战场态势感知与信息融合

信息融合技术来自军事需求，其目标是形成及时、准确、连续完整和一致的战场态势，以便及时、准确地获得运动目标的状态估计，完成对运动目标的连续跟踪。
本书以工科本科数学基础为起点，以战场态势感知的形成过程为主要讲解对象，系统介绍信息融合的基本概念和相关数学知识，教材内容力求自成体系，好读、好懂，紧密联系实际，适合高年级本科生和研究生阅读。
本书注重把握战场信息融合基本概念的理解，避免冗长的理论推导；注重理解信息融合的工程技术背景；注重在网络中心战理论框架内对数据融合问题的理解；重点充实具有贴近实际应用案例的教学内容，强调引申、联系到军事应用。

本教材以战场态势感知的形成过程为主要讲解对象，要求学习完本教材后，能理解信息融合的基本步骤，了解每个步骤中的典型算法。*章对态势感知的概念和模型进行讲述；第二章是对常用战场传感器的介绍；第三章补充信息融合过程中需要使用的基本理论；第四章是雷达数据的处理；第五章是视频数据的分析处理；第六章详细介绍信息融合技术在军事领域的应用。

赵文栋 博士，陆军工程大学副教授，主要研究方向为计算机网络、服务计算，先后主持几十项军内外科研项目，发表学术论文60余篇。曾获多项军队科技进步奖。

第1章概述1
1.1战场态势的概念与模型1
1.1.1态势感知模型1
1.1.2态势感知的环节4
1.1.3态势理论和逻辑模型4
1.1.4状态转换数据融合模型6
1.2数据融合及其模型7
1.2.1初始定义8
1.2.2JDL模型的演进8
1.2.3其他模型9
1.2.4战场数据融合的五级模型9
1.3多传感器态势处理的关键技术11
1.3.1MTT面临的挑战12
1.3.2面向目标跟踪的融合实现结构12
1.3.3关键技术14
1.4一致战场态势及其形成18
1.4.1NCW与FIOP18
1.4.2战场态势要素20
1.4.3COP20
1.4.4CTP22
1.4.5SIP22
1.4.6战区COP的建立过程23
1.4.7小结25

第2章常用战场传感器26
2.1概述26
2.2雷达26
2.2.1雷达框图27
2.2.2雷达方程30
2.2.3从雷达回波可获取的信息31
2.2.4雷达频率33
2.2.5脉冲多普勒雷达34
2.2.6脉冲压缩40
2.3视频传感器44
2.3.1红外传感器44
2.3.2光学传感器46
2.4电子侦察传感器47
2.4.1ESM的测量功能47
2.4.2测角定位的原理49
2.4.3时差定位的原理53
2.5声呐传感器57
2.5.1声呐的原理58
2.5.2拖曳线列阵声呐59
2.5.3潜艇配备的声呐60

第3章态势信息处理的理论基础62
3.1统计与判决理论62
3.1.1随机数及其生成62
3.1.2假设检验68
3.1.3常用的统计模型69
3.2正交投影与小二乘估计71
3.2.1引言71
3.2.2内积空间74
3.2.3正交投影矩阵76
3.2.4正交性原理84
3.2.5线性方程组的求解85
3.2.6广义逆矩阵与线性方程组89
3.3线性均方误差估计与正交性原理91
3.3.1线性均方误差估计91
3.3.2KL变换与主成分分析93
3.4线性卡尔曼滤波97
3.5扩展卡尔曼滤波100
3.6不敏卡尔曼滤波102
3.6.1问题的描述103
3.6.2不敏变换107
3.6.3提高精度及sigma点集的优化选择110
3.6.4不敏滤波及其应用121
3.6.5总结与结论127
3.7粒子滤波128
3.7.1目标状态滤波问题128
3.7.2粒子滤波器131
3.7.3重采样132
3.7.4粒子滤波示例134
3.8属性合成理论135
3.8.1贝叶斯方法135
3.8.2证据理论137

第4章雷达数据处理技术145
4.1多传感器航迹起始145
4.1.1经典的航迹起始方法146
4.1.2基于Hough变换的航迹起始方法148
4.2雷达的航迹跟踪156
4.2.1跟踪门156
4.2.2经典的一维跟踪模型157
4.2.3耦合跟踪模型160
4.3被动传感器的航迹跟踪161
4.3.1扩展Kalman滤波法161
4.3.2修正增益EKF法162
4.3.3修正极坐标Kalman法162
4.4多传感器航迹相关164
4.4.1航迹相关准则165
4.4.2两节点时独立序贯航迹关联165
4.4.3多节点时独立序贯航迹关联166
4.4.4拓扑航迹相关法167
4.5多传感器航迹融合171
4.5.1简单凸组合航迹融合171
4.5.2修正互协方差航迹融合171
4.5.3信息矩阵航迹融合171
4.5.4协方差交叉算法172
4.6系统误差估计172
4.6.1时间系统误差的估计172
4.6.2探测系统误差的估计177
4.6.3时间与探测系统误差的联合估计180

第5章战场图像处理技术185
5.1视觉目标特征185
5.1.1图像底层特征185
5.1.2纹理特征192
5.1.3梯度直方图199
5.1.4Harris角点及其改进201
5.1.5SIFT特征203
5.2视觉目标识别技术210
5.2.1运动目标检测210
5.2.2基于字典的识别方法217
5.3视觉目标跟踪技术222
5.3.1KLT跟踪方法223
5.3.2均值漂移跟踪方法225
5.3.3基于粒子滤波的视频跟踪229

第6章数据链中的信息融合技术234
6.1战术数据链航迹处理技术234
6.1.1航迹消息235
6.1.2航迹处理流程236
6.1.3数据配准237
6.1.4航迹质量计算240
6.1.5航迹相关/解相关241
6.1.6报告职责242
6.1.7航迹协调242
6.1.8应用水平243
6.1.9小结244
6.2联合战术信息分发系统中的平台定位245
6.2.1相对导航原理245
6.2.2相对导航架构246
6.2.3相对导航软件的工作流程247
6.2.4相对导航的基本算法248
6.2.5定位精度的影响因素及仿真分析251
6.3武器协同数据链与单一综合空情图257
6.3.1CEC257
6.3.2SIAP起源与需求259
6.4战场态势质量评估266
6.4.1数据融合处理的测试与评估267
6.4.2测试工具: 测试平台、仿真和标准数据库270
6.4.3融合性与军事效能的关系271
6.4.4小结274

参考文献275

战场态势感知与信息融合前言
信息融合技术来自军事需求，其目标是形成及时、准确、连续、完整和一致的战场态势。随着信息技术的迅猛发展，特别是战场传感器技术和军事通信技术的快速发展，获得统一的战场态势已经成为可能。利用统一的战场态势，可以支撑战场预警、作战决策、指挥控制、火力打击、效果评估等一系列作战活动。
信息融合早期被称为数据融合，其目标是进行多传感器数据的融合，以便及时、准确地获得运动目标的状态估计，完成对运动目标的连续跟踪。20世纪90年代后，多军兵种联合作战和多平台协同作战需求的涌现以及远程精确打击武器的出现，都对战场态势感知的实时性和精确性提出了更高的要求；数据的来源和表现形式都发生了很大变化，不再局限于传统的雷达、声呐等传感器；图像视频、人工情报、网络数据等都成为战场态势信息的来源；而且融合能力也提升到战场态势估计和威胁评估等高级功能，作战应用扩展到指挥决策和精确打击。所以，人们更多地开始使用“信息融合”这个概念。
本书以战场态势感知的形成过程为主要讲解对象，要求学生学完本教材后，能理解信息融合的基本步骤，了解每个步骤中的典型算法。本书第1章对态势感知的概念和模型进行了讲述，这是本书的主要技术线索。第2章是对常用战场传感器进行了介绍，对雷达、视频、电子侦察、声呐的工作原理和输出数据类型进行了详细描述，这是理解后续信息处理算法的基础。第3章补充了信息融合过程中使用到的基本理论，由于信息融合的理论体系庞杂，因此我们只选取了数理统计、滤波、离散属性融合方面的内容，用途局限的粗糙集、随机集都被迫放弃。第4章是雷达数据的处理，这是主流的战场传感器处理，理解其中的问题和解决方法对扩展到其他传感器类型都很有帮助。第5章是战场图像处理技术。视频数据是新兴的数据类型，它的信息量非常大、处理难度也很大，但是理解它的基本理论和方法对后续的研究和开发有重要意义。第6章详细介绍了信息融合技术在军事领域的应用，选取了数据链航迹处理、JTIDS数据链相对导航、武器协同数据链协同作战能力作为典型代表进行讲解。
本书以工科本科生的数学基础为起点，系统介绍信息融合的基本概念和相关数学知识，教材内容力求自成体系，紧密联系实际，适合作为高年级本科生和研究生的教材。
由于信息融合技术内容比较庞杂而且编者水平有限，对全书内容的取舍可能有失偏颇，有些表述还有欠准确。凡是有错误和疏漏之处，都非常感谢读者能给予指出以便我们进一步改进。

编者2019年6月