数据融合基本概念

NUST自动化学院第二篇数据融合NUST自动化学院智能信息处理技术2第1讲数据融合的基本原理NUST自动化学院智能信息处理技术3数据融合的名称类似的名称多传感器相关多源相关多传感器混合多传感器融合信息融合数据融合NUST自动化学院4多传感器数据融合传感器在检测系统中的作用什么是传感器？NUST自动化学院智能信息处理技术55人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微处理器肢体执行器NUST自动化学院智能信息处理技术66人与传感器耳鼻人的感觉器官与对应的传感器：眼舌皮肤声敏传感器味觉传感器压敏、热敏、湿敏传感器光敏传感器声敏传感器NUST自动化学院智能信息处理技术7非电信息电信号定义：传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的器件或装置。如下图所示:NUST自动化学院智能信息处理技术8传感器的组成敏感元件被测信息转换元件信号调节电路辅助电路输出信息传感器组成框图Ø敏感器件的作用是感受被测物理量；Ø辅助器件则是对输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入；Ø转换元件是对信号进行转换输出；NUST自动化学院9应变式压力传感器弹性膜片电阻应变片压力应变电阻变化量敏感元件转换元件定义由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一。直接能将被测量转换为电量输出。压电传感器、光电池、热敏电阻等。NUST自动化学院传感器系统的基本特性传感器系统NUST自动化学院对传感器系统的基本特性研究，第一，用于建立一个测量系统。只有知道传感器系统的基本特性，才能通过测量输出信号y(t)，推导得到输入信号x(t)。第二，用于传感器系统本身的研究、设计与建立。通过观测系统的输入x(t)及输出y(t)，推断建立系统的特性。如果系统特性不满足要求，则应修改相应的内部参数，直至合格为止。NUST自动化学院Ø静态特性又称“刻度特性”、“标定曲线”或“校准曲线”。它表示当输入系统的被测物理量x(t)为不随时间变化的恒定信号，即x(t)=常量时，系统的输入与输出之间呈现的关系。通常，静态特性可由如下的多项式来表示：2012nnyssxsxsx式中：s0,s1,s2,…,sn——y——x——输入量。NUST自动化学院一、静态特性的基本参数1.零位(零点)2.量程Y(FS)3.4.NUST自动化学院二、静态特性的性能指标1.迟滞滞环NUST自动化学院2.重复性重复性NUST自动化学院3.线性度线性度又称“直线性”，它表示系统静态特性对选定拟合直线(y=b+kx)的接近程度。在数值上用非线性相对误差δL的百分数来表示%100)(||FSYLmL式中：ΔLm表示静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差。由于拟合直线确定的方法不同，相应的拟合偏差值与线性度的数值也就不同。目前常用的有：理论线性度、平均选点线性度、端基线性度、最小二乘法线性度等。其中尤以理论线性度与最小二乘法线性度应用最普遍。NUST自动化学院1)设拟合直线方程通式为kxby则第j个标定点的标定值yj与拟合直线上相应值的偏差为jjjykxbL)(最小二乘法拟合直线的确定原则是均方误差为最小值。),()(121kbfLNjNjNUST自动化学院令其一阶偏导为零0),(bkbf0),(kkbf可得两个方程，并解得两个未知量b,k的表达式如下：2112111211211112NjNjjjNjjNjjNjjjNjNjjjNjjjNjjNjjNjjxxNyxyxNkxxNyxxyxbNUST自动化学院线性度NUST自动化学院2)最小二乘法线性度NUST自动化学院4.精度系统误差的绝对值为)()(FSYFSYHL随机误差的绝对值为)(FSYR故系统的总精度A为RHLFSYFSYA)()(基本误差随机误差的绝对值系统误差的绝对值NUST自动化学院Ø动态特性大量被测物理量是随时间变化的动态信号，即x(t)是时间t的函数，不是常量。理想的传感器系统，其输出量y(t)与输入量x(t)的时间函数表达式应该相同。但实际上，二者只能在一定频率范围内，在允许的动态误差条件下保持所谓的一致。动态特性用数学模型来描述,对于连续时间系统主要有三种形式：时域中的微分方程、复频域中的传递函数H(s)、频率域中的频率特性H(jω)。NUST自动化学院一、微分方程1.一阶系统热电偶测温元件NUST自动化学院当热电偶接点温度To低于被测介质温度Ti时，ToTi,则有热流q流入热电偶结点。它与Ti和To的关系可表示如下：dtdTCRTTqooi式中：R——C——若令τ=RC上式可写为iooKTTdtdTNUST自动化学院式中：τ=RC——时间常数，K——放大倍数，式中K=1。上式为一阶微分方程，Ti,To分别是系统的输入量、输出量。不仅是热电偶，其它类型的传感器系统也可能具有一阶微分方程形式所表征的动态特性，则广义的一阶微分方程为Kxydtdy式中：y——x——K——τ——时间常数，由系统的固有属性决定的常数。NUST自动化学院2.m-k-b系统NUST自动化学院这种系统可以是压力传感器的弹性敏感元件的等效结构。等效质量块m在受到作用力F后产生位移y和运动速度dy/dt，在运动过程中，质量块m所受的力有：作用力F弹性反作用力F(弹)=-ky阻尼力dtdybF)(阻直到位移量y足够大，使弹性反作用力与作用力相等，即F(弹)=F,达到平衡，质量块不再运动F(阻)=0。在未达到平衡状态的运动过程中，运动规律服从牛顿运动定律，其运动加速度由所受的合力决定22dtydmNUST自动化学院2231dtydmFii即22)()(dtydmFFF阻弹整理后得Fkydtdybdtydm22式中：m——k——b——阻尼系数。NUST自动化学院质量—弹簧—阻尼(m-k-b)力学结构的动态特性由二阶微分方程描述。二阶微分方程可写成如下的标准形式：Kxydtdydtydnn21222式中：ωn——ξ——K——直流放大倍数/静态灵敏度。NUST自动化学院ωn、ζ、K分别表示如下：kKmkbmkn12ωn、ξ,K均是由系统本身固有属性决定的常数。y,x分别为系统的输出量、输入量。NUST自动化学院二、传递函数(a)时域；(b)复频域；(c)频域在初始值为零即t≤0时，x(t)=0,y(t)=0，输出信号y(t)的拉氏变换Y(s)与输入信号x(t)的拉氏变换X(s)之比为系统的传递函数，记为H(s))()()(sXsYsH其中：s=jω+σ是复数。NUST自动化学院1.一阶系统幅频特性：2)(11)()(HA一阶系统对数幅频特性：2)(11lg20)(L一阶系统相频特性：arctan)(NUST自动化学院2.二阶系统的幅频与相频特性表达式二阶系统幅频特性：222211)()(nnHA二阶系统对数幅频特性：222211lg20)(L二阶系统相频特性：212arctan)(nnNUST自动化学院一阶系统(K=1)NUST自动化学院二阶系统(K=1)NUST自动化学院36传感器的主要应用信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量NUST自动化学院电子警察37胶片式“电子警察”、数码式“电子警察”、视频式“电子警察”；压力或磁电传感器，两个脉冲信号，触发拍照系统进行拍照NUST自动化学院38美国火星车“Sojourner”号上用QCM来检测太阳能电池板上的灰尘堆积情况每平方米范围内落下了一层4克重的尘埃，则会导致太阳能效率下降40%。视频：QCM-DNUST自动化学院雷达C3I系统（Communication，Command，ControlandIntelligencesystems通信、指挥、控制和情报，军事指挥自动化系统）所用传感器的种类很多，但它们是以雷达、电子情报机（ELINT)、电子支援测量系统（ESM）、声音、红外等传感器为主，再辅以其他类型的传感器，在整个三维空间形成一个传感器网阵。雷达，主动雷达，被动雷达；波长长，预警雷达，波长短，跟踪雷达，火控雷达视频：超宽带雷达穿墙进行室内多目标无标签跟踪NUST自动化学院声呐SONAR（soundnavigationandranging），声音导航测距声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。空气中，麦克风，阵列，狙击手定位空气中，声速340m/s;水中，1400m/s水中，其它探测信号如激光，电磁波等衰减很快，近的一两米，远的几十米，水声能达几公里几十公里之外。NUST自动化学院分类按工作方式可分为主动声呐：被动声呐：主动地发射水声信号，然后收测回波进行计算。声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位。潜艇噪声，主要，辐射噪声（螺旋桨噪声）、空气水流噪声、自噪声等，中国潜艇噪声较大。美国噪声，基本达到海洋背景噪声(90分贝)。70分贝以上的声音就会对人来说会造成听力的伤害了。两者的单位大小一样是基准点不一样。一般指零分贝指的是声压20μPa，可是水下声学1μPa就有26dB，也就是说两者相差了52dB比方说所谓海洋背景噪音90dB实际上就是我们一般所说的38dB声纹库NUST自动化学院麦凯恩事件中国潜艇同美国“麦凯恩”号驱逐舰拖曳声呐2009年6月11日在菲律宾苏比克附近相撞有意相撞还是意外相撞？合理的解释是美国疑似有潜艇跟踪为确定目标放下了探测能力更强的拖曳声呐(1-2公里)，中国潜艇在不知情的情况下继续按正常距离跟踪，于是两者相碰。NUST自动化学院水听器标准水听器外形图NUST自动化学院实验水箱NUST自动化学院消声水池NUST自动化学院多传感器问题的引入非关联测试项目测量不同目标或对同一目标的不同参数进行独立测量。多传感器测试系统关联的测试项目利用多个传感器对同一目标的相同或不同参数进行测量，综合测量结果用于分析目标特性。NUST自动化学院当检测对象为多目标或快速机动目标时，单一传感器测量困难。复杂的电磁环境使检测的目标信号淹没在大量噪声及不相关信号与杂波中。当单一传感器失效或传感器的可靠性有待提高时采用多传感器系统。多传感器问题的引入环境复杂目标复杂可靠性为什么要采用多个传感器测量同一目标参数？NUST自动化学院数据融合技术发展及应用位置估计和身份识别目前1995年海湾战争20世纪70年代1973年美国声呐信息融合研究现代化战争的警钟我国首次数据融合技术专题会议NUST自动化学院数据融合技术首先应用于军事领域,包括水下、航空目标的探测、识别和跟踪,以及战场监视、战术态势估计和威胁估计等.应用在体育竞赛，鹰眼系统1,2；应用视频，基于Kinect立体扩充实境影片目前数据融合的应用领域已经从单纯军事上的应用渗透到其他应用领域:在地质科学领域上,数据融合应用于遥感技术,包括卫星图像和航空拍摄图像的研究;在机器人技术和智能航行器研究领域,数据融合主要被应用于机器人对周围环境的识别和自动导航;NUST自动化学院智能信息处理技术50生物系统数据融合的过程生物系统对多源信息的融合处理1）获取信息的多样性2）信息交融得到感知信息典型系统