核生化信息融合技术与应用

进入21世纪以来，在日趋复杂的国际核生化威胁形势下，以美、俄为代表的军事发达国家纷纷构建了覆盖国土全域的CBRN（化生放核）安全防御屏障。以美军JWARN（联合报警与报知网络）为代表的核生化信息网络，是利用核生化网络，对核生化节点信息进行采集、分析、融合，进而预测核生化危害事件对部队的实际或潜在影响，并做出及时的评估和反应。当前，外场空间有限规模使用核生化武器的可能性难以排除，次生核生化危害进一步凸显，核生化威胁环境日趋复杂，对核生化信息的融合、决策是及时准确判明核生化及次生核生化威胁危害情况的基础。
本书从核生化信息需求出发，通过对核生化信息采集、处理、预测和决策等全流程的分析，系统研究了信息融合技术在核生化领域的应用。在全面论述核生化信息融合定义、基本原理和级别的基础上，本书按照核生化信息融合的要素，结合国内外的最新成果，以核生化信息运用为主线，介绍了核生化信息融合技术的基本理论、方法和应用，希望给读者提供一个完整的知识体系，充分论述核生化领域信息融合“是什么、干什么、怎么干”的问题，既构筑坚实的理论和数学基础，又能提供灵活的技术实现方法。全书分为九章，第一章为核生化信息融合概述；第二章介绍核生化信息融合的数学基础；第三章介绍核生化信息融合模型；第四章介绍核生化信源分类及特性；第五章介绍核生化检测融合技术及应用；第六章介绍核生化危害预测技术及应用；第七章介绍核生化危害源项反演技术及应用；第八章介绍核生化数据同化技术及应用；第九章介绍核生化遥测信息融合技术及应用。 
本书适合从事核生化信息融合技术相关工作的教学人员和技术人员阅读，也可供从事装备信息化、指挥信息系统相关工作的人员参考，还可作为核生化信息融合技术教育培训、院校相关学科专业的教学参考书。
本书由顾进、诸雪征任主编，刘顺华、韩朝帅任副主编，参加编写的还有蒋金利、苏昱徵、陈琳、孙健、晏国辉、张宏远、李思维、梁婷、张赫、田伟等。
由于时间仓促，加之编者水平有限，书中难免有不足之处，希望广大读者提出宝贵意见。

编者
2022年10月

《核生化信息融合技术与应用》从核生化信息需求出发，通过对核生化信息采集、处理、预测和决策等全流程的分析，系统研究了信息融合技术在核生化领域的应用。本书在全面论述核生化信息融合定义、基本原理和级别的基础上，按照核生化信息融合的要素，结合国内外的最新成果，以核生化信息运用为主线，介绍了核生化信息融合技术的基本理论、方法和应用，希望给读者提供一个完整的知识体系，充分论述核生化领域信息融合“是什么、干什么、怎么干”的问题。
本书适合从事核生化信息融合技术相关工作的教学人员和技术人员阅读，也可供从事装备信息化、指挥信息系统相关工作的人员参考，还可作为核生化信息融合技术教育培训、院校相关学科专业的教学参考书。

第一章　核生化信息融合概述001
第一节　核生化信息融合简介  002
一、信息融合的定义  002
二、核生化信息融合的定义  003
三、核生化信息融合的特点  003
第二节　核生化信息融合的基本原理和级别/ 004
一、核生化信息融合的基本原理  004
二、核生化信息融合的模型和级别  006
第三节　核生化信息融合的应用  014
一、信息融合技术的军事应用  014
二、核生化信息融合技术的应用现状  016
第四节　核生化信息融合技术发展趋势  019
一、改进现有的信息融合方法  019
二、综合应用多种信息融合方法  019
三、研究应用新兴的信息融合方法  019

第二章　核生化信息融合的数学基础021
第一节　常用数理统计分布  022
一、正态分布  022
二、均匀分布  023
三、χ2 分布  023
四、t 分布  023
五、F 分布  024
六、非中心χ2 分布  024
七、二项分布  025
第二节　不确定性信息融合方法  025
一、模糊推理方法  025
二、灰色系统方法  030
三、粗糙集方法  033
四、贝叶斯优化方法  035
第三节　信息融合智能寻优算法  037
一、遗传算法  038
二、蚁群算法  049
三、花朵授粉算法  051

第三章　核生化信息融合模型055
第一节　核生化信息的概念  056
一、信息的定义  056
二、核生化信息的定义  057
第二节　核生化信息建模  058
一、核危害信息建模  058
二、化生危害信息建模  059
第三节　核生化信息融合模型构建  063
一、核生化信息融合内容  063
二、核生化威胁建模  063
三、核生化危害军事概念建模  066
四、核生化信息融合功能模型  072

第四章　核生化信源分类及特性077
第一节　核生化信源分类  078
一、按监测信号种类划分  078
二、按作用范围划分  078
三、按信息获取的实时性划分  078
四、按输出信息的类别划分  078
第二节　核监测信源  079
一、光辐射  079
二、核电磁脉冲  084
三、冲击波  093
四、核辐射  096
第三节　化学监测信源  105
一、化学武器的伤害形式及特点  106
二、化学武器的种类及危害方式  107
三、化学毒剂传感器  109
第四节　生物监测信源  118
一、生物战剂的分类  118
二、生物战剂的施放方法  121
三、生物传感器  122

第五章　核生化检测融合技术及应用125
第一节　检测融合技术基本原理  126
一、分布式检测融合基本原理  126
二、核生化信息检测融合问题描述  126
第二节　单点信源的分布式检测融合方法  127
一、基础模型构建  127
二、融合算法设计  132
三、数值仿真实验设计  135
第三节　混合信源的分布式检测融合方法  142
一、融合算法设计  142
二、数值仿真实验设计  145

第六章　核生化危害预测技术及应用149
第一节　核生化危害预测概述  150
一、核生化危害预测基本概况  150
二、国外核生化危害预测相关应用平台  151
三、国内核生化危害预测相关应用平台  152
第二节　基于高斯扩散模式的核生化危害快速预测技术  153
一、高斯扩散模式的基本原理  153
二、瞬时扩散下的高斯扩散  153
三、连续扩散下的高斯扩散  154
四、扩散参数获取方式  155
第三节　基于流体动力学的核生化危害预测技术  156
一、OpenFOAM开源平台概况  157
二、基于OpenFOAM的核生化危害扩散详细预测模型  157
三、面向CHDNFP模型求解的IDEFWA设计  165
四、CHDNFP-IDEFWA求解器的编译  169
第四节　应用案例  171
一、SF6 示踪实验基本情况介绍  172
二、实验模拟与分析  172
三、实验结果讨论  177

第七章　核生化危害源项反演技术及应用183
第一节　核生化危害源项反演研究现状  184
一、基于欧拉方法的源项估计  184
二、基于拉格朗日方法的源项估计  187
三、基于深度学习的源项估计  188
第二节　基于四维变分的核生化初生危害源项反演技术  190
一、初生化学危害多源反演问题建模  190
二、初生化学危害多源反演梯度模型  192
三、瞬时释放条件下的数值预报切线性算子Dt+1  193
四、背景误差协方差矩阵B  197
五、观测误差协方差矩阵R  199
六、基于共轭梯度法的梯度模型迭代求解  199
第三节　基于花朵授粉算法改进的核生化再生危害源项反演技术  200
一、再生化学危害源项反演问题建模  200
二、再生化学危害4DVAR多源反演模型构建  201
三、面向4DVAR多源反演模型求解的改进花朵授粉算法(IFPA-4DVAR)  204
第四节　基于扩散模型误差改进的核生化危害反演技术  207
一、DME-4DVAR多源反演模型构建  207
二、基于贝叶斯优化的扩散模型误差因子估计  210
三、数值模拟分析  212
第五节　应用案例  217
一、示踪试验基本情况  217
二、扩散模型误差因子估计  218
三、源强和源的位置估计  219
四、实验结果分析  220

第八章　核生化数据同化技术及应用223
第一节　数据同化基本理论  224
第二节　核生化顺序数据同化技术  225
一、线性卡尔曼滤波  225
二、扩展卡尔曼滤波  226
三、集合卡尔曼滤波  226
第三节　核生化连续数据同化技术  227
一、三维变分数据同化  228
二、四维变分数据同化  230
第四节　应用案例  232
一、实验背景和初始参数  232
二、数据处理及实验结果  234
三、粒子示踪实验条件  234
四、数据同化实验方法  235
五、实验结果  236

第九章　核生化遥测信息融合技术及应用241
第一节　相关领域研究现状  242
第二节　化学云团的遥测定位建模与融合处理  243
一、化学云团的类型  243
二、基于瞬时点源的化学云团遥测定位  245
三、基于连续点源的化学云团遥测定位  263
四、误差分析  267
第三节　化学云团的边界提取  270
一、边界问题的提出  270
二、基于陆上遥测的化学云团边界提取模型  271
三、基于空中遥测的化学云团边缘提取模型  278

参考文献  289