多源數據融合評估算法的研究

郭妍利 唐思圓 谷升陽

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

0 概述

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

1 融合評估指標體系

融合評估主要是對多源數據融合后航跡的評估,包括融合評估指標體系的建立,評估指標計算方法的確定,評估數據的記錄和導入,評估指標計算,評估結果圖-表展示,及評估報告自動生成等功能。

融合評估指標體系包括兩個方面,含系統性能評估和航跡質量評估。其中,系統性能評估有系統周期處理最大航跡數和系統瞬時處理最大航跡數兩個指標;航跡質量評估包括系統航跡質量評估和單條航跡質量評估,其中系統航跡質量評估包括漏情率、虛情率和時效性等指標;單條航跡質量評估包括航跡起始時間、漏關率、錯關率、航跡零碎度和位置精度等指標。融合評估指標體系如圖1所示。

圖1 融合評估指標體系Fig.1 Integrated evaluation index system

2 融合評估指標計算

對融合系統進行評估時,涉及到的目標航跡有真值航跡、雷達探測原始航跡和融合航跡。其中真值航跡數包括目標真值航跡數N 和非目標真值航跡數M。目標真值航跡和非目標真值航跡定義如下:

目標真值航跡:有真值對應的觀測目標航跡;

非目標真值航跡:沒有真值對應的非觀測目標航跡。

2.1 融合系統性能評估指標

對融合系統性能的評估是對影響系統有效性指標的評估,即:系統周期處理最大航跡數和系統瞬時處理最大航跡數兩個指標。

(1)系統周期處理最大航跡數,是指在周期內,融合處理系統能夠處理的最大航跡數。該指標用于評估融合系統的處理能力。當某一融合系統不滿足該處理容量指標時,則該系統性能指標不達標,不再進行其他評估指標計算。

(2)系統瞬時處理最大航跡數,是指在極短時間內系統能夠處理的最大航跡數。該指標用來衡量融合系統的瞬時處理能力。當系統不滿足該指標時,融合系統接收大容量數據時會出現融合軟件卡死、信息丟失等情況,因此當該指標不達標時,默認融合系統不合格,不再進行其他評估指標計算。

2.2 航跡質量評估指標

2.2.1 航跡相關性計算

在航跡質量的評估過程中,首先根據導入的數據進行融合航跡與真值航跡及原始航跡之間相關性計算,計算過程為:(1)真值航跡與融合/原始航跡之間的相關計算。單條真值航跡與系統中所有融合/原始航跡分別進行相關,計算獲得真值航跡和融合/原始航跡的對應關系表;(2)融合航跡與原始航跡之間的相關計算。單條融合航跡與雷達探測原始航跡分別進行相關,計算獲得融合航跡與原始航跡的對應關系表;(3)融合航跡與相關成功的原始航跡之間的相關計算。將相關成功的一條或多條原始航跡的航跡點,按照時間排列在一個鏈表上,融合航跡的航跡點與原始航跡點遍歷相關,獲得融合航跡與原始航跡之間相關成功航跡點的個數。

2.2.2 系統航跡質量評估指標

(1)系統漏情率。漏情率是指融合系統未發現目標情報的概率。

計算方法為:真值航跡中沒有與融合航跡相關成功的真值航跡數與系統真值航跡總數的比率。其中系統真值航跡總數為系統真值航跡數減去沒有與原始航跡相關成功的真值航跡數。漏情率主要用于評估融合系統目標的發現能力。

(2)系統虛情率。虛情率是指融合系統輸出虛假目標情報的概率。

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成功的融合航跡數與系統真值航跡總數的比率。虛情率主要用于評估融合系統目標發現的正確性。當虛情率為0時,表示該融合系統沒有虛假目標產生;當虛情率大于1 時,表示該融合系統產生的虛假目標比較多。

(3)系統時效性。系統時效性是指融合系統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:系統所有融合航跡與相關成功的原始航跡航跡點之間的時間差求和取平均值。計算獲得的系統處理時間越大,表示該融合系統時效性越差。

2.2.3 單條航跡質量評估指標

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

計算方法:當前融合處理軟件航跡起始的準則是多點起始,不同的融合算法有一點起始、三點起始等多種準則,但一旦建立穩定航跡,即將建立穩定航跡的連續多點均輸出,因此通過融合航跡中航跡點輸出與輸入的時間差來計算航跡起始時間,對時間差進行比較,如果在第n點的時間差遠小于前n點的時間差,則認為融合航跡在第n點起始,起始時間為第n 點輸出時間與第一點輸入時間之間的時間差。

(2)漏關率。航跡漏關率是指融合航跡的丟點概率。

計算方法:與該融合航跡相關成功的原始航跡中匹配不成功的航跡點數與原始航跡總航跡點數的比率。漏關率越低,說明該融合航跡輸出連續性越好。

(3)錯關率。航跡錯關率是指融合航跡點相關錯誤的概率。

計算方法為:融合航跡與相關成功原始航跡進行航跡點相關,相關失敗的航跡點數與原始航跡總航跡點數的比率。

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

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

計算方法為:1)計算融合航跡某一點距離的一次差;2)計算該融合航跡所有點距離的一次差,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準差;4)根據一次差標準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 綜合評估指標計算

綜合評估指標即將計算獲得的各個指標進行歸一化處理并加權計算獲得一個總的得分的過程[3-4]。綜合評估指標計算過程為:(1)指標選擇;(2)指標權重設置;(3)單個指標計算;(4)單個指標歸一化處理;(5)不同指標加權求和。

最終計算獲得綜合評估指標為(0,1)標量空間上的值,值越大表示該融合系統融合算法越優越。

3 仿真驗證實驗結果

按上述評估指標體系對仿真系統采集數據和實際試驗采集數據進行融合性能評估,圖2 為仿真數據評估結果,圖3為實戰數據評估結果。

圖2 仿真數據評估結果Fig.2 Simulation data evaluation results

圖3 實際數據評估結果Fig.3 Actual data evaluation results

經離線比對分析,該系統的評估結果與實際分析結果一致,與融合軟件的實際應用效果一致。仿真結果和實際應用結果表明,該評估結果可信,可以用于對多源數據融合系統進行融合算法的性能評價。

4 總結

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