第2章 傳感器測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

傳感器技術(shù)與應(yīng)用2第2章傳感器測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理2.1測量基本概念2.2測量誤差及其處理2.3多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)第2章知識目標(biāo)（1）理解測量、計量基本概念；（2）理解計量的主要特點(diǎn)；（3）理解測量方法的分類依據(jù)及各類型的特點(diǎn)；（4）掌握測量誤差的表示方法；（5）掌握誤差分析、誤差表示方法中重要的專業(yè)術(shù)語及重要參數(shù)；（6）掌握測量誤差的類型劃分及對應(yīng)的特點(diǎn)；（7）掌握測量誤差的合成與分配的概念；（8）掌握多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的概念。3第2章能力目標(biāo)（1）理解測量與計量的關(guān)聯(lián)性；（2）理解對傳感器進(jìn)行檢定的科學(xué)技術(shù)意義和社會意義；（3）明確傳感器的標(biāo)定、校準(zhǔn)、檢定的區(qū)別；（4）掌握不同測量誤差表示方法的意義、關(guān)鍵參數(shù)的分析求解思路；（5）掌握不同類型測量誤差的數(shù)據(jù)分析處理方法；（6）掌握測量誤差合成與分配過程中數(shù)據(jù)分析處理思路；（7）能夠結(jié)合實際工程應(yīng)用案例深入理解多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)。45“發(fā)展高新技術(shù)，信息技術(shù)是關(guān)鍵，信息技術(shù)包括測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，而測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)”。2.1測量基本概念我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范-通用計量術(shù)語及定義》（JJF1001-2011）中對測量的定義：“通過實驗獲得并可合理賦予某量一個或多個量值的過程”。測量結(jié)果是用數(shù)值和單位共同表示的量：例如：測量樓房高度為99m?！íM義）測量、定量測量2.1.1測量定義7（廣義）測量：包括定量測量與定性測量。定性測量包含對物質(zhì)、能量、信息、認(rèn)知等的評估數(shù)據(jù)來源與類型豐富多樣，分析方法復(fù)雜、多樣化模糊算法和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型都是現(xiàn)代廣義測量中非常重要的工具。82.1.2測量方法92.1.3計量定義

我國現(xiàn)行《通用計量術(shù)語及定義》對計量的定義：“實現(xiàn)單位統(tǒng)一，量值準(zhǔn)確可靠的活動”?！懊裆堋薄ⅰ皬?qiáng)國之基”計量萌芽于原始社會末期，貫穿于整個人類文明發(fā)展史。10《大戴禮記·五帝德》“黃帝設(shè)五量”衡、量、度、畝、數(shù)11122.1.4計量特點(diǎn)測量結(jié)果與被測量真值之間的數(shù)據(jù)誤差在技術(shù)允許的范圍內(nèi)。在國際上或一個國家內(nèi)部，同一種計量，計量單位統(tǒng)一、單位量值統(tǒng)一。所有的同種量值測量都可以溯源到同一個計量基準(zhǔn)。通過立法和行政手段來保障計量行為的準(zhǔn)確性、統(tǒng)一性和溯源性。第二條在中華人民共和國境內(nèi)，建立計量基準(zhǔn)器具、計量標(biāo)準(zhǔn)器具，進(jìn)行計量檢定，制造、修理、銷售、使用計量器具，必須遵守本法。14計量器具

能用以直接或間接測出被測對象量值的裝置、儀器儀表、量具和用于統(tǒng)一量值的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。《中華人民共和國計量法條文解釋》中明確給出計量器具的定義：根據(jù)準(zhǔn)確度和用途的不同，計量器具由高到低，分為三類：計量基準(zhǔn)器具、計量標(biāo)準(zhǔn)器具、工作計量器具。15計量基準(zhǔn)器具計量標(biāo)準(zhǔn)器具工作計量器具量值溯源量值傳遞16（1）計量基準(zhǔn)器具作為統(tǒng)一量值最高依據(jù)的計量器具。典型的計量基準(zhǔn)實物例證包括：國際千克原器、國際米原器等。2019年5月20日的國際計量日，國際計量邁入量子化時代，國際計量單位制（SI）發(fā)生了根本性的變革：以量子物理為基礎(chǔ)對基本物理常數(shù)進(jìn)行定義，取代之前的實物基準(zhǔn)，實現(xiàn)國際計量基準(zhǔn)器的去實物化。1m定義為“光在真空中于1/299792458s內(nèi)行進(jìn)的距離”。例如：1kg定義為“普朗克常數(shù)為6.62607015×10-34J·s時的質(zhì)量單位”；計量基準(zhǔn)17（2）計量標(biāo)準(zhǔn)器具計量標(biāo)準(zhǔn)

其準(zhǔn)確度等級低于計量基準(zhǔn)器，在量值傳遞中主要起到承上啟下的作用。

主要負(fù)責(zé)對低準(zhǔn)確度等級的計量標(biāo)準(zhǔn)器或工作計量器具進(jìn)行檢定計量。18（3）工作計量器具工作基準(zhǔn)例如：工業(yè)現(xiàn)場或家庭使用的水表、電表、燃?xì)獗淼?。指?yīng)用于現(xiàn)場測量的計量器具。192.1.5檢定檢定是對測量裝置進(jìn)行的法律強(qiáng)制性技術(shù)性能檢測評定。目的：

為了確保社會生產(chǎn)、商業(yè)經(jīng)營過程中的規(guī)范性，保證廣大公民的合法利益不被侵害。檢定是自上而下的量值傳遞過程。

選用測量準(zhǔn)確度級別高的計量器具對傳感器構(gòu)成的測量系統(tǒng)或測量儀表的主要性能參數(shù)進(jìn)行檢測，確定合格與否，并出具有法律效力的《檢定證書》，以保證單位的統(tǒng)一和量值的準(zhǔn)確可靠。20

《中華人民共和國計量法》第九條明確指出：“縣級以上人民政府計量行政部門對社會公用計量標(biāo)準(zhǔn)器具，部門和企業(yè)、事業(yè)單位使用的最高計量標(biāo)準(zhǔn)器具，以及用于貿(mào)易結(jié)算、安全防護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測方面的列入強(qiáng)制檢定目錄的工作計量器具，實行強(qiáng)制檢定。未按照規(guī)定申請檢定或者檢定不合格的，不得使用”?！吨腥A人民共和國強(qiáng)制檢定的工作計量器具目錄》明確了59種強(qiáng)制檢定計量器具。例如：燃油加油機(jī)、食用油售油器、出租汽車?yán)锍逃媰r表、醫(yī)用超聲源、驗光儀等。212.2測量誤差及其處理一切測量都具有誤差，誤差自始至終存在于所有科學(xué)試驗的過程之中?！`差公理222.2.1測量誤差基本概念（1）真值指在一定時間和空間（位置、狀態(tài)）條件下，與被測量所對應(yīng)的客觀存在的真實數(shù)值。真實值注意：真值客觀存在，但不能被最終確定。

在實際應(yīng)用中，真值可以由理論真值、約定真值和相對真值三種與其近似的替代值來代替。23（2）理論真值是指在嚴(yán)格的條件下，根據(jù)一定的理論，按照定義或公式確定的數(shù)值。絕對真值例如：三角形的內(nèi)角之和等于180°。24（3）約定真值規(guī)定真值是國際公認(rèn)的，利用科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最高水平復(fù)現(xiàn)的最高單位基準(zhǔn)。被認(rèn)為充分接近真值。例如：“光在真空中于1/299792458s內(nèi)行進(jìn)的距離”即為1m的約定真值。注意：

當(dāng)測量次數(shù)足夠多時，可以用修正過系統(tǒng)誤差的測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為約定真值。25（4）相對真值實際值例如：用準(zhǔn)確度等級二級的標(biāo)準(zhǔn)測力計校準(zhǔn)準(zhǔn)確度等級三級的標(biāo)準(zhǔn)測力計，得到的測量值可以作為準(zhǔn)確度等級三級的標(biāo)準(zhǔn)測力計的相對真值。

準(zhǔn)確度等級高的計量器具的測量值可以作為準(zhǔn)確度等級低的計量器具的相對真值。26（5）標(biāo)稱值指標(biāo)注在計量器具或測量器件上的量值。例如：標(biāo)準(zhǔn)砝碼上標(biāo)出的數(shù)值。標(biāo)稱值既不接近真值也不是實際值。一般在給定標(biāo)稱值的同時提供標(biāo)稱值的誤差范圍，或明確器件對應(yīng)的準(zhǔn)確度等級。27（6）示值測量值指由測量儀器、儀表提供的被測量的量值。2.2.2測量誤差表示方法292.2.2測量誤差表示方法測量誤差的表示方法：絕對誤差和相對誤差。1.絕對誤差測量值真值是指測量值與被測量真值之差。在實際計算時，真值用理論真值、約定真值或相對真值來代替：絕對誤差30修正值：補(bǔ)值修正值的定義式：當(dāng)測量值加上修正值后近似等于真值，可以在較大程度上消除誤差的影響。312.相對誤差（1）真值相對誤差絕對誤差真值真值相對誤差32（2）實際值相對誤差絕對誤差實際值實際值相對誤差33例題2-1：

電壓表甲測量實際值為100V的電壓時，實測值為101V；電壓表乙測量實際值為1000V的電壓時，實測值為998V。請分析甲、乙表哪一個測量的準(zhǔn)確度高。解：實際值分別為：測量值分別為：兩電壓表測量值的絕對誤差分別為：兩電壓表測量值的實際值相對誤差分別為：結(jié)論：電壓表乙比電壓表甲的測量準(zhǔn)確度高。34（3）示值相對誤差絕對誤差示值（測量值）示值相對誤差注意：

由于一般測量儀表刻度標(biāo)尺的各個刻度點(diǎn)的絕對誤差值相近，因此測量值越趨近測量下限值，實際值相對誤差和示值相對誤差會越大。35（4）滿度相對誤差絕對誤差測量儀表量程（輸出）滿度相對誤差引用誤差36（5）最大滿度相對誤差最大絕對誤差測量儀表量程最大滿度相對誤差最大引用誤差絕對值最大的絕對誤差我國以測量儀表的最大引用誤差作為劃分測量儀表準(zhǔn)確度等級的依據(jù)。37測量儀表準(zhǔn)確度等級?mm=±1.0%38

對于某些常用的工業(yè)測量儀表，國家標(biāo)準(zhǔn)中有細(xì)化的準(zhǔn)確度等級劃分。例如：國家標(biāo)準(zhǔn)《一般壓力表》（GB/T1226-2017）中規(guī)定一般壓力表的準(zhǔn)確度等級分為1.0級、1.6級、2.5級、4.0級。

國家標(biāo)準(zhǔn)《精密壓力表》（GB/T1227-2017）中規(guī)定精密壓力表的準(zhǔn)確度等級分為0.1級、0.16級、0.25級、0.4級。39例題2-2：

選用兩塊直流電壓表分別測量40V的直流電壓。直流電壓表1的量程為50V，準(zhǔn)確度等級為1.5級；直流電壓表2的量程為100V，準(zhǔn)確度等級為1.0級。請分析判斷：選用哪一塊直流電壓表測量40V的直流電壓，測量準(zhǔn)確度更高？解：兩塊直流電壓表測量值的最大絕對誤差為：結(jié)論：選用量程50V，準(zhǔn)確度1.5級的直流電壓表1，測量40V的直流電壓數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。402.2.3測量誤差類型411）系統(tǒng)誤差的定義：1.系統(tǒng)誤差我國現(xiàn)行的《通用計量術(shù)語及定義》對系統(tǒng)誤差的定義：“在重復(fù)測量中保持不變或按可預(yù)見方式變化的測量誤差的分量”。422）產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因：（4）測量人員：由于測量人員在操作時個人反應(yīng)速度、固有操作習(xí)慣的差異造成的誤差也具有系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)。（1）測量儀器：測量儀器本身結(jié)構(gòu)構(gòu)成、裝配工藝、材料屬性、放置方式等方面存在的問題造成的誤差具有系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)。例如：測量測量儀表刻度盤存在刻度誤差。（2）測量環(huán)境：測量環(huán)境不符合測量儀器規(guī)定的工作條件，恒定的高溫、高濕，或者一直有穩(wěn)定的電磁干擾源的存在。（3）測量方法：測量方法或算法模型的不完善、近似性導(dǎo)致系統(tǒng)誤差的存在。433）系統(tǒng)誤差的主要特點(diǎn)：（1）可以預(yù)測：通過對可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的因素進(jìn)行分析，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)誤差的預(yù)測。（2）難以消除：客觀世界不能完全消除系統(tǒng)誤差。（3）可以修正：能夠采取有效措施與方法對系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正，減少系統(tǒng)誤差造成的影響。（4）固定性與穩(wěn)定性：系統(tǒng)誤差在相同的測量條件下會一直存在，且穩(wěn)定。（5）規(guī)律性與重復(fù)性：在相同的測量條件下，系統(tǒng)誤差會重復(fù)性出現(xiàn)；有的系統(tǒng)誤差為恒定值，有的系統(tǒng)誤差會隨著測量條件的變化呈現(xiàn)規(guī)律性。（6）累積性：有的系統(tǒng)誤差是恒定值，有的系統(tǒng)誤差會隨著測量次數(shù)的增加發(fā)生累積。（7）單向性：系統(tǒng)誤差導(dǎo)致的測量結(jié)果會向一個方向偏離。444）系統(tǒng)誤差的分類：已定系統(tǒng)誤差未已定系統(tǒng)誤差測量誤差的大小與符號始終保持恒定不變。測量誤差的大小與符號會按某種規(guī)律變化。455）減小系統(tǒng)誤差的方法：減少系統(tǒng)誤差比較常用的方法——修正法。（1）對于恒定系統(tǒng)誤差用修正值對測量結(jié)果進(jìn)行修正。（2）對于變值系統(tǒng)誤差，一般通過修正曲線的方式對測量結(jié)果進(jìn)行修正。①插值法：首先給定原函數(shù)的一些樣點(diǎn)值，然后要求某一函數(shù)通過所有已知樣點(diǎn)，由此確定此函數(shù)為原函數(shù)的近似數(shù)學(xué)模型。②擬合法：不要求選定的近似函數(shù)通過原函數(shù)的全部已知樣點(diǎn)，只要求在已知樣點(diǎn)的總偏差最小。線性插值、拋物線插值、分段插值等。常用擬合法數(shù)學(xué)算法是最小二乘法。462.隨機(jī)誤差不定誤差偶然誤差我國現(xiàn)行的《通用計量術(shù)語及定義》對隨機(jī)誤差的定義：“在重復(fù)測量中按不可預(yù)見方式變化的測量誤差的分量”。1）隨機(jī)誤差的定義：472）產(chǎn)生隨機(jī)誤差的主要原因：測量條件的微小變化。例如：測量環(huán)境溫濕度的微小變化、噪聲干擾、電磁場微變、電源電壓的隨機(jī)起伏、地面震動……483）隨機(jī)誤差的主要特點(diǎn)：（1）不能預(yù)測，不能避免，無規(guī)律性。由于產(chǎn)生隨機(jī)誤差的因素具有隨機(jī)、偶然、無規(guī)律的特點(diǎn)，因此隨機(jī)誤差也無規(guī)律，方向與大小都具有隨機(jī)性、偶然性。（2）不能完全消除。客觀世界不能完全消除系統(tǒng)誤差。（3）多次測量，服從統(tǒng)計規(guī)律。測量次數(shù)較少的隨機(jī)誤差總體無規(guī)律，測量次數(shù)較多的隨機(jī)誤差總體服從統(tǒng)計規(guī)律，一般隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布，呈現(xiàn)有界性、對稱性、單峰性、抵償性特點(diǎn)。也有部分隨機(jī)誤差服從均勻分布、指數(shù)分布、卡方分布等。因此可以通過統(tǒng)計學(xué)方法減小隨機(jī)誤差影響。494）減少隨機(jī)誤差的方法：數(shù)字濾波503.粗大誤差疏忽誤差粗差指明顯偏離真實值的異常值。

2）產(chǎn)生粗大誤差的主要原因：1）粗大誤差的定義：（1）測量人員的主觀原因：由于測量人員工作責(zé)任心不強(qiáng)、過于疲勞、缺乏經(jīng)驗、操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐蓴?shù)據(jù)記錄出錯、數(shù)據(jù)讀錯、計算出錯、測量方式錯等等形式的粗大誤差的產(chǎn)生。（2）客觀外界條件的顯著改變：例如：測量裝置突然受到外界的強(qiáng)烈機(jī)械沖擊或突然受到高強(qiáng)度的電磁干擾。513）粗大誤差的主要特點(diǎn)：

粗大誤差的存在會對測量數(shù)據(jù)的正確分析造成干擾，甚至是歪曲，對測量數(shù)據(jù)影響最強(qiáng)、最顯著，務(wù)必要及時發(fā)現(xiàn)，予以剔除。4）剔除粗大誤差的準(zhǔn)則：基于統(tǒng)計學(xué)原理分析判斷測量數(shù)據(jù)中是否存在粗大誤差，然后予以剔除。拉依達(dá)準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則、肖維勒準(zhǔn)則和t檢驗準(zhǔn)則等。52①拉依達(dá)準(zhǔn)則3σ準(zhǔn)則第i次測量的離差、差量第i次測量數(shù)據(jù)算數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差準(zhǔn)則內(nèi)容：若有一等精度獨(dú)立測量列，在求解得到此測量列算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的前提下，若某次測量值所對應(yīng)的離差絕對值大于3σ，則認(rèn)為此測量值含有粗大誤差，為異常值，應(yīng)予以剔除。注意：拉依達(dá)準(zhǔn)則應(yīng)用前提是重復(fù)測量次數(shù)n需要足夠大，當(dāng)n取值較小時，選用此準(zhǔn)則判斷不可靠。53②格拉布斯準(zhǔn)則格拉布斯準(zhǔn)則判斷依據(jù)：若某次測量值的離差絕對值大于格拉布斯系數(shù)倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差，則判斷此測量值含有粗大誤差，為異常值，應(yīng)予以剔除。格拉布斯系數(shù)測量次數(shù)危險概率通過格拉布斯系數(shù)表查取54552.2.4測量誤差的合成與分配間接測量數(shù)據(jù)誤差（函數(shù)誤差）：是各個直接測量數(shù)據(jù)誤差的函數(shù)。研究函數(shù)誤差問題就是研究測量誤差傳遞問題。根據(jù)函數(shù)關(guān)系，由分項誤差求解總誤差，稱為誤差合成。561.誤差合成——以恒定系統(tǒng)誤差為研究對象。間接測量值各個直接測量值多元函數(shù)的增量可以采用全微分形式：間接被測量的函數(shù)系統(tǒng)誤差表達(dá)式：系統(tǒng)誤差傳遞系數(shù)（函數(shù)系統(tǒng)誤差的傳遞公式）（1）

函數(shù)系統(tǒng)誤差的合成57例題2-3：采用“弓高弦長法”間接測量圓形大工件直徑，見圖2-4，D為工件直徑，l為弦長，h為工高。解：已知：弦長l測量值為600mm，弓高h(yuǎn)測量值為50mm，兩個參數(shù)各自對應(yīng)的實際值分別為598mm和50.2mm。“弓高弦長法”各個參數(shù)關(guān)系函數(shù)式：不考慮系統(tǒng)誤差的情況下的工件直徑D0：函數(shù)系統(tǒng)誤差表達(dá)式：58弦長系統(tǒng)誤差傳遞系數(shù)：弓高系統(tǒng)誤差傳遞系數(shù)：弦長l和弓高h(yuǎn)此次測量數(shù)據(jù)的絕對誤差：將兩參數(shù)的傳遞系數(shù)和絕對誤差代入工件直徑的系統(tǒng)誤差表達(dá)式，得到直徑的函數(shù)系統(tǒng)誤差：對未考慮系統(tǒng)誤差計算得到的工件直徑D0進(jìn)行系統(tǒng)誤差數(shù)據(jù)修正：修正后的工件直徑：59（2）函數(shù)隨機(jī)誤差的合成間接測量值與各個直接測量值之間的多元函數(shù)表達(dá)式：對應(yīng)的增量微分表達(dá)式：假設(shè)只存在隨機(jī)誤差，則對應(yīng)的間接測量值的函數(shù)的隨機(jī)誤差表達(dá)式：對各個直接測量值均進(jìn)行N次等精度測量，得到每次的隨機(jī)誤差：函數(shù)隨機(jī)誤差選用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行評定60因此，可以獲得間接測量值y的隨機(jī)函數(shù)求解方程組：將N組方程的每個方程兩邊分別求平方，可得：61將方程組中的各個方程式相加，可得：標(biāo)準(zhǔn)差計算公式：由上述兩公式，可以進(jìn)一步計算間接測量值的函數(shù)隨機(jī)誤差表達(dá)式：62當(dāng)測量值的隨機(jī)誤差的期望為0時，可以定義相關(guān)系數(shù)，定義式：因此，可以得到間接測量值的函數(shù)隨機(jī)誤差的簡化表達(dá)式：若各直接測量值的隨機(jī)誤差相互獨(dú)立，且N取值較大，間接測量值的函數(shù)隨機(jī)誤差的表達(dá)式可以進(jìn)一步簡化為：632.誤差分配誤差分配是指在給定測量結(jié)果允許的總誤差的前提下合理確定各個分項誤差。例如，在“弓高弦長法”測量大工件的直徑應(yīng)用案例中，如果首先明確工件直徑允許誤差，要求確定弓高的允許誤差和弦長的允許誤差，此類問題就屬于誤差分配問題。

誤差分配有助于在進(jìn)行測量工作前根據(jù)給定的允許總誤差，選擇適合的測量方案，合理的進(jìn)行誤差分配，確定各分項誤差，以確保整體的測量準(zhǔn)確度。從此角度看，誤差分配是誤差合成的反過程。641）誤差分配遵循的主要原則：（1）可能性原則，即從各個元器件的實際情況出發(fā)，根據(jù)元器件的技術(shù)、性能參數(shù)，制定能夠達(dá)到的誤差標(biāo)準(zhǔn)。（2）經(jīng)濟(jì)性原則：需要考慮按計劃的測量誤差要求，測量儀器設(shè)備、測量環(huán)境、測量人員等方面投入的經(jīng)濟(jì)成本。（3）最壞打算原則：當(dāng)對測量系統(tǒng)部分元器件的測量誤差不能清楚掌握時，取其最大的允許誤差。652）

誤差分配的主要步驟：第一步：根據(jù)不同假設(shè)對誤差進(jìn)行預(yù)分配。第二步：按照實際條件對預(yù)分配方案進(jìn)行調(diào)整。第三步：按照誤差合成理論對制定的誤差分配方案進(jìn)行校核。

若計算得到的總誤差大于給定的允許誤差，則對可以縮小的誤差項縮小誤差；若計算得到的總誤差比給定的允許誤差小，則可以適當(dāng)增大難以測量的誤差項的誤差范圍，降低測量難度。注意：誤差分配的步驟可能需要反復(fù)進(jìn)行多次，才能確定理想分配結(jié)果。66對于已定系統(tǒng)誤差可以通過修正法進(jìn)行校正，因此在進(jìn)行誤差分配時，不需要考慮已定系統(tǒng)誤差的影響，只需要關(guān)注未定系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響。而經(jīng)過公式推導(dǎo)驗證得知：未定系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，不論按哪一種類型分析處理，兩種類型誤差合成與分配的結(jié)果均相同。因此，在進(jìn)行誤差合成與分配時，可以都視為隨機(jī)誤差進(jìn)行處理。67例：誤差預(yù)分配中比較常用的分配方法——等作用分配法：視各個分項誤差對總的函數(shù)誤差的影響相等。第n項分項誤差682.3多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)2.3.1多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)基本概念多傳感器數(shù)據(jù)融合（multi-sensorinformationfusion，MSIF）技術(shù)多傳感器信息融合技術(shù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)信息融合技術(shù)（1）多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)定義學(xué)術(shù)界暫沒形成統(tǒng)一的定義。學(xué)者愛德華·華爾茲（EdwardWaltz）和詹姆斯·利納斯（JamesLlinas）給出了具有代表性的定義之一：

數(shù)據(jù)融合是一種多層次的、多方面的處理過程，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、結(jié)合、相關(guān)、估計和組合以實現(xiàn)精確的狀態(tài)估計和身份估計，以及完整且及時的態(tài)勢評估和威脅估計。69對不同類型與功能的傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、關(guān)聯(lián)、組合，從時間、空間等角度實現(xiàn)信息冗余、互補(bǔ)，提高信息利用率，增強(qiáng)系統(tǒng)決策的科學(xué)性與正確性。（2）多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)優(yōu)勢①

獲取多維度信息，提高系統(tǒng)總體性能。②

提高系統(tǒng)檢測的可靠性、容錯性。

配置了數(shù)量多、類型多、功能多的傳感器，所以對某一個傳感器的依賴度較低，容錯性較好。70（3）多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)原理712.3.2多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)功能模型1984年美國國防部數(shù)據(jù)融合聯(lián)合指揮實驗室提出的JDL（JointDirectorsofLaboratories）模型——屬于軍事領(lǐng)域數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的經(jīng)典功能模型。在JDL功能模型當(dāng)前基礎(chǔ)上不斷地修正、改進(jìn)、完善，新的典型模型功能框圖：72

第一級“檢測判決融合”屬于數(shù)據(jù)層。主要完成信號檢測和特征提取，通常根據(jù)給定的檢測準(zhǔn)則設(shè)定最優(yōu)檢測門限，方便及時準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)。

第二級“數(shù)據(jù)預(yù)處理”對各個傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的過濾、分選、歸并等處理，或設(shè)置某些數(shù)據(jù)處理的優(yōu)先級，提高整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合效率。73

第三級“目標(biāo)狀態(tài)融合”是獲取目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)，例如經(jīng)緯度、速度、方位等參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。屬于特征層融合。數(shù)據(jù)融合過程包括數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、目標(biāo)互聯(lián)、跟蹤處理等操作。74

第四級“目標(biāo)屬性融合”是指獲得目標(biāo)類型、身份等的離散狀態(tài)參數(shù)，可以以數(shù)據(jù)層、特征層或決策層的方式融合。75

第五級“態(tài)勢評估”挖掘目標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，初步預(yù)測發(fā)展趨勢。主要包括態(tài)勢要素提取、態(tài)勢理解、態(tài)勢預(yù)測等功能。

第六級“行動效果評估”根據(jù)已掌握的態(tài)勢預(yù)測發(fā)展趨勢。76

四層為決策層融合，對應(yīng)第七級“資源管理”。該層是計劃與執(zhí)行的過程，包括傳感器管理、性能評估、有效性度量、過程自適應(yīng)、計劃擬定與實施等。772.3.3多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型（1）以目標(biāo)狀態(tài)融合為基準(zhǔn)的分類

以第三級“目標(biāo)狀態(tài)融合”為分類基準(zhǔn)，根據(jù)系統(tǒng)對各個傳感器測量數(shù)據(jù)是否進(jìn)行初步預(yù)判，劃分了三種形式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：78①

集中式融合結(jié)構(gòu)

各個傳感器測量的數(shù)據(jù)均直接送至數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行統(tǒng)一的判斷決策。特點(diǎn)：

具有信息損失率低的優(yōu)點(diǎn)，但是需要較寬的通信帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且要求數(shù)據(jù)融合中心具有高算力。79②

分布式融合結(jié)構(gòu)

先對各個傳感器測量的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行初步預(yù)判，然后再送至數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行最終的融合決策。特點(diǎn)：

在較大程度上降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸壓力和數(shù)據(jù)融合中心的算力壓力，運(yùn)行可靠性高。80③

混合式融合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：同時具有集中式融合結(jié)構(gòu)和分布式融合結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)實際需要靈活選擇融合結(jié)構(gòu)，適應(yīng)性廣，但是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高，成本高。81（2）以目標(biāo)屬性融合為基準(zhǔn)的分類

以第四級“目標(biāo)屬性融合”為分類基準(zhǔn)，根據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、特征提取、數(shù)據(jù)融合、屬性判別的先后順序，對應(yīng)三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：82①

數(shù)據(jù)層融合信息層融合像素層融合

直接將各個傳感器測量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，送入數(shù)據(jù)融合中心，然后提取特征向量進(jìn)行判斷識別。特點(diǎn)：保留了盡可能多的原始信號信息，但是融合處理的數(shù)據(jù)量大，實時性差，占用內(nèi)存多，并且由于原始數(shù)據(jù)本身具有較大的不穩(wěn)定性，因此要求數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)具備較好的容錯能力。適用于對圖像配準(zhǔn)要求較高的醫(yī)學(xué)圖像融合處理。83②

特征層融合

從傳感器測量的原始數(shù)據(jù)中提取特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和歸一化等處理后，送入數(shù)據(jù)融合中心分析、綜合，為后續(xù)決策提供數(shù)據(jù)支持。特點(diǎn)：既能夠保留一定數(shù)量的原始信息，又實現(xiàn)了一定程度的數(shù)據(jù)壓縮，因此對通信寬帶要求較低。適用于圖像識別、語音識別和自然語言處理等。84③

決策層融合

直接面對各個傳感器數(shù)據(jù)決策目標(biāo)進(jìn)行綜合分析判決，得出最終決策。特點(diǎn)：具有靈活性高、實時性好、容錯性好且抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以處理非同步信息，有效融合不同類型的傳感器信息。

決策層融合會壓縮數(shù)據(jù)，對通信寬帶和算力要求均低。適用于軍事、醫(yī)療、金融、交通等領(lǐng)域。85注意：

同一個多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可能同時包括數(shù)據(jù)層、特征層、決策層兩種或三種層級融合方式。862.3.4多傳感器數(shù)據(jù)融合算法872.3.5自動駕駛多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)解析思考：自動駕駛系統(tǒng)需要及時、準(zhǔn)確地感知周圍的哪些信息、狀況？需要配置哪些功能、類型的傳感器？（1）多傳感器配置的必要性分析自動駕駛系統(tǒng)需要借助環(huán)境感知系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確地感知周圍的交通狀況。不同類型的傳感器所具有的功能和性能優(yōu)勢各不相同，同時也存在各自的不足。89①

攝像頭功能與特點(diǎn)

攝像頭在自動駕駛系統(tǒng)中的主要功能是實現(xiàn)對障礙物、車道線、交通標(biāo)志牌、地面標(biāo)志或者駕駛員狀