電子海圖與海事雷達(dá)

鄧康全

（國(guó)家海洋局南海工程勘察中心 廣州 510300）

電子海圖與海事雷達(dá)

鄧康全

（國(guó)家海洋局南海工程勘察中心 廣州 510300）

電子海圖和海事雷達(dá)是航海的重要助航設(shè)備。為提高船舶在航行中的避碰能力，文章提出了電子海圖圖像與雷達(dá)信號(hào)的疊加方法。雷達(dá)的模擬視頻信號(hào)、方位信號(hào)和觸發(fā)脈沖，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，利用極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)變換模型和圖像匹配，可以在電子海圖底圖上實(shí)時(shí)顯示雷達(dá)捕獲到的目標(biāo)，以提高對(duì)船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力。

電子海圖；海事雷達(dá)；雷達(dá)圖像

在航海中，無線電通信稱為“順風(fēng)耳”，而電子海圖和雷達(dá)等助航設(shè)備即稱為“千里眼”。電子海圖系統(tǒng)可顯示來自電子導(dǎo)航海圖的選定信息和導(dǎo)航傳感器的導(dǎo)航信息，以輔助駕駛員進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和航行監(jiān)視。以電子海圖為航行信息核心，實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)、GPS、計(jì)程儀、測(cè)深儀和AIS等各種設(shè)備的信息融合，是電子海圖信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。海事雷達(dá)可以測(cè)量水上目標(biāo)及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離和方位，并可以預(yù)測(cè)和判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)下一步的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，對(duì)本船與周圍運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)遇態(tài)勢(shì)下可能發(fā)生的碰撞危險(xiǎn)進(jìn)行判斷和評(píng)估，輔助擬定本船的最佳避讓策略，從而增強(qiáng)避碰決策能力。

電子海圖與雷達(dá)的匹配定位導(dǎo)航，可在航行水域海圖信息的基礎(chǔ)上提供本船、本船周圍的靜態(tài)目標(biāo)與動(dòng)態(tài)目標(biāo)三者之間的位置關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)的共享以及綜合航行態(tài)勢(shì)圖的實(shí)時(shí)生成和顯示，允許操作人員在同一個(gè)顯示器上觀察本船周圍的全部態(tài)勢(shì)，能集中精力判斷并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，可以提高船舶避碰能力，這對(duì)船舶的航行，尤其是大霧天氣中的近海航行和繁忙港道航行具有重要意義。目前國(guó)外部分產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)和電子海圖圖像疊加的功能，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究比較少。筆者提出了一種雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法，采集雷達(dá)的模擬視頻信號(hào)、觸發(fā)脈沖和方位信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和圖像處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像的匹配，完成雷達(dá)和電子海圖的疊加。

1 電子海圖與雷達(dá)模擬信號(hào)圖像疊加

雷達(dá)應(yīng)獲取的3種信號(hào)是：①雷達(dá)模擬視頻信號(hào)是目標(biāo)的回波信號(hào)和觸發(fā)脈沖；②雷達(dá)模擬視頻信號(hào)是以目標(biāo)的回波信號(hào)為模擬信號(hào)；③方位信號(hào)是雷達(dá)天線掃描的方位信息，為模擬信號(hào)。觸發(fā)脈沖是雷達(dá)的周期頻率脈沖，用來實(shí)現(xiàn)圖像處理與雷達(dá)發(fā)射沖周期的同步，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，把采集到的模擬信號(hào)數(shù)字化，按照方位信息對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，并與雷達(dá)的觸發(fā)脈沖同步，形成極坐標(biāo)形式的數(shù)字化視頻信息，將其傳遞給圖像處理模塊。在圖像處理模塊中，極坐標(biāo)形式的數(shù)字化視頻信息轉(zhuǎn)換為屏幕直角坐標(biāo)形式的數(shù)字視頻信息，對(duì)雷達(dá)視頻圖像在比例尺和顯示方式上進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像匹配，根據(jù)雷達(dá)收發(fā)機(jī)的位置信息，以電子海圖為底圖，完成雷達(dá)和電子海圖的疊加顯示，基本流程見圖1。

2 雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加模型

2.1 雷達(dá)模擬視頻數(shù)字化模型

采集的方位信號(hào)為模擬信號(hào)，通過幅度分層和時(shí)間量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。雷達(dá)模擬視頻信號(hào)通過時(shí)間量化和幅度分層轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)這些信號(hào)，利用目標(biāo)回波的幅度、個(gè)數(shù)和相關(guān)信息做累計(jì)判定，以確定目標(biāo)的有無（圖2）。

時(shí)間量化即距離量化，以雷達(dá)觸發(fā)脈沖前沿為起點(diǎn)，將距離掃描的全程時(shí)間分成若干相等的時(shí)間單元Δt，即將雷達(dá)探測(cè)的距離全程分成若干相等的距離單元Δr，兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（1）所示。幅度分層即幅度量化，在距離量化間隔任一處，信號(hào)幅度大于相對(duì)門限V，就產(chǎn)生“1”。累計(jì)判定是一種雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過設(shè)定門限K，對(duì)目標(biāo)回波信息進(jìn)行累計(jì)判定，確定目標(biāo)有無。

式中：c為光速，c＝3×108m/s。

2.2 極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)

初步處理后的數(shù)字雷達(dá)視頻圖像是以極坐標(biāo)方式進(jìn)行顯示的，通過極坐標(biāo)系和屏幕直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方程，處理數(shù)字化的雷達(dá)視頻圖像，使雷達(dá)視頻圖像和電子海圖的坐標(biāo)系一致。極坐標(biāo)系和屏幕直角坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 極坐標(biāo)系和屏幕直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

以O(shè)′點(diǎn)為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系和以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)的屏幕直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中：xc，yc為顯示中心值，這樣就以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像和電子海圖坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

2.3 雷達(dá)圖像匹配模型

電子海圖基本上具有任意縮放的特點(diǎn)，而雷達(dá)的量程是有限的，因此，基于電子海圖縮放變化，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行合理的比例調(diào)整，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像的比例尺匹配。

雷達(dá)的探測(cè)半徑為R，屏幕顯示區(qū)域半徑為a，計(jì)判定，以確定目標(biāo)的有無。其中幅度分層設(shè)置第一檢測(cè)門限，累計(jì)判定設(shè)置第二檢測(cè)門限。

則雷達(dá)旬的比例尺1/sr可以簡(jiǎn)單的表示為

電子海圖的原始比例尺為：1/s0，則雷達(dá)圖像的縮放參數(shù)z為

雷達(dá)和電子海圖的顯示方式不同，雷達(dá)存在北向上、船艏向上和航向向上等顯示方式，而電子海圖的顯示方式，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換。用下面的仿射變換矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對(duì)圖像進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖的圖像匹配。

一幅定義在直角坐標(biāo)系woz的圖像f經(jīng)過幾何變形如縮放、旋轉(zhuǎn)等，產(chǎn)生了定義在直角坐標(biāo)系xoy上的圖像g（圖4）。

圖4 圖像的空間變換

縮放的仿射矩陣T1為

旋轉(zhuǎn)仿射門矩陣T2為：

3 結(jié)果分析

用上述方法試驗(yàn)，將原始的雷達(dá)模擬視頻進(jìn)行數(shù)字化處理，得到數(shù)字化的雷達(dá)視頻信息，通過對(duì)數(shù)字化的雷達(dá)視頻進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到雷達(dá)視頻圖像。可以看出：雷達(dá)和電子海圖在顯示方式和相應(yīng)的比例尺上存在差異，基于電子海圖的比例尺，通過參數(shù)的解算求得雷達(dá)圖像的縮放比例。雷達(dá)圖像和電子海圖的顯示方法不同，通過對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行縮放和角度調(diào)整，根據(jù)雷達(dá)的位置（經(jīng)緯度）信息，以電子海圖為底圖，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像和電子海圖的疊加，結(jié)果表明雷達(dá)和電子海圖圖像是匹配的，能夠進(jìn)一步提高駕駛員對(duì)船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力，提高船舶航行過程中的避碰能力。

4 結(jié)束語

根據(jù)電子海圖和雷達(dá)的顯示特點(diǎn)，對(duì)采集的雷達(dá)模擬視頻信號(hào)、方位信號(hào)和觸發(fā)脈沖進(jìn)行數(shù)字化、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和圖像轉(zhuǎn)換等處理，以電子海圖為底圖，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖的疊加。結(jié)果表明，雷達(dá)和電子海圖信息是融合的，能提高駕駛員對(duì)船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力，筆者提出的雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法是可行的，對(duì)于船舶安全航行具有重要意義和廣泛應(yīng)用價(jià)值。