水聲信號處理中的多傳感器數據融合

張嘯天

海軍大連艦艇學院，遼寧大連，116000

0 引言

進入新世紀后，隨著我國國民經濟實力的不斷增強，我國社會主義市場經濟體制也必須逐步完善，生活的各個領域都取得了前所未有的進步和發展。其中，數據集成技術是一個比較先進的門類，該技術逐漸應用于軍事和民用等多個領域，數據集成技術也成為水聲信號處理行業的關鍵技術之一[1-2]。但是，由于水下環境極其復雜，這大大降低了單個傳感器的可靠性，因此一個重要的趨勢是多個水下傳感器共同使用，這也要求更加先進的多傳感器數據合并技術[3]。本文主要是針對水信號處理過程中所采用的多傳感器數據融合方法進行全面的研究和分析，并且將多傳感器數據融合技術在水聲信號處理過程當中的應用進行闡述。

1 水聲信號概念與傳感器的內容

1.1 水聲信號的概念

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

1.2 傳感器的內容

傳感器主要指的是可以應用在通訊方面的聯系工具，同時也可以將其應用在人與物體兩者之間的通訊。傳感器在應用過程當中可以有效地檢測數據轉變的信號特征，人們可以通過分析傳感器所發送出來的信號特征來進行區分。

2 水聲信號處理中的多傳感器數據融合的機制和方法

數據集成技術不是新發明的，而是由傳統的理論和處理技術兩者之間相結合，發展了智能控制與數字信號處理等技術的一體化。所以可以看出數據集成是一項跨學科、多領域的工作?，F如今中國的經濟、技術水平不斷提高，信息融合技術的應用也日益成熟，進一步提高多傳感器數據融合方法的準確性和科學性是大勢所趨。

數據合并的方法能夠有效地處理合并機制所存在的問題，同時數據合并可以運用科學的方法來合并信息，將信息聚合在多個階段。例如可以劃分為數據的收集和數據的提取等，依據這一特點可以將數據的合并機制劃分為以下三個層次：數據級數據合并、功能級合并信息和決策級信息合并。數據級合并強調的主要內容是合并級別，合并級別可以有效地將傳感器當中所需要傳輸的信息和數據進行有效的整合，為決策功能做準備，數據極的合并有利于推動功能級合并的實現。功能級合并是將數據特征[6-7]刪除然后合并；決策級合并是對收集到的數據進行判斷和合并。由于數據合并系統所分布的數據存在特定的差異，因此，必須要基于相關基礎進行有效的分類，數據合并機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，但在數據處理方式上，集中式合并則是單次傳輸到合并中心。與集中式合并相比，分布式合并可以進一步降低系統性溝通壓力，因此文獻綜述主要集中在分布式合并上。

3 水聲信號處理中的多傳感器數據融合的發展

多傳感器數據在水聲信號處理的融合技術是在20世紀中葉發展起來的一項軍工領域的重要技術。發展到現在，多傳感器數據在水聲信號處理的融合技術已廣泛應用于航天工業、工業制造、智能工業、系統及檢測等諸多領域，我國則在水聲信號處理領域應用得更多。

在此背景下，水聲信號處理的核心也已然成為了多傳感器融合技術。事實上，這是技術進步和創新的必然結果。由于海底世界如此復雜，人類不可能長時間潛入深海，我們只能依靠傳感器技術來探索海底世界。起初我國只有一個傳感器在海床上單獨作戰，而自21世紀起，多傳感器融合技術迅速發展，使傳感資料的處理效率和精確度得到了極大的改善。

4 多傳感器數據在水聲信號處理中融合應用情況

4.1 應用于水下目標探測之中

水下多點觸控融合技術的使用，顯著提升了水下聲音識別的深度和廣度。多傳感器融合技術的不斷發展，使得水下目標的檢測精度、便利性都大大提高，滿足了對現代作戰資源的需求。但是，在水下環境中使用多傳感器技術進行數據合并的研究還比較少，有關于傳感器的參考文獻也相對較少，因此必須要借鑒合并檢測技術的文獻資料進行全面地分析，希望可以將其應用在本篇文章的檢測當中。在水下目標信號[8-9]檢測中，數據融合是以分布式方式進行的，通過自身觀測數據進行功能級合并、數據級決策，而后進行切割處理數據，將得到的結果傳遞給合并器。中心進行匯總與合并，由于分布式合并機制只需要通過合并中心來處理評估結果，避免了合并中心需要處理每個傳感器所傳輸進來的信息和數據承載的大量運算壓力，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制中，其主要特點是各傳感器僅依賴于自身的觀察結果，沒有對各傳感器的相關關系進行分析。

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

由于多傳感器數據融合技術的發展，中國海軍在我國海域的安全問題上已經不那么復雜。實際上，中國海軍能夠利用多個感應器融合技術來預先辨識出任何進入我們海域的目標。而且，艦隊可以快速確定入侵目標的形狀及其可能的目的地，自然而然地，我國保護海洋的能力就得到了顯著提高。

4.2 多傳感器融合技術應用于追蹤水聲信號

在以前的水下跟蹤系統中，無法立即跟蹤海底的水聲目標。由于之前的水下跟蹤系統是單觸式作戰系統，水下目標的移動方向是不可能追蹤的。而現在，利用多個感應器來追蹤目標的問題已經得到很好地解決。多傳感器系統采用融合技術，無論該系統中的哪個傳感器感應到水中的聲學信號，都可以立即對其進行監控。這是因為當某個傳感器感應到水下聲音信號時，它會立即在多點觸控命令系統中傳輸它感應到的信息，控制系統將立即向適當的傳感器提供目標軌跡的水聲信號，以便及時對其進行跟蹤[11-12]。

使用多傳感器數據融合可以有效地解決數據關聯的問題，因為使用多傳感器數據融合能夠通過分析相關數據之間所存在的關聯，全面更新軌跡測量值，并使該測量合理化。在實際應用中，有多元模型法、卡爾曼濾波器相關法、多元假設跟蹤法等三種數據方法可以用于真實的關聯。

作為一種較為典型的數據相關性，數據概率關聯的可靠性很高，還有相關的可追溯性可以適用于在特殊環境下的數據跟蹤，所以這一方法是基于特殊情況下改進出來的方法，因此需要設定出一個假設模型：這個方程是基于目標狀態的方程模型，而另一個方程是基于被測狀態的方程模型。因為零白噪聲序列之間具有自相關性，并且其方差也是已知的，因此得到該方程數計算的數據有利于實現模型的更新，能夠全面地包含目標的可能狀態[13]。

因為這種數據關聯的方法具有一定的跟蹤問題，所以不能夠采用處理多目標跟蹤的方法來解決這一問題。這兩種數據關聯方法的區別在于，在聯合概率數據關聯設計中，觀測意義和軌跡的關聯概率等于所有聯合事件的概率之和。隨后，通過數據關聯的方法不斷地進行更新和改造，能夠創造出符合現實社會發展所需求的各種各樣數據關聯方法，同時也在一定程度上提高各部門工作和跟蹤的效率，降低各個部位的工作壓力。

4.3 多傳感器融合技術應用于識別水聲信號

近幾年水聲信號的探測領域已經應用了多個傳感器的融合技術。換句話說，只要有水聲信號，所有的傳感器都會對水下的聲音進行探測和評價，并且給出這些信號的特定特征以及對應的目標方位以及群體。

這種自動識別技術在一定程度上幫助了我國相關科學家對海洋生物領域的了解。此外，該技術還廣泛應用于海軍領域。這是因為海軍人員可以使用該系統自動檢測是中國船只還是外國船只進入我國海港，使我國海軍的防御能力得到了提高[14]。

倫敦大學和英國儀器研究協會能夠針對現實情況來創造出水下目標檢測的數據集成技術，并且將這一種方法應用在水下遠程控制機車的研究。已有文獻報道，多個相對獨立的二維資料結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，一部分相關的研究人員將數據集成技術應用在水下目標分類和識別的過程當中，主要是通過模型來進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相機圖像中的圖像進行預分類，并將其與Adaboost算法結合，實現多任務的處理。采用對稱融合技術，分離了高容錯度和開放性的特征，多維特征級融合是一個過渡過程。每個相機的圖像數據都需要進行特征提取，從所抽取的特征中獲取的信息應當能夠完整地表達出需要的信息，或具有足夠的統計數據。將所收集到的信息進行分類、匯總、合成，得到適合的屬性矢量，再利用該方法對屬性矢量進行進一步處理，從而生成屬性的描述。

4.4 自主式水下潛器導航中的多傳感器數據融合

數據融合技術可以在多個水下檢測和識別行為當中得到廣泛的應用，而且根據這項技術所設置研究的自主水下航行器受到了廣大人民群眾的關注，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車，其運動范圍不僅限于線纜。自主潛水器可移動，不易被發現，而且非常靈活，因此它是一種非常重要的水下作業工具。在水下作業環境中，單一的傳感器設備存在著自身的缺陷，需要對多個傳感器進行集成，以保證信息的準確性、科學性和可靠性。以此為基礎的要求和特點，注重使用數據集成技術，現有的自主水下航行器導航系統可以分為四種類型：具有過濾和評估功能的導航系統、具有過濾功能的圖像導航系統、行為驅動導航系統以及機械式導航系統等不同的系統，其計算方法各有不同，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為基礎的導航系統，預測自主水下航行器的方向，可以給予準確的調整，并且能夠引入特定的信息技術手段提高該設備的智能化水平，有利于實現工作量的減少，同時也提高了各個部件的工作效率。處理流程為：①聲吶，水下相機設計在公共空間；②接收與處理有關的資訊；③利用資料融合技術，克服了單一傳感器的不足，提高了自主潛艇的智能?？傮w而言，基于海洋環境特征的多個傳感器數據融合可以有效地改善水信號處理的整體質量和效率。技術必須要努力開發更加豐富的傳感器類型，才能夠實現技術的全面融合。

5 結語

中國科技發展迅速，對觸控技術也進行了相應的改造，最大的成功在于多點觸控技術。實際上，這種技術在探測、跟蹤和感應水下聲波方面非常出色，拓展了人類對水下生物的認知領域。此外，多點觸控合并技術也已應用于海軍領域，通過在海軍領域使用多傳感器數據融合技術，使我軍的防御力也有了很大的提升。但是，目前在水聲信號處理中，多個傳感器的融合技術還不夠成熟，還有待相關專家不斷地創新和改進。

本文詳細分析了多傳感器數據融合技術在水聲信號處理領域中的作用機理與方法，以及在水聲領域對信號的處理和查看。在應用此類技術時，科學家必須充分考慮水下環境的真實特性，如通信限制和環境的不確定性，從而真正推動我國水聲信號處理行業的快速發展。