導航雷達或AIS引導的視頻監控系統設計

馮愛國，薛叢華，吳　煒

(南通航運職業技術學院 航海系，江蘇 南通　226010)

導航雷達或AIS引導的視頻監控系統設計

馮愛國，薛叢華，吳煒

(南通航運職業技術學院 航海系，江蘇 南通226010)

摘要:為解決傳統視頻監控系統監控區域相對固定、監控范圍與監控對象匹配程度不高、針對性不強等問題，提出了一種利用導航雷達自動跟蹤參數或AIS動態數據引導的智能視頻監控方法。系統設計采用某型船用雷達NMEA0183跟蹤參數輸出報文或AIS輸出數據包，解析報文獲得目標運動要素，以此引導本站及通過數據異地解算引導網內視頻測站觀瞄云臺，同時開啟監控視頻回傳、航姿參考系統(AHRS)方位及仰角數據回傳、越界報警等一系列動作。介紹了系統的硬件、軟件的構成與設計流程，并給出仿真實驗結果。

關鍵詞:雷達跟蹤；AIS；AHRS；串口與網絡通信；視頻監控

符合IMO海安會MSC 192.79決議2007版性能標準的航海雷達具備各類航海基礎傳感器信息采集、融合及目標跟蹤解算結果智能輸出的功能，在航海生產、海事管理、海洋權益維護等方面發揮著重要的作用[1-3]。視頻監控系統具有直觀、方便、信息內容翔實等特點，在上述場合的應用也日益廣泛[4]。近年來，水上交通全程數字化、網絡化的視頻監控系統優勢愈發明顯，且隨著計算機圖像處理技術、網絡通信技術的飛速發展，對視頻監控系統的需求正快速增長。但現行視頻監控系統監控畫面存在盲區，監控現場覆蓋度不高，對重點監控對象不能自動保持置中式持續跟蹤，從而不能發揮更大的監控作用。以第三方測控參數引導，以MCU與傳感器技術為核心的智能視頻監控系統以高度的互證性、集成性和靈活性，使視頻取景框更可控，是視頻監控系統的發展趨勢[5]。

系統利用船用導航雷達TT(自動跟蹤)結果或AIS(船舶自動識別系統)目標參數引導云臺攝像頭，使畫面根據目標方位變化實時切換，同時具備監控錄像回傳、視覺識別、自動報警等功能[6]。

1總體結構

1.1系統主要功能

系統通過船用雷達與AIS(自動識別系統)參數引導實現攝像頭的自動聯動，云臺運動設計有3種形式：手動控制、半自動引導聯動和自動引導聯動。手動控制指在綜合顯控系統手動控制本地和遠程攝像頭方位、高度運動和焦距拉伸運動；半自動聯動指人工選取雷達位置，在雷達屏幕上點擊監控區，攝像頭可以自動尋找目標，監控參數依據雷達輸出的系統數據，即：活動距標、電子方位線、光標位置；自動聯動指雷達的ARP捕捉目標運動參數輸出到顯控系統，根據目標編號，攝像頭自動尋找所選編號目標，并保持持續的視頻跟蹤。半自動聯動和自動聯動手段，均基于雷達或AIS所提供的位置數據(目標經度、緯度、方位、距離)，由云臺視頻監控子系統計算出目標相對于攝像頭的水平角、方位角和距離，從而控制云臺運動[7-8]。

1.2系統總體結構

系統由導航雷達提供雷達與AIS參數，系統主體部分包括：船用導航雷達與AIS、引導站本地總控計算機、控制下位機、攝像云臺及AHRS(可補充疊加角位移傳感器)、遠程總控計算機、遠程控制下位機、遠程攝像云臺及AHRS航姿參考系統，如圖1所示。

圖1　系統總圖

各部件作用：船用導航雷達：通過TRACK CONTROL接口提供雷達系統數據、雷達跟蹤的目標位置及運動參數、本船位置及運動參數等；現代雷達融合了船用AIS(自動識別系統)數據，所以可以在雷達上一站式采集AIS提供的本船位置及運動參數、目標位置及運動參數等；引導站本地總控計算機：通過引導數據接收模塊、參數與控制路徑選擇模塊、引導參數轉方位俯仰角模塊、控制算法模塊的序列解算實現控制指令向控制下位機傳遞；控制下位機，控制2軸伺服電機，實現云臺方位角及俯仰角運動控制；攝像云臺及AHRS：在控制下位機控制下視軸對準、AHRS提供云臺方位角及俯仰角反饋信號；遠程總控計算機：通過網絡與引導站本地總控計算機實現視頻與參數交換，在引導參數轉方位俯仰角模塊中增加遠程引導算法，其余與本地控制相同。

2系統功能實現的相關技術

2.1IEC61162協議下的雷達與AIS引導參數采集與解碼設計

作為智能化的航海儀器，導航雷達具有標準化的串行輸入輸出接口，輸入接口接收羅經、計程儀、電子定位系統的信息，輸出接口對其他設備廣播雷達系統數據信息及目標跟蹤信息。符合IEC61162-1標準的雷達數字廣播有6種語句，其中雷達系統信息語句格式有：

“＄RARSD，x.x，x.x，x.x，x.x， x.x，x.x，x.x，x.x， x.x，x.x，x.x，a，a*hh”

句塊包含雷達電子方位線(EBL)活動距標圈(VRM)參數2套及雷達操作桿光標(CURSOR)位置。目標跟蹤語句格式有：

“＄RATLL，xx，llll.lll，a，yyyyy.yy，a，c-c，hhmmss.ss，a，a*hh”

(1)

“＄RATTM，xx，x.x，x.x，a，x.x，x.x，a，x.x，x.x，a，c-c，a，a，hhmmss.ss，a*hh”

(2)

句(1)中句首詞“＄RATLL”表示直接輸出目標經緯度，信息內容以“，”分隔；句(2)中句首詞“＄RATTM”表示目標跟蹤結果，信息內容同樣以“，”分隔。以句(2)為例，“＄”表示句子開始，句塊依次表示：目標編號、目標距離、目標方位、真/相對、目標速度、目標航向、真/相對、CPA、TCPA、航速單位、目標名稱、目標狀態、參考目標、UTC。

同理，AIS提供船舶的動靜態信息[6]，信息涵蓋了信息類型、重復指示、目標船識別碼MMSI碼、航行狀態、轉向速率、對地航速、位置精度、經度、緯度、對地航向、真航向等。

解碼流程如圖2所示。

圖2　雷達與AIS引導參數解碼流程圖

2.2雷達、AIS目標參數轉換云臺控制指令算法

1)雷達目標方位、距離位置轉地理坐標位置

Dφ=ScosTB;Dλ≈SsinTBsecφ0;

φT=φ0+Dφ;λT=λ0+Dλ;

(1)

式中：S為目標雷達距離；TB為目標雷達方位；(Dλ，Dφ)為目標與雷達的地理位置差(經差，緯差)；(λ0，φ0)為雷達地理位置；(λT，φT)為目標地理位置。

2)攝像頭云臺驅動指令計算

設視頻監控系統攝像頭個數為n，各攝像頭的地理位置分別為(λ1，φ1)，(λ2，φ2)，…，(λn，φn)，監控目標的經緯度為(λT，φT)，已知攝像頭的監控半徑為D，監控目標到攝像頭的距離為S，利用平均緯度處理墨卡托投影緯度漸長率，目標到攝像頭的距離、方位可由式(2)～(3)計算

(2)

(3)

對監控方位角作圓周方位(0°～360°)符號歸一化處理：

設(Dφ=(φT-φi),Dλ=(λT-λi))，當(Dφ<0,Dλ>0)時，Bi=Bi+180°；當(Dφ<0,Dλ>0)時，Bi=Bi+180°；當(Dφ>0,Dλ<0)時，Bi=Bi+360°。

2.3基于UDP協議的引導參數與視頻碼流的網絡傳遞

雷達引導站上位機測得目標方位、距離、航向、航速等位置與運動參數，根據視頻測站的地理位置計算出各視頻監控云臺的方位、俯仰、焦距控制參數，篩選出引導云臺的編號，通過UDP網絡協議實現網絡環境的云臺控制引導報文的再組織與廣播，監控工作站采用UDP網絡協議實現終端身份注冊，在IP終結點及端口號與主控系統匹配后，獲得報文數據包，實現網絡接收，通過通信語句解析獲得云臺遙控數據序列；云臺處的監控工作站通過串行通信輸出水平速度、垂直速度、焦距指令控制PTZ云臺對準所選目標。

視頻回傳：云臺搭載的CMOS或CCD光學攝像頭通過基于cypress 68013和NXP SAA7115自主方案設計的流媒體USB視頻采集卡將視頻碼流采集到云臺監控工作站，該采集卡提供2路AV和1路S-VIDEO輸入，即插即用，使用方便，特別適合便攜式計算機，其AV端口通過BNC與自動變焦攝像頭相連，攝像頭支持YUV2、RGB等多種視頻流格式輸出。云臺監控工作站將采集到的視頻及云臺搭載的AHRS方位姿態參考系統的反饋數據通過網絡回傳到雷達地的綜合顯控系統[9-10]。

2.4云臺控制算法設計

云臺姿態由Ψ(方位)、θ(高度)、γ(橫滾)三個角度約束，云臺控制器以串行通信方式接受控制上位機指令，通信協議為通用Pelco-D/Pelco-P等云臺控制協議，以PELCO-D協議為例：數據格式：1位起始位、8位數據、1位停止位，無效驗位。波特率：2 400 bit/s，所有數據均采用十六進制，如表1所示，1個命令數據包由7個字節組成。

表1PELCO-D協議格式

字節Word1Word2Word3Word4Word5Word6Word7用途SynchByte同步字Address地址Command1開關、光圈Command2上下左右、焦距調節Data1方位速度Data2俯仰速度CheckSum和校驗

PELCO-D指令中Word4由引導參數與AHRS反饋參數比較確定，Word5、Word6在Word4基礎上由數字PID控制模型決定，考慮實現視頻的平滑跟蹤，在位置反饋基礎上加入了目標運動速度相對監控點的切線分量結合距離所得的移動角速率值，以擾動信號疊加，由于一般云臺自身阻尼特性較好，控制系統中慣性環節考慮省略。控制系統回路設計如圖3所示。

圖3　云臺控制系統回路

利用計算機設計數字PID控制器，云臺方位設定值與反饋值之差構成系統偏差輸入，運用位置PID控制的控制器輸出及增量控制法的系統輸出表示為

e(k-1))/T

(4)

(5)

增量式控制算法的優點是誤動作小，便于實現無擾動切換。當計算機出現故障時，可以保持原值，比較容易通過加權處理獲得好的控制效果。系統角位置跟蹤采用增量PID控制，考慮一般云臺如PTS-303Q水平最大轉速為10°/s，俯仰最大轉速為1°/s，而水平方位偏差最大可達180°，而俯仰偏差最大約可達40°，故在較大偏差范圍內云臺方位及俯仰速度指令給出最大值，經調試，系統設計在方位偏差30°以內，俯仰角偏差3°以內，運行PID控制，以方位為例，設t時刻第k次采樣給定雷達引導參數ψc，采樣AHRS反饋ψ，偏差輸入e(k)=(ψc-ψ)/30，PID控制輸出為u(k)，云臺控制指令十進制數據為：u(k)×64，十進制轉十六進制即為云臺方位速度指令[9]。

3雷達引導監控實物搭建及PID控制仿真測試結果

系統采用MDC-1820雷達，串行輸入輸出接口“TRACK CONTROL”及AIS接口如圖4a所示，PTS-303Q數控云臺PELCO-D協議下方位及俯仰控制速度十六進制指令為00～3F對應0～64級可調，如圖4b所示，PID控制模塊：方位偏差偏差大于30°(及俯仰角偏差大于3°時，均輸出為最大值3F； 二者小于30°及3°時，數字PID采樣周期0.1 s，采用臨界點飽和法或試湊法，設KP，KI，KD分別取0.6，0.02，1.7，仿真結果如圖4c顯示：系統在3～4 s內獲得穩定，且超調量在最大偏差值1.5%以內，初始超調回復后系統幾乎無震蕩，具體參數見表2。

雷達、海圖平面態勢及引導云臺視頻監控效果如圖5所示。

4結語

本文介紹了一種基于雷達系統數據、跟蹤數據及AIS參數引導的動態視頻監控系統。該系統實現用雷達或AIS引導參數對目標進行方位距離定位，并利用雷達站參數解算出遠程引導參數，驅動本地和遠程攝像頭轉動到目標位置進行監控和報警。實驗結果表明，在低噪聲和傳感器反饋毛刺不明顯的情況下，系統能準確跟蹤到監控目標，這種雷達平面態勢和視頻監控相結合的立體化監控方式能夠更加有效地協助安全人員處理危機，最大限度地獲得全方位監控及連鎖式取證[11]。

a　串行輸入輸出接口及AIS接口　　　　　　　　　　　b　云臺控制接口實物圖　　　　　　　　　c　仿真結果　　　　　　圖4　雷達、云臺接口及控制系統回路

航跡點目標相對雷達方位距離目標相對攝像頭方位角、俯仰角和焦距B/(°)s/nm方位角z/(°)俯仰角j/(°)焦距D/nm1157.257.70119.400.451.422160.547.79140.370.441.45

a　雷達圖像　　　　　　　　　　 　　b　海圖坐標平面態勢圖　　　　　　　　　　 　　c　監控視頻圖5　雷達、海圖坐標平面態勢及監控視頻

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Intelligent video monitoring system based on RADAR ATA and AIS

FENG Aiguo, XUE Conghua,WU Wei

(DepartmentofNavigation,NantongShippingCollege,JiangsuNantong226010,China)

Abstract:In order to solve the problem that traditional video monitoring system only can monitor a certain fixed area, unable to cover the whole or associated surveillance field , a intelligent video monitoring system based on RADAR or AIS source localization is proposed in this paper. The RADAR or AIS parameter is used to locate targer signals, then the local and remote CMOS camera are drived to monitor guide position and a series of actions such as active objects recognition, video surveillance, alarm are executed. The hardware and software configurations and design of flow are introduced. Finally, the simulation result is also given in this paper.

Key words:RADAR tracking; AIS; AHRS; serials and network; video surveillance

中圖分類號：TP277

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.02.025

基金項目：南通市科技計劃研究項目(BK2014031);江蘇交通科研課題(2014C04-11);江蘇省“333工程”(第三層次)科研項目資助基金項目(BRA2014312)

作者簡介：

馮愛國 (1970— )，副教授，主要研究方向為航海及導航技術、計算機在航海中的應用。

責任編輯：閆雯雯

收稿日期：2015-08-03

文獻引用格式：馮愛國，薛叢華，吳煒. 導航雷達或AIS引導的視頻監控系統設計[J].電視技術，2016,40(2)：132-136.

FENG A G, XUE C H, WU W. Intelligent video monitoring system based on RADAR ATA and AIS [J].Video engineering, 2016,40(2)：132-136.