傳感器融合技術：創造最佳態勢感知能力

傳感器融合技術起源

傳感器融合技術源于數據融合技術。1985年，美國國防部試驗室聯合理事會（JDL）所屬的數據融合研究小組（即后來的數據與信息融合研究小組）首次提出了數據融合模型。

該模型歷經數次改進，現作為數據功能分類的一種參考標準，已得到廣泛運用，其有效增強了各個層次作戰單位的態勢感知能力。

傳感器融合技術或許也可以稱作“情報融合技術”——這也是當初數據融合研究小組對“信息融合”中“信息”一詞的擴大化解釋——因為該技術能夠實現對所有數據的整合分析。在這一過程中，來自多個傳感器（影像/雷達/信號情報/運動覺察器等）的定位與識別數據得到融合，生成一個有效的合成“圖像”，并且能夠消除重復軌跡和定位偏差，產生最準確的目標引導信息。其最終成果涵蓋了視覺、電子與語言信息，情報評估能力完全達到了“1+1＞2”的效果。

美國海軍協同作戰能力系統（CEC）是傳感器融合技術的早期典型應用實例。該系統由雷神公司（Raytheon）設計制造，結合AN/USG-2(V)型協同作戰傳輸處理系統，能夠實現作戰艦艇與戰機之間的系統信息共享，填補各系統信息覆蓋范圍的空白，理清模糊或不夠全面的數據信息，從而提高應對空中與導彈襲擊的防御能力。尤其在近海區域，由于地面情況復雜而難以獲得可靠雷達圖像的時候，效果更加明顯。

2001年4～5月作戰評估完成之后，CEC逐步被推廣到整個美國艦隊。

傳感器融合技術具備強大優勢

傳感器融合技術的運用主要具有以下強大優勢——

傳感器融合技術能夠發揮出不同類型傳感器之間的互補作用

舉例來說，艦載紅外搜索與跟蹤系統（IRST）和多功能雷達目標指示數據相結合，就能夠減少冗余信息，提高目標跟蹤、分類與識別能力（尤其是在應對機動性與隱蔽性較強的威脅時），同時也能夠有效縮短目標識別的時間。

對空中/地面的作戰行動而言，在過去的二十幾年里，傳感器融合信息的發展促使印有作戰信息的紙質作戰地圖，進化為計算機環境下的“地理空間信息”。判讀分析，得出結論，做出決策，信息最終轉化為地理空間情報——這便是地理空間情報系統（GISs）。其已經成為數字化戰場的一種重要工具，在C4ISR戰略系統或者區域性戰術指揮與控制應用系統中發揮著構建性作用。

如果某份信息中含有一個可確認的位置，那么它就可以進入地理空間情報系統，轉化為電子地圖的一部分。2011年1月，英國國防部的John Kedar上校在倫敦舉行的國防地理空間情報會議上說，此類信息正逐步成為“情報的基石”。而這一點也得到另一位重要與會者，英國國防部皇家空軍中將Stuart Peach的肯定。Stuart Peach說，在阿富汗赫爾曼德河地區活動的特遣部隊能夠得到高達352層級的地理空間情報數據，其中包括地圖、地質概況、氣象、農業、種族分布以及各種來源的圖像資料。因此，這種傳感器融合系統——地理空間情報系統正快速成為軍事行動中不可或缺的組成部分。

作為情報的一種類型，圖像資料的重要性當然毋庸置疑。對同一地區24小時前后兩張圖片進行對比，就可能發現重要變化，比如某個目標的進入情況。更長期的跟蹤就可以了解特定區域的“常態”情況。

各種類型的圖像——光電（EO）、紅外（IR）、合成孔徑雷達(SAR)圖像，都屬于地理空間情報的數據層。圖像的來源平臺也多種多樣：衛星、偵察機、直升機、無人機以及陸基或海基系統。這些圖片可以是原始的或處理過的，也可以是來自單個來源或者融合創造出來的，通常都會在地面站或者一組處理器與顯示器中匯總，然后再由復雜的相關軟件進行處理。

英國情報開發系統是一種對各種傳感器得到的圖像進行綜合處理的系統。這套系統由古德里奇（Goodrich ISR）公司的傳感器地面站升級而來，升級后被命名為“攻擊者”，能夠處理的輸入數據包括全動態視頻影像、合成孔徑雷達/地面移動目標指示器（SAR/GMTI）影像、光電或者紅外傳感器所獲信息，以及二級情報素材，比如靜止圖像、人力情報報告、地理空間情報系統圖繪信息和來自軍隊保護傳感器的信息。按照古德里奇公司的說法，“攻擊者”系統能夠完成圖像及相關元數據的存檔，并以接近實時的速度向客戶端進行群發。

另一套最新面市的產品是以色列拉斐爾先進防務系統公司（Rafael Advanced Defense Systems of Israel）的ImiLite多信源多任務圖像情報處理系統。其設計理念就是以統一方式接收、開發、處理多信源圖像和數據，通過網絡向獲得授權的終端用戶與客戶端發送相關報告和素材。

ImiLite圖像情報處理系統包括3個子系統：高級IP服務器組件，能夠對光電、紅外、合成孔徑雷達/地面移動目標指示器、影像傳感器的原始數據同時接收并實時進行空間參照對比；可升級地理空間情報系統數據庫，能夠快速記錄、存取原始與已處理圖像數據和數據層，并深入進行圖像分析與研究；高級多用戶圖像開發系統，能夠顯示、處理、開發、分析并發送以各種標準或客戶定制標準形成的報告。

其實，第3個子系統——高級多用戶圖像開發系統基本上是為了與該公司的Reccelite吊艙協同而設計的地面開發系統。荷蘭和意大利空軍（此前還有德國空軍）在阿富汗戰場都應用了Reccelite吊艙系統。該系統可收集“蒼鷺”無人機的光電/紅外信息以及合成孔徑雷達/地面移動目標指示器所獲信息。

拉斐爾公司表示，ImiLite系統已經獲得數家潛在客戶的青睞，其中包括英國國防部。

傳感器融合技術能夠提高圖片的清晰度

在只有一種類型傳感器的情況下，可能會因為天氣或戰場情況，無法獲取目標區域的清晰圖片。比如，光電/紅外圖片就會因為天氣而出現模糊的情況，但是只要覆蓋上一張合成孔徑雷達的圖片，云層之后的目標就無處藏身了。

雷達對于垂直目標更加靈敏——比如墻體、建筑物、樹木和桅桿——而光電成像則對物體表面比如顏色等參數更加敏感。將光電成像的圖片，覆蓋到合成孔徑雷達成像的圖片，能夠提高識別目標的能力，并且可以確認某個地點在不同時間點的變化情況。對兩張不同時間拍攝的照片測量對比，根據波長的變化可以精確測定出土壤的變化——可能埋入了簡易爆炸裝置或者曾有可疑車輛經過。

塞萊克斯?伽利略（Selex Galileo）公司正在研發一種所謂的“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，可應用于偵察機或無人機。該系統集成了一套光電系統（包括中波紅外640×512像素天線陣探測器，一架彩色日用電視攝像頭以及1.57μm脈沖激光主動成像設備），以及PicoSTAR有源相控陣X波段2-D雷達（具有條帶成像、聚束成像以及地面動態目標指示能力）。2011年2月，伽利略公司宣布該項目已經進入“開發階段”，并表示“雷達子系統的空中試驗已經啟動，不久即將試驗光電系統”，但其性能細節尚不得而知。

另外一套更加復雜的雷達與光電/紅外傳感器集成系統屬于美國“暗影捕獲（Shadow Harvest）”項目的一部分。該系統最初是國防部某個情報機構的計劃項目，但是從2008年起得到美國南方司令部的贊助支持。與“暗影捕獲”項目相關的傳感器與設備已配備至一架C-130H型運輸機，其中包括動態空中任務系統、機載多重現象學數據融合系統、諾斯羅普?格魯曼(Northrop Grumman)公司的低頻多波段合成孔徑雷達，以及英國BAE系統（BAE Systems）公司的光譜紅外遠程圖像傳輸試驗臺（SPIRITT）傳感器。據說，2010年9月，內華達州空軍國民警衛隊第152空運聯隊在阿富汗完成了部分“暗影捕獲”項目的部署。

這些系統的運用，將使光電圖像與孔徑雷達圖像融合，獲得更清晰的圖像資料。

多波段+圖像分辨率提升+硬件設備體積減小，使圖像融合技術更趨完善

美國空軍U-2型高空偵察機長期占據遠程離岸搜集高分辨率圖像的橋頭堡。該偵察機配備了雷神公司的ASARS 2/2A型高級合成孔徑雷達系統以及古德里奇公司的SYERS-2型“畢業生”（Senior Year）光電偵察系統。據說，“畢業生”系統能夠在七個波段工作：綠光波段（具有距離、分辨率和覆蓋區域上的優勢）；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——一個可通過調諧適應日間與夜間工作，另一個為備頻）。因此，“畢業生”系統是一套多重光電/紅外傳感器系統，其優勢在于多種傳感器具有天生互補的特性：一方因為大氣衰減、光線或者日效應等原因效果不佳時，另一方可清晰成像。

盡管不同波段傳感器可以實現圖像相互覆蓋、對比和關聯，但是這樣的系統絕非完整意義上的“融合”系統，還有待其他相關參數進一步完善。

圖像分辨率這個參數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，而且通過處理，分辨率還能夠進一步提升。

此外，硬件設備在體積上日益減小，因此將可精確定位的測量裝置直接安裝在轉塔平臺上也成為可能。

傳感器融合技術完全自動化值得期待

目前，傳感器融合技術還未達到完全自動處理，從大量數據中實時選取有用信息仍然需要人員參與。雖然在傳輸方面的技術進步減少了從探測到交戰（傳感器到射手）之間的傳輸次數，傳輸過程仍然相對比較緩慢。

自動化傳感器融合處理技術尚處于形成階段。這一技術未來對數據帶寬利用率與數據轉化為信息的時間效率具有重要意義，自然備受關注。

據相關工業人士透露，當前最大的挑戰是“如何獲取在動態環境下實現向終端用戶提供有用信息的正確算法。”這里存在諸多技術問題，許多問題的解決都要依賴傳感器或者軟件的發展。而且即使算法解決方案切實有效，系統的復雜性和硬件的高成本也不得不納入考量范圍。現階段上述成本非常昂貴。

不過，傳感器融合技術并未因此停下前進的腳步。就像2011年2月，諾斯羅普?格魯曼公司（Northrop Grumman）的情報監視與偵察任務區域總監Trip carter所說，多傳感器多情報融合技術將是該公司在傳感器未來發展道路上“永遠追求的圣杯”。

編輯/劉蘭芳