練學(xué)輝，丁 春，李 棟

(1. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京210003； 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

一種用于VTS導(dǎo)航雷達(dá)中浮標(biāo)丟失告警技術(shù)

練學(xué)輝1，丁 春2，李 棟2

(1. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京210003； 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

浮標(biāo)作為一種助航設(shè)施在水面安全航行方面具有重要的作用。同時，由于雷達(dá)視頻中浮標(biāo)的信雜比不高，對浮標(biāo)的監(jiān)視一直以來面臨著極大的困難。本文首先利用電子海圖提供了一種對于浮標(biāo)的自動定位技術(shù)，根據(jù)定位信息實(shí)現(xiàn)了對于浮標(biāo)的丟失告警。

VTS；導(dǎo)航雷達(dá)；浮標(biāo); 丟失告警

0 引 言

浮標(biāo)是一種浮于水面的航標(biāo)，錨定在指定位置，用以標(biāo)示航道范圍、指示淺灘、礙航物或表示專門用途的水面助航標(biāo)志，在水面安全航行方面具有重要的作用。浮標(biāo)的一端系于水底，由于碰撞、走錨等原因可能導(dǎo)致浮標(biāo)丟失，有必要對浮標(biāo)的丟失及時進(jìn)行告警。另外，對于水面小目標(biāo)、慢速(2～3 kn以下)目標(biāo)的跟蹤，一直以來面臨著極大的困難。原因之一是由于其信雜比不高，檢測概率低；原因之二是對于水面固定的或者慢速目標(biāo)，由于波浪以及導(dǎo)航雷達(dá)方位分辨率的原因，導(dǎo)致雷達(dá)目標(biāo)點(diǎn)跡在方位上呈現(xiàn)搖擺的特點(diǎn)[1]。

為此，本文提出了首先依據(jù)電子海圖對浮標(biāo)進(jìn)行自動定位，再根據(jù)位置實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的丟失告警。

1 自動定位技術(shù)

對浮標(biāo)進(jìn)行自動定位是指以電子海圖中浮標(biāo)的位置為初步信息，經(jīng)過對雷達(dá)視頻中浮標(biāo)回波進(jìn)行處理，并提取浮標(biāo)位置的過程。為了確保浮標(biāo)定位信息有效，最后需要人工確認(rèn)。

1.1 具體步驟

為了對浮標(biāo)進(jìn)行定位，需要執(zhí)行以下步驟：

(1) 在電子海圖中獲取浮標(biāo)相對于雷達(dá)的極坐標(biāo)值(距離和方位)

電子海圖中提供包括浮標(biāo)在內(nèi)的多種信息，可以直接獲取浮標(biāo)的地理坐標(biāo)。根據(jù)浮標(biāo)的地理坐標(biāo)和雷達(dá)的地理坐標(biāo)，可以計(jì)算出浮標(biāo)相對于雷達(dá)的極坐標(biāo)值(距離和方位)。

(2) 設(shè)置浮標(biāo)定位窗口

電子海圖與雷達(dá)視頻之間存在不可能完全消除的系統(tǒng)誤差，雷達(dá)視頻中浮標(biāo)的位置與根據(jù)電子海圖計(jì)算出的浮標(biāo)的極坐標(biāo)值之間存在一定的系統(tǒng)誤差。浮標(biāo)定位窗口指以根據(jù)電子海圖計(jì)算出的浮標(biāo)的極坐標(biāo)值為中心，具有一定距離寬度和方位寬度的扇形窗口。該扇形窗口的大小應(yīng)當(dāng)考慮系統(tǒng)誤差和浮標(biāo)回波大小，并且該扇形窗口內(nèi)應(yīng)當(dāng)僅僅含有此浮標(biāo)一個固定目標(biāo)，不能包含其他的固定目標(biāo)。

(3) 脈組積累

脈組積累是通過將一定方位寬度內(nèi)的脈沖相加取均值得到的。采取脈組積累有兩個主要的益處：

(a) 通過脈組積累可以改善最小可檢測信噪比。對于VTS中的導(dǎo)航雷達(dá)，波束寬度為0.3°，脈沖方位間隔是0.06°或0.12°。若將脈組積累時方位寬度設(shè)為0.15°，則一個脈組包含1～2個脈沖。若脈組內(nèi)含有2個脈沖，則對于非起伏目標(biāo)，單個脈沖的最小可檢測信噪比總的增益為1.62～2.64 dB[2]。

(b) 將脈沖脈組化，意味著可以對不同天線周期中相同脈組序號的脈沖進(jìn)行相加、比較等運(yùn)算，為后續(xù)的多周期反饋式積累提供支持。

(4) 銳化處理

一般而言，浮標(biāo)的尺寸比較小，強(qiáng)反射點(diǎn)不多，浮標(biāo)回波的信噪比不高。需要對浮標(biāo)定位窗口進(jìn)行銳化處理，使得該窗口的邊緣、輪廓線以及細(xì)節(jié)特征變得清晰，提高窗口內(nèi)各雷達(dá)分辨單元幅度的對比度。

對雷達(dá)視頻進(jìn)行銳化處理的公式為

y=x2/C

(1)

(5) 多周期反饋式積累

多周期反饋式積累的公式是

(2)

對浮標(biāo)定位窗口進(jìn)行多周期反饋式積累，可以抑制氣象雜波、海雜波等在周期間不相關(guān)的雜波，改善最小可檢測信雜比。如果用2個周期進(jìn)行多周期反饋式積累，則對于非起伏目標(biāo)，單個脈沖的最小可檢測信雜比的增益為1.62 dB。

(6) 二維單元平均恒虛警率檢測

浮標(biāo)定位窗口檢測采用二維單元平均恒虛警率檢測，即在浮標(biāo)定位窗口中首先計(jì)算出所有雷達(dá)分辨單元上的平均幅度作為噪聲功率的估計(jì)值，再以

(3)

(7) 點(diǎn)跡凝聚

浮標(biāo)定位窗口中的點(diǎn)跡凝聚采用強(qiáng)連通法，即要求點(diǎn)跡中相鄰雷達(dá)分辨單元之間的距離偏移量或者脈組序號之差不大于1。

如果浮標(biāo)定位窗口內(nèi)凝聚出多個點(diǎn)跡，因?yàn)椴磺宄怯捎谟写贿M(jìn)入了定位窗口，或者是由于雜波的干擾，為了嚴(yán)格確保浮標(biāo)定位的準(zhǔn)確性，將當(dāng)前周期內(nèi)浮標(biāo)定位窗口中的點(diǎn)跡都認(rèn)為無效。

(8) 點(diǎn)跡位置信息統(tǒng)計(jì)

(9) 電子海圖人工確認(rèn)

1.2 實(shí)驗(yàn)分析

對某日大橋站雷達(dá)視頻中大橋附近4個浮標(biāo)進(jìn)行定位，檢測概率PD設(shè)為0.9。在第70個天線周期后，準(zhǔn)確定位3個浮標(biāo)。另一浮標(biāo)定位失敗的原因是在后30個周期中，該浮標(biāo)窗口內(nèi)有船只經(jīng)過，不滿足浮標(biāo)窗口內(nèi)點(diǎn)跡唯一的要求，導(dǎo)致有效點(diǎn)跡數(shù)<30×PD。成功定位的3個浮標(biāo)的距離標(biāo)準(zhǔn)差和方位標(biāo)準(zhǔn)差見表1。

表1 成功定位的3個浮標(biāo)的距離標(biāo)準(zhǔn)差和方位標(biāo)準(zhǔn)差

雷達(dá)的距離精度為3.75 m，方位精度為0.15°。對于長江中位置基本不變或者變化很小的浮標(biāo)而言，浮標(biāo)定位過程中采用的脈組積累、銳化處理、多周期反饋式積累等措施提高了浮標(biāo)的信雜比，使得成功定位的3個浮標(biāo)的距離標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于雷達(dá)的距離精度和方位精度。

2 對于浮標(biāo)的丟失告警技術(shù)

對于浮標(biāo)的丟失告警技術(shù)主要依賴于在浮標(biāo)告警窗口中進(jìn)行區(qū)別于自動定位過程中的信號處理，以及將雷達(dá)點(diǎn)跡與浮標(biāo)定位位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷來實(shí)現(xiàn)。

2.1 具體步驟

對浮標(biāo)的丟失告警按照圖 1所示的處理流程，其中脈組積累、銳化處理、二維單元平均恒虛警率檢測、點(diǎn)跡凝聚與自動定位中的相同。

圖1 浮標(biāo)丟失告警處理流程

多周期反饋式積累在浮標(biāo)告警窗口中各脈組采取的權(quán)重都相同。當(dāng)浮標(biāo)告警窗口中有船只經(jīng)過時，由于在浮標(biāo)告警窗口中含有船只，噪聲功率的估計(jì)值偏大，導(dǎo)致對浮標(biāo)的檢測概率降低，即“遮蔽”效應(yīng)。為此，在多周期反饋式積累時，浮標(biāo)告警窗口中方位向靠近邊界的脈組所用的權(quán)重應(yīng)當(dāng)比中心脈組小，并且與中心脈組的序號相差越大權(quán)重越小。記中心脈組所用權(quán)重為α0，某脈組與中心脈組的序號差的絕對值是n，衰減系數(shù)c<1，則此脈組在多周期反饋式積累時所用權(quán)重α=α0×cn，此即權(quán)重中心對稱衰減的多周期反饋式積累。浮標(biāo)告警窗口邊界在多周期反饋式積累時所有權(quán)重比中心脈組所用的權(quán)重小，收斂所需周期比中心脈組的大。如果權(quán)重足夠小，收斂周期數(shù)遠(yuǎn)大于船只回波在浮標(biāo)告警窗口中存在的周期數(shù)，當(dāng)船只經(jīng)過浮標(biāo)告警窗口邊界時，將不會對浮標(biāo)產(chǎn)生“遮蔽”效應(yīng)。

對浮標(biāo)告警窗口內(nèi)所有點(diǎn)跡根據(jù)式(4)計(jì)算與浮標(biāo)定位位置的關(guān)聯(lián)距離：

(4)

其中，d0和θ0分別表示浮標(biāo)定位的距離和角度，d1和θ1分別表示浮標(biāo)告警窗口內(nèi)點(diǎn)跡的距離和角度，σd和σθ分別表示浮標(biāo)告警窗口內(nèi)點(diǎn)跡的距離精度和方位精度。

選擇浮標(biāo)告警窗口內(nèi)關(guān)聯(lián)距離dis最小且關(guān)聯(lián)距離dis<關(guān)聯(lián)門限T的點(diǎn)跡作為關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡。在連續(xù)30次掃描中，在浮標(biāo)告警窗口中都未成功關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡則宣布浮標(biāo)丟失，向用戶提出浮標(biāo)丟失的告警信息。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)第1.2節(jié)中計(jì)算出的3個浮標(biāo)的定位位置，從第71個周期開始對3個浮標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)證浮標(biāo)丟失告警，從第100個周期開始，將第2個浮標(biāo)所在告警窗口每個周期向遠(yuǎn)處移動一個雷達(dá)分辨單元，直到第2個浮標(biāo)所在告警窗口內(nèi)的視頻全部移出為止，并且之后所有周期內(nèi)該告警窗口內(nèi)的雷達(dá)視頻都保持在第2個浮標(biāo)所在告警窗口之外。

圖 2為第120個周期時經(jīng)過脈組積累、銳化處理、權(quán)重中心對稱衰減的多周期反饋式積累、二維單元平均恒虛警率檢測和點(diǎn)跡凝聚后3個浮標(biāo)所在區(qū)域的B顯圖。圖 3和圖 4中白色方框即為3個浮標(biāo)告警區(qū)域，左側(cè)第2個告警區(qū)域上方的白色部分是移出告警窗口的第2個浮標(biāo)。圖 5和圖 6中黑色方框?yàn)?個浮標(biāo)告警區(qū)域。圖 2中的第1個浮標(biāo)淹沒在雜波中，經(jīng)過脈組積累、銳化等處理后可以被檢測到，并凝聚成點(diǎn)跡。圖 5顯示在第120個周期時，第2個浮標(biāo)告警窗口中沒有任何雷達(dá)分辨單元的幅度超過檢測門限。圖 6中最左側(cè)和最右側(cè)黑色方框中的白色十字為第1個和第3個浮標(biāo)凝聚的點(diǎn)跡。

圖2 脈組積累效果示意圖

圖3 銳化處理效果示意圖

圖4 權(quán)重中心對稱衰減的多周期反饋式積累效果示意圖

圖5 二維單元平均恒虛警率檢測效果示意圖

圖6 點(diǎn)跡凝聚效果示意圖

從第120個周期開始至第150個周期為止，第2個浮標(biāo)所在告警窗口內(nèi)的點(diǎn)跡數(shù)都為0，在第150個周期天線掃描過第2個浮標(biāo)所在告警窗口時，向用戶發(fā)出告警信息。

3 結(jié)束語

為了解決浮標(biāo)丟失及時告警的問題，本文提出了首先利用電子海圖對浮標(biāo)進(jìn)行自動定位、再利用定位位置信息實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)丟失告警的方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此方法可以及時發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)丟失。另外，自動定位技術(shù)也可以用于對雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)校；對關(guān)注區(qū)域進(jìn)行銳化并多周期積累的方法，也可以用于對慢速(2～3 kn以下)目標(biāo)的跟蹤。

[1] John N.Briggs，等.航海雷達(dá)目標(biāo)檢測[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.1.

[2] Mark A. Richards.雷達(dá)信號處理基礎(chǔ)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.6.

[3] 王小謨，匡永勝，陳忠先，等.監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.1.

A technology of buoy loss and alarm for navigation radars in VTS

LIAN Xue-hui, DING Chun, LI Dong

(1. Military Representatives Office of Radar System of the Chinese PLA Navy in Nanjing,Nanjing 210003; 2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The buoy as a navaid has a significant effect on surface safety and navigation. At the same time, the signal-to-clutter ratio (SCR) of the buoys in radar videos is low, which makes it extremely difficult to monitor the buoys. A technique of automatically locating the buoys through the e-chart is provided. Based on the locating information, the loss and alarm of the buoys are realized.

VTS; navigation radar; buoy; loss and alarm

2013-12-25；

2014-01-15

練學(xué)輝(1965-)，男，高級工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)；丁春(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；李棟(1985-)，男，工程師，碩士，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。

TN967.7

A

1009-0401(2014)01-0015-04