水聲信號(hào)處理中的多傳感器數(shù)據(jù)融合

張嘯天

海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連，116000

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，我國社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制也必須逐步完善，生活的各個(gè)領(lǐng)域都取得了前所未有的進(jìn)步和發(fā)展。其中，數(shù)據(jù)集成技術(shù)是一個(gè)比較先進(jìn)的門類，該技術(shù)逐漸應(yīng)用于軍事和民用等多個(gè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)集成技術(shù)也成為水聲信號(hào)處理行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。但是，由于水下環(huán)境極其復(fù)雜，這大大降低了單個(gè)傳感器的可靠性，因此一個(gè)重要的趨勢(shì)是多個(gè)水下傳感器共同使用，這也要求更加先進(jìn)的多傳感器數(shù)據(jù)合并技術(shù)[3]。本文主要是針對(duì)水信號(hào)處理過程中所采用的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行全面的研究和分析，并且將多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在水聲信號(hào)處理過程當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 水聲信號(hào)概念與傳感器的內(nèi)容

1.1 水聲信號(hào)的概念

所謂水聲信號(hào)，就是在水中以聲波為載體，傳遞和傳遞信息的信號(hào)[4-5]。在傳統(tǒng)的通訊系統(tǒng)中，信號(hào)主要是用于地面和空中通訊的。近幾年，隨著科技的飛速發(fā)展，通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，于是就有了水下通訊。

1.2 傳感器的內(nèi)容

傳感器主要指的是可以應(yīng)用在通訊方面的聯(lián)系工具，同時(shí)也可以將其應(yīng)用在人與物體兩者之間的通訊。傳感器在應(yīng)用過程當(dāng)中可以有效地檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變的信號(hào)特征，人們可以通過分析傳感器所發(fā)送出來的信號(hào)特征來進(jìn)行區(qū)分。

2 水聲信號(hào)處理中的多傳感器數(shù)據(jù)融合的機(jī)制和方法

數(shù)據(jù)集成技術(shù)不是新發(fā)明的，而是由傳統(tǒng)的理論和處理技術(shù)兩者之間相結(jié)合，發(fā)展了智能控制與數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)的一體化。所以可以看出數(shù)據(jù)集成是一項(xiàng)跨學(xué)科、多領(lǐng)域的工作。現(xiàn)如今中國的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平不斷提高，信息融合技術(shù)的應(yīng)用也日益成熟，進(jìn)一步提高多傳感器數(shù)據(jù)融合方法的準(zhǔn)確性和科學(xué)性是大勢(shì)所趨。

數(shù)據(jù)合并的方法能夠有效地處理合并機(jī)制所存在的問題，同時(shí)數(shù)據(jù)合并可以運(yùn)用科學(xué)的方法來合并信息，將信息聚合在多個(gè)階段。例如可以劃分為數(shù)據(jù)的收集和數(shù)據(jù)的提取等，依據(jù)這一特點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)的合并機(jī)制劃分為以下三個(gè)層次：數(shù)據(jù)級(jí)數(shù)據(jù)合并、功能級(jí)合并信息和決策級(jí)信息合并。數(shù)據(jù)級(jí)合并強(qiáng)調(diào)的主要內(nèi)容是合并級(jí)別，合并級(jí)別可以有效地將傳感器當(dāng)中所需要傳輸?shù)男畔⒑蛿?shù)據(jù)進(jìn)行有效的整合，為決策功能做準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)極的合并有利于推動(dòng)功能級(jí)合并的實(shí)現(xiàn)。功能級(jí)合并是將數(shù)據(jù)特征[6-7]刪除然后合并；決策級(jí)合并是對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和合并。由于數(shù)據(jù)合并系統(tǒng)所分布的數(shù)據(jù)存在特定的差異，因此，必須要基于相關(guān)基礎(chǔ)進(jìn)行有效的分類，數(shù)據(jù)合并機(jī)制可以劃分為集中合并方式和分布合并方式。分布式和集中式都包括合并中心，但在數(shù)據(jù)處理方式上，集中式合并則是單次傳輸?shù)胶喜⒅行摹Ｅc集中式合并相比，分布式合并可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)性溝通壓力，因此文獻(xiàn)綜述主要集中在分布式合并上。

3 水聲信號(hào)處理中的多傳感器數(shù)據(jù)融合的發(fā)展

多傳感器數(shù)據(jù)在水聲信號(hào)處理的融合技術(shù)是在20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一項(xiàng)軍工領(lǐng)域的重要技術(shù)。發(fā)展到現(xiàn)在，多傳感器數(shù)據(jù)在水聲信號(hào)處理的融合技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)、工業(yè)制造、智能工業(yè)、系統(tǒng)及檢測(cè)等諸多領(lǐng)域，我國則在水聲信號(hào)處理領(lǐng)域應(yīng)用得更多。

在此背景下，水聲信號(hào)處理的核心也已然成為了多傳感器融合技術(shù)。事實(shí)上，這是技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新的必然結(jié)果。由于海底世界如此復(fù)雜，人類不可能長(zhǎng)時(shí)間潛入深海，我們只能依靠傳感器技術(shù)來探索海底世界。起初我國只有一個(gè)傳感器在海床上單獨(dú)作戰(zhàn)，而自21世紀(jì)起，多傳感器融合技術(shù)迅速發(fā)展，使傳感資料的處理效率和精確度得到了極大的改善。

4 多傳感器數(shù)據(jù)在水聲信號(hào)處理中融合應(yīng)用情況

4.1 應(yīng)用于水下目標(biāo)探測(cè)之中

水下多點(diǎn)觸控融合技術(shù)的使用，顯著提升了水下聲音識(shí)別的深度和廣度。多傳感器融合技術(shù)的不斷發(fā)展，使得水下目標(biāo)的檢測(cè)精度、便利性都大大提高，滿足了對(duì)現(xiàn)代作戰(zhàn)資源的需求。但是，在水下環(huán)境中使用多傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)合并的研究還比較少，有關(guān)于傳感器的參考文獻(xiàn)也相對(duì)較少，因此必須要借鑒合并檢測(cè)技術(shù)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行全面地分析，希望可以將其應(yīng)用在本篇文章的檢測(cè)當(dāng)中。在水下目標(biāo)信號(hào)[8-9]檢測(cè)中，數(shù)據(jù)融合是以分布式方式進(jìn)行的，通過自身觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行功能級(jí)合并、數(shù)據(jù)級(jí)決策，而后進(jìn)行切割處理數(shù)據(jù)，將得到的結(jié)果傳遞給合并器。中心進(jìn)行匯總與合并，由于分布式合并機(jī)制只需要通過合并中心來處理評(píng)估結(jié)果，避免了合并中心需要處理每個(gè)傳感器所傳輸進(jìn)來的信息和數(shù)據(jù)承載的大量運(yùn)算壓力，使得單一元件的性能得到了極大的提升。但是一定程度上來說也有缺陷存在于分布式合并機(jī)制中，其主要特點(diǎn)是各傳感器僅依賴于自身的觀察結(jié)果，沒有對(duì)各傳感器的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。

在此之前，由于我國單一的傳感器技術(shù)水平尚不成熟，導(dǎo)致無法全面檢測(cè)到深度大的水下聲波信號(hào)。然而由于采用了多個(gè)傳感器的融合技術(shù)，很多微弱的聲音都能在水內(nèi)被探測(cè)到，并能被精確地傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。有了這種技術(shù)，我們的海洋通訊能力也就得以大大增強(qiáng)[10]。

由于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，中國海軍在我國海域的安全問題上已經(jīng)不那么復(fù)雜。實(shí)際上，中國海軍能夠利用多個(gè)感應(yīng)器融合技術(shù)來預(yù)先辨識(shí)出任何進(jìn)入我們海域的目標(biāo)。而且，艦隊(duì)可以快速確定入侵目標(biāo)的形狀及其可能的目的地，自然而然地，我國保護(hù)海洋的能力就得到了顯著提高。

4.2 多傳感器融合技術(shù)應(yīng)用于追蹤水聲信號(hào)

在以前的水下跟蹤系統(tǒng)中，無法立即跟蹤海底的水聲目標(biāo)。由于之前的水下跟蹤系統(tǒng)是單觸式作戰(zhàn)系統(tǒng)，水下目標(biāo)的移動(dòng)方向是不可能追蹤的。而現(xiàn)在，利用多個(gè)感應(yīng)器來追蹤目標(biāo)的問題已經(jīng)得到很好地解決。多傳感器系統(tǒng)采用融合技術(shù)，無論該系統(tǒng)中的哪個(gè)傳感器感應(yīng)到水中的聲學(xué)信號(hào)，都可以立即對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。這是因?yàn)楫?dāng)某個(gè)傳感器感應(yīng)到水下聲音信號(hào)時(shí)，它會(huì)立即在多點(diǎn)觸控命令系統(tǒng)中傳輸它感應(yīng)到的信息，控制系統(tǒng)將立即向適當(dāng)?shù)膫鞲衅魈峁┠繕?biāo)軌跡的水聲信號(hào)，以便及時(shí)對(duì)其進(jìn)行跟蹤[11-12]。

使用多傳感器數(shù)據(jù)融合可以有效地解決數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的問題，因?yàn)槭褂枚鄠鞲衅鲾?shù)據(jù)融合能夠通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)之間所存在的關(guān)聯(lián)，全面更新軌跡測(cè)量值，并使該測(cè)量合理化。在實(shí)際應(yīng)用中，有多元模型法、卡爾曼濾波器相關(guān)法、多元假設(shè)跟蹤法等三種數(shù)據(jù)方法可以用于真實(shí)的關(guān)聯(lián)。

作為一種較為典型的數(shù)據(jù)相關(guān)性，數(shù)據(jù)概率關(guān)聯(lián)的可靠性很高，還有相關(guān)的可追溯性可以適用于在特殊環(huán)境下的數(shù)據(jù)跟蹤，所以這一方法是基于特殊情況下改進(jìn)出來的方法，因此需要設(shè)定出一個(gè)假設(shè)模型：這個(gè)方程是基于目標(biāo)狀態(tài)的方程模型，而另一個(gè)方程是基于被測(cè)狀態(tài)的方程模型。因?yàn)榱惆自肼曅蛄兄g具有自相關(guān)性，并且其方差也是已知的，因此得到該方程數(shù)計(jì)算的數(shù)據(jù)有利于實(shí)現(xiàn)模型的更新，能夠全面地包含目標(biāo)的可能狀態(tài)[13]。

因?yàn)檫@種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方法具有一定的跟蹤問題，所以不能夠采用處理多目標(biāo)跟蹤的方法來解決這一問題。這兩種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法的區(qū)別在于，在聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中，觀測(cè)意義和軌跡的關(guān)聯(lián)概率等于所有聯(lián)合事件的概率之和。隨后，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方法不斷地進(jìn)行更新和改造，能夠創(chuàng)造出符合現(xiàn)實(shí)社會(huì)發(fā)展所需求的各種各樣數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，同時(shí)也在一定程度上提高各部門工作和跟蹤的效率，降低各個(gè)部位的工作壓力。

4.3 多傳感器融合技術(shù)應(yīng)用于識(shí)別水聲信號(hào)

近幾年水聲信號(hào)的探測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了多個(gè)傳感器的融合技術(shù)。換句話說，只要有水聲信號(hào)，所有的傳感器都會(huì)對(duì)水下的聲音進(jìn)行探測(cè)和評(píng)價(jià)，并且給出這些信號(hào)的特定特征以及對(duì)應(yīng)的目標(biāo)方位以及群體。

這種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在一定程度上幫助了我國相關(guān)科學(xué)家對(duì)海洋生物領(lǐng)域的了解。此外，該技術(shù)還廣泛應(yīng)用于海軍領(lǐng)域。這是因?yàn)楹＼娙藛T可以使用該系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)是中國船只還是外國船只進(jìn)入我國海港，使我國海軍的防御能力得到了提高[14]。

倫敦大學(xué)和英國儀器研究協(xié)會(huì)能夠針對(duì)現(xiàn)實(shí)情況來創(chuàng)造出水下目標(biāo)檢測(cè)的數(shù)據(jù)集成技術(shù)，并且將這一種方法應(yīng)用在水下遠(yuǎn)程控制機(jī)車的研究。已有文獻(xiàn)報(bào)道，多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的二維資料結(jié)合可以獲得直觀清晰的三維信息，但具體的操作方法也沒有給出明確的表述。隨后，一部分相關(guān)的研究人員將數(shù)據(jù)集成技術(shù)應(yīng)用在水下目標(biāo)分類和識(shí)別的過程當(dāng)中，主要是通過模型來進(jìn)行分析解決功能層面的具體問題。它利用最大似然分類器對(duì)相機(jī)圖像中的圖像進(jìn)行預(yù)分類，并將其與Adaboost算法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的處理。采用對(duì)稱融合技術(shù)，分離了高容錯(cuò)度和開放性的特征，多維特征級(jí)融合是一個(gè)過渡過程。每個(gè)相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行特征提取，從所抽取的特征中獲取的信息應(yīng)當(dāng)能夠完整地表達(dá)出需要的信息，或具有足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。將所收集到的信息進(jìn)行分類、匯總、合成，得到適合的屬性矢量，再利用該方法對(duì)屬性矢量進(jìn)行進(jìn)一步處理，從而生成屬性的描述。

4.4 自主式水下潛器導(dǎo)航中的多傳感器數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以在多個(gè)水下檢測(cè)和識(shí)別行為當(dāng)中得到廣泛的應(yīng)用，而且根據(jù)這項(xiàng)技術(shù)所設(shè)置研究的自主水下航行器受到了廣大人民群眾的關(guān)注，這一研究意義的廣度和深度都得到了拓展。自主潛水器是新一代水下機(jī)車，其運(yùn)動(dòng)范圍不僅限于線纜。自主潛水器可移動(dòng)，不易被發(fā)現(xiàn)，而且非常靈活，因此它是一種非常重要的水下作業(yè)工具。在水下作業(yè)環(huán)境中，單一的傳感器設(shè)備存在著自身的缺陷，需要對(duì)多個(gè)傳感器進(jìn)行集成，以保證信息的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和可靠性。以此為基礎(chǔ)的要求和特點(diǎn)，注重使用數(shù)據(jù)集成技術(shù)，現(xiàn)有的自主水下航行器導(dǎo)航系統(tǒng)可以分為四種類型：具有過濾和評(píng)估功能的導(dǎo)航系統(tǒng)、具有過濾功能的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)、行為驅(qū)動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)以及機(jī)械式導(dǎo)航系統(tǒng)等不同的系統(tǒng)，其計(jì)算方法各有不同，集成的方式也不盡相同[15]。比如，利用陀螺儀、深度傳感器、速度傳感器等儀器，可以直接采集和處理以GPS為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng)，預(yù)測(cè)自主水下航行器的方向，可以給予準(zhǔn)確的調(diào)整，并且能夠引入特定的信息技術(shù)手段提高該設(shè)備的智能化水平，有利于實(shí)現(xiàn)工作量的減少，同時(shí)也提高了各個(gè)部件的工作效率。處理流程為：①聲吶，水下相機(jī)設(shè)計(jì)在公共空間；②接收與處理有關(guān)的資訊；③利用資料融合技術(shù)，克服了單一傳感器的不足，提高了自主潛艇的智能。總體而言，基于海洋環(huán)境特征的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)融合可以有效地改善水信號(hào)處理的整體質(zhì)量和效率。技術(shù)必須要努力開發(fā)更加豐富的傳感器類型，才能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的全面融合。

5 結(jié)語

中國科技發(fā)展迅速，對(duì)觸控技術(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)的改造，最大的成功在于多點(diǎn)觸控技術(shù)。實(shí)際上，這種技術(shù)在探測(cè)、跟蹤和感應(yīng)水下聲波方面非常出色，拓展了人類對(duì)水下生物的認(rèn)知領(lǐng)域。此外，多點(diǎn)觸控合并技術(shù)也已應(yīng)用于海軍領(lǐng)域，通過在海軍領(lǐng)域使用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，使我軍的防御力也有了很大的提升。但是，目前在水聲信號(hào)處理中，多個(gè)傳感器的融合技術(shù)還不夠成熟，還有待相關(guān)專家不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)。

本文詳細(xì)分析了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在水聲信號(hào)處理領(lǐng)域中的作用機(jī)理與方法，以及在水聲領(lǐng)域?qū)π盘?hào)的處理和查看。在應(yīng)用此類技術(shù)時(shí)，科學(xué)家必須充分考慮水下環(huán)境的真實(shí)特性，如通信限制和環(huán)境的不確定性，從而真正推動(dòng)我國水聲信號(hào)處理行業(yè)的快速發(fā)展。