响 毫 米 波 和 红 外 传 感 器 的 性 能 。 我 们 还 扩 充 了 有 关 LOWTRAN、 可 观 测 性 度 量及在雪中红外扩散等内容。在第三章某些段落得到相关授权后，我们还增加了有关数据融 合 体 系 结 构 及 算 法 的 解 释 。 在 关 于 DS 算 法
14、一 章 ， 加 入 了 关 于 不 确 定 区 间 的 解 释 。 在 讨 论 表决融合中另一类型信任级别结构时，给出了另一篇附录。最后，在关于“在定位目标过程 中 被 动 数 据 关 联 技 术 ”一 章 中 ， 对 用 正 弦 定 理 来 定 位 目 标 和 枝 节 边 界 算 法 作 出 了 修 改 。和我 一起讲 授多 传感 器多 目标 数据 融合课 程的 Martin Dana 评阅 了新 章节 的内 容。 他的 建 议 改 进 了 本 书 的 质 量 。 我 还 要 感 谢 SPIE 的 Eric Pepper 和 Donald OShea， 他 们 给 了 我 出 版 本 书 第
15、二 版 的机 会。 这里 我还 要感谢 Sue Price， Rick Hermann 和 SPIE 编 辑部 的 全 体工 作人员 给 予 我 的 许 多 帮 助 ， 这 些 都 改 进 了 本 书 的 质 量 ， 并 在 我 准 备 此 书 时 也 给 予 了 很 大 的 帮 助 。Lawrence A. Klein 1999 年 4 月算 法运行 时间 的数 据。 SPIE 的 Mary Horan 以 最出 色 的方 法进 行了 最后 的编 辑工作 。 最后 ， 我 想 要 感 谢 我 的 妻 子 和 我 的 孩 子 ， 他 们 不 懈 地 支 持 我 、 理 解 我 一 直 在 计
16、算 机 前 工 作 到 深 夜 。Lawrence A. Klein 1993 年 4 月目 录第 1 章 概 述 （ 1） 第 2 章 多 传 感 器 系 统 的 应 用 及 优 势 ， 大 气 对 信 号 的 衰 减 作 用 （ 5） 2.1 多传感器系统中数据融合的应用 （ 5）2.2 传感器的选择 （ 7）2.3 多 传 感 器 系 统 的 优 势 （ 11）2.4 信号波长对其在大气衰减中的影响 （ 13）2.5 雾的特征 （ 16）2.6 毫 米 波 传 感 器 的 工 作 频 率 对 其 性 能 的 影 响 （ 17）2.7 雨和雾对毫米波雷达信号能量的吸收 （ 17）2.8 在
17、雨中毫米波能量的反向反射 （ 20）2.9 红外传感器工作波长对性能的影响 （ 22）2.10 能见度度量 （ 23）2.10.1 主 观 能 见 度 （ 23）2.10.2 客观能见度 气象距离 （ 23）2.11 红 外 能 量 在 雨 中 的 衰 减 （ 24）2.12 消 光 系 数 值 （ 典 型 ） （ 25）2.13 电 磁 波 类 传 感 器 优 缺 点 小 结 （ 26）2.14 大 气 与 传 感 器 系 统 的 计 算 机 仿 真 模 型 （ 27）2.14.1 LOWTRAN 衰 减 模 型 （ 28）2.14.2 FASCODE 与 MODTRAN 衰 减 模 型 （
18、 29）2.14.3 EOSAEL 传 感 器 性 能 模 型 （ 30）2.15 小 结 （ 33） 参 考 文 献 （ 33）第 3 章 数 据 融 合 算 法 与 融 合 结 构 （ 37）3.1 数据融合的定义 （ 37）3.2 处 理 层 1 （ 39）3.2.1 数 据 融 合 中 的 检 测 、 分 类 与 识 别 算 法 （ 40）3.2.2 数 据 融 合 中 的 状 态 估 计 和 跟 踪 算 法 （ 44）3.3 处 理 层 2， 3 和 4 （ 49）I3.4 结构的定义 （ 51）3.5 数 据 融 合 处 理 过 程 （ 52）3.6 数据融合的结构 （ 52）3.
19、6.1 传 感 器 级 融 合 （ 53）3.6.2 中 央 级 融 合 （ 55）3.6.3 混 合 式 融 合 结 构 （ 56）3.6.4 像 素 级 融 合 （ 57）3.6.5 特 征 级 融 合 （ 58）3.6.6 决 策 级 融 合 （ 59）3.7 各传感器有效覆盖区域的配准和对覆盖区域大小的考虑 （ 59）3.8 小 结 （ 60） 参 考 文 献 （ 61）第 4 章 贝 叶 斯 推 理 （ 64）4.1 贝叶斯法则 （ 64）4.2 贝叶斯推理和经典概率推理的比较 （ 65）4.3 用 来 自 两 个 传 感 器 的 不 同 类 型 的 量 测 数 据 提 高 矿 物
20、的 检 测 率 （ 69）4.4 小 结 （ 72） 参 考 文 献 （ 72）第 5 章 Dempster-Shafer 算法 （ 74）5.1 算法概述 （ 74）5.2 算法的实现 （ 75）5.3 支持度、似然度以及不确定区间 （ 76）5.4 用 Dempster 规 则 融 合 多 传 感 器 数 据 （ 79）5.5 Dempster-Shafer 与贝叶斯判决理论的比较 （ 82）5.6 小 结 （ 83） 参 考 文 献 （ 83）第 6 章 人 工 神 经 网 络 （ 85）6.1 人 工 神 经 网 络 的 应 用 （ 85）6.2 自 适 应 线 性 组 合 器 （ 8
21、6）6.3 线性分类器 （ 87）6.4 线 性 分 类 器 的 容 量 （ 88）6.5 非线性分类器 （ 88）6.5.1 Madaline （ 88）6.5.2 前向网络 （ 90）II6.6 非 线 性 分 类 器 的 容 量 （ 91）6.7 有 监 督 和 无 监 督 学 习 （ 92）6.8 有监督学习规则 （ 93）6.8.1 LMS 最 快 速 下 降 算 法 （ 94）6.8.2 LMS 误差修正算法 （ 94）6.8.3 LMS 算 法 和 LMS 算 法 的 比 较 （ 95）6.8.4 Madaline I 和 II 误差修正法 （ 95）6.8.5 感 知 器 规
22、则 （ 96）6.8.6 后向传播（ BP）算法 （ 97）6.8.7 Madaline III 最快速下降法 （ 98）6.8.8 死区算法 （ 99）6.9 其 他 人 工 神 经 网 络 （ 100）6.10 小 结 （ 102） 参 考 文 献 （ 102）第 7 章 表 决 融 合 （ 104）7.1 传感器目标报表 （ 105）7.2 传感器检测空间 （ 106）7.2.1 检 测 空 间 的 文 氏 图 表 示 （ 106）7.2.2 信任级别 （ 106）7.2.3 检测单元 （ 107）7.3 系统检测概率 （ 108）7.3.1 在 信 任 级 别 不 相 交 的 情 况 下 推 导 系 统 检 测 率 和 虚 警 率 （ 108）7.3.2 传 感 器 各 信 任 级 别 与 对 应 的 检 测 率 和 虚 警 率 之 间 的 关 系 （ 110）7.3.3 条 件 概 率 的 估 计 （ 110）7.3.4 虚警率 （ 111）7.3.5 检测率 （ 112）7.3.6 计 算 多 传 感 器 系 统 检 测 率 的 小 结 （ 112）7.4 应 用 实 例 （ 113）7.4.1 满 足 虚 警 率 的 要 求 （ 113）7.4.2 满 足 系 统 检 测 率 的 要 求
