一種基于岸基多雷達的船舶監視管理系統

汪永軍，莫紅飛，閆馮軍，鈔紅光，趙海林

(中國電子科技集團公司第三十八研究所/中電科技(合肥)博微信息發展有限責任公司，安徽 合肥 230031)

0 引 言

近年來，為了加強對海洋資源的合理開發和利用，特別是漁業資源，避免過度捕撈，追求漁業資源可持續發展，各個省份都制定了休漁期，在休漁期間，嚴禁漁船在海面非法捕撈，給漁業有休養生息的機會。但目前缺乏對現有船只的信息化管理與監控，導致偷捕、濫捕和逃避監管的情況時有發生，沿海各個省份監管部門海洋漁業執法大隊也因缺乏信息化手段，無法及時有效地執法，導致執法效率低下，成本很高。

綜合來看，目前的漁業監管存在以下痛點：

(1) 在休漁期間，經常有偷捕發生，無法及時監管，影響漁業生態。

(2) 無法實時監視非法挖沙、盜采行為,威脅內河及海岸堤壩安全。

(3) 在軍事演習區，無法監視是否存在船只非法誤入？

(4) 臺風或地震等重大海況發生時，無法實時感知海面船只情況，是否有未歸港船只？

(5) 海難發生時，無法快速救援，為船只提供救援服務。

(6) 海難發生后，沒有數據記錄與回放，不能輔助分析事故原因，從而避免下次事故。

利用岸基雷達的主動探測性能，在沿海布局雷達站點，對海面船只進行全天候24 h的監視，結合視頻監視技術，將雷達和視頻聯動處理，并融合雷達與艦船識別系統(AIS)信息，提高目標跟蹤的準確度，全面提升對沿海涉漁涉海違法違規行為情報獲取能力和精準打擊水平，降低執法成本，提高執法效率，同時為船只正常通航、海上救援提供服務。

1 系統架構

1.1 系統架構描述

系統在架構上可劃分為雷達綜合應用平臺、網絡通信子系統及外場子系統3層應用。雷達應用平臺的核心是機房系統，機房系統部署雷達綜合應用系統軟件、后臺數據處理模塊；網絡通信子系統構筑外場子系統數據上傳和雷達綜合應用平臺各種控制指令下發的通信網絡；外場子系統包括雷達監測子系統、閉路電視(CCTV)視頻監控子系統、AIS子系統、甚高頻(VHF)子系統等。

系統主要組成如下：

(1) 雷達設備；

(2) AIS設備；

(3) CCTV視頻監視設備；

(4) VHF通訊設備；

(5) 雷達數據處理模塊；

(6) 視頻流媒體服務模塊；

(7) 船舶數據管理模塊；

(8) 信息記錄及回放模塊；

(9) 多源傳感器的數據融合和大數據分析與決策支持子系統；

(10) 船舶交通綜合顯示與控制子系統。

系統整體架構示意圖如圖1所示。

圖1 系統架構

雷達設備、AIS設備、CCTV視頻監控設備、VHF通訊設備屬于整個系統的4種傳感器，一般集中在一起，架設在海拔大于80 m的鐵塔之上，以滿足雷達作用距離大于50 km以上的視距要求。

雷達綜合應用平臺設立在漁業監管中心，由多臺服務器組成，用戶顯示席位數量根據需要設置，服務器和席位電腦通過局域網互聯。

此外，雷達綜合應用平臺可以與現有的其他設備和系統互聯，如北斗/全球定位系統(GPS)、氣象子系統、漁船身份識別系統等。

系統具有便利的數據接入及功能擴展，具備接入40個雷達站點能力。中心站與雷達站使用現有的公共光纖網絡或4G無線網絡傳輸數據。

1.2 系統工作流程

雷達是系統中核心的傳感器設備，具有主動探測、不受天氣和光線影響等優點。雷達發射脈沖電磁波，接收海面上各類船只反射回來的回波，進行抗同頻干擾、海雜波、雨雪雜波和視頻積累處理。同時需要建立固定地物雜波圖，濾除地物、海島、燈塔、橋梁等固定目標，然后根據信噪比提取移動的船只目標、獲得船只的位置信息。

雷達跟蹤處理軟件根據連續運動的船只生成一條航跡，實時跟蹤船只的具體位置，系統可以計算船只的位置與CCTV攝像頭位置角度差，控制攝像頭在水平和俯仰方向的轉動角度，定位攝像頭至船只的方向，根據船只與攝像頭的距離計算鏡頭焦距，實現雷達與攝像頭云臺的聯動，完成對船舶的視頻記錄或圖片抓拍。

AIS設備接收雷達站點周圍船只主動推送的船舶信息(船名、水上移動業務標識(MMSI)、經緯度、類型等)，然后將數據轉發給雷達處理器進行數據融合，提高船舶跟蹤的精度。每個AIS設備通訊距離達到150 km以上。

VHF通信設備用于岸基與海上船只之間的無線對講通話，一般用于海上交通指揮或應急救援。

各個傳感器的數據全部轉換成網絡接口，接入交換機，通過公共光纖網絡或4G無線網絡傳送至漁業監管中心的雷達綜合應用平臺，雷達數據處理流程如圖2所示。

圖2 雷達數據處理流程

在漁業監管中心可以實現以下功能：

(1) 對海上船舶實時監視，實現24 h、全天候值班。

(2) 實現雷達與攝像頭云臺的聯動，抓拍取證，提供執法依據。

(3) 顯示船舶的詳細信息(船名、MMSI、經緯度、類型等)。

(4) 建立屬地船舶數據庫，轄區內非屬地船舶列表顯示，提醒執法。

(5) 接入漁船電子身份標簽系統，跟蹤漁船位置，強化禁漁期船舶監管。

(6) 各類報表統計(船舶類型、在港船只、出港船只、融合船只)。

2 關鍵技術實現

2.1 自適應固定地物雜波濾除

雷達站架設在海岸邊，除了接收到感興趣的船舶反射回波外，也會接收到無用雜波(海島、海岸線、燈塔、跨海橋、陸地、山峰)，系統通過建立固定地物雜波圖，將接收回來的回波與固定地物雜波圖對消，只留下移動的船只回波信息。為保證固定地物雜波圖與地形地貌相匹配，雜波圖需要較長時間建立，避免受到慢速船只或雨雪天氣干擾。同時為了增加系統的自適應能力，雜波圖必須是動態適時調整的，當新建、改建雷達站點時，周圍地物環境發生變化，固定地物雜波圖能夠自適應變化。

系統對進入數據處理的包含雜波的點跡數據進行積累和統計，首先將雷達探測范圍進行網絡劃分為方位距離單元，在雷達工作過程中實時判別各網絡單元對應的區域是否存在雜波或受到干擾，對固定地物雜波區進行判別和標識，主要根據點跡回波幅值和固定點跡密度來建立地物回波雜波圖，可在方位和距離上使用極坐標系對雜波圖進行環形劃分網絡單元，從正北方向由內向外依次對方位距離單元編號，如圖3所示。

圖3 網格單元劃分

設zij(k)(i=1，…，nk，j=1,…,mk)為第k幀、第i個單元、第j個測量點跡，Z(k)為第k幀掃描得到的網絡單元集，即：

Z(k)={z1(k)，…，znk(k)}

(1)

第k幀的每個單元量測：

zi(k)={zi1(k)，…，zimk(k)}

(2)

式中：?zi(k)∈Z(k)，i=1，…，nk。

雷達掃描到每個單元zi(k)的一個方位上，根據回波幅值對該方位上的每個點跡進行統計，統計區間分為n1段，每段分為n2幀，每段經過n2次雷達掃描周期。對同一單元同一方位同一點跡zij(k)位置上的幅值求均值，若平均幅值大于零，則標記該點跡位置的對應段，依次類推n1段。若標記值在總段數中比例較大(大于一定比例系數)，則把對應點跡記為固定雜波點。遍歷網絡單元的每個方位，統計每個單元格單位面積上的固定點跡數(點跡密度)。若固定地物點跡密度大于雜波門限值，則可直接將對應網絡劃分單元格標識為固定地物雜波區。依此原理，采用滑窗法按照方位距離單元累計到當前的一段時間內(時間窗長度，其依據：雷達掃描周期或數據處理周期)落入各單元格的固定點跡數量，計算各網絡單元的固定地物點跡密度。根據判別門限標識單元格狀態，動態實時更新雜波圖，實現系統的智能化應用。固定地物雜波濾波前后對比如圖4所示。

圖4 固定地物雜波濾除前、后對比

2.2 系統健康狀態診斷

系統采用磁控管體制的大功率船用導航雷達作為監視設備，該雷達性價比高，適合民用。但因磁控管工作頻率會隨著溫度變化而漂移，導致雷達發射機未處于最大功率下工作。為實時檢測雷達健康狀態，系統針對每個雷達站選取3個固定參考點，采用雷達回波能量比較檢測法。當回波能量下降至正常能量80%時，復位系統進行頻率調諧處理，找到磁控管最佳工作頻率。

系統對雷達綜合應用平臺、網絡通信及外場子系統進行機內自測試(BIT)設計，實時將主要部件/設備狀態(雷達發射觸發、回波、方位、船首、AIS設備、CCTV攝像頭、VHF設備、網絡、各個軟件模塊)發送至雷達綜合應用平臺，在漁業監管中心即可監視系統故障、準確定位并及時排除，如圖5所示。

圖5 系統健康狀態診斷

2.3 多源數據融合

本系統數據源由多部雷達、多個AIS組網而成，同一船只在2個雷達站威力覆蓋重疊區域會被分別探測，生成2組數據，如圖6所示。

圖6 多源數據融合

系統必須實現多雷達對同一船只探測數據的融合，需要對多雷達的點跡/航跡數據的時空配準、誤差補償、相關處理、點跡合并求精、目標跟蹤濾波等處理。對2個雷達威力重疊作用區域，發現概率分別為Pd1、Pd2，則雷達網的發現概率為：

PD=1-(1-Pd1)(1-Pd2)

(3)

如Pd1=0.5、Pd2=0.8，根據公式(3)，則2個雷達威力重疊作用區域融合后發現概率PD為0.9，提高了發現概率。

除了雷達與雷達之間的數據融合外，雷達目標與AIS目標也需要融合，并將雷達目標與船舶信息數據庫進行匹配關聯，實現船舶目標分類識別。

2.4 雷達與攝像頭云臺聯動

系統采用“點”、“面”結合技術，“面”是由雷達監測而獲得目標顯示的大畫面，“點”是通過攝像頭云臺捕捉大畫面中的細節，從而達到“無盲區、無死角”全方位不間斷地監控，云臺可自動跟蹤大畫面中的多個目標?？稍诖螽嬅姹O控界面上隨意調出任意局部細節并放大觀察，滿足快速搜索、全局控制的要求，方便工作人員的使用。

系統支持高清CCTV攝像頭功能，可以清晰看到近距離范圍船舶的船名、船舶編號等。攝像頭的紅外功能保證夜晚能見度低時仍然可以對船舶進行重點監控，能夠預判船型、大小及種類等，并能夠對航跡、違規行為進行記錄回放，能夠根據用戶在屏幕上的點擊等操作跟蹤所選擇的船舶。

當需要跟蹤特定船舶或者監控特定海域時，系統將根據目標或者區域的位置信息(主要包含距離與角度，當進行目標跟蹤時，需要雷達基站額外輸出目標大小信息)自動計算出該目標或者區域的經緯度信息，并將該經緯度信息傳遞給目標跟蹤服務。該服務依據此位置信息，自動判斷哪個攝像頭離該目標或者區域最近，并根據該攝像頭的位置信息(經緯度和實際架設高度)計算出俯仰角度和焦距信息，最后通過開放型網絡視頻接口論壇(ONVIF)協議進行云臺全方位移動及鏡頭變焦(PTZ)控制(該協議可以兼容國內主流的攝像頭生產廠商)，使攝像頭轉動到指定位置。

俯仰角計算過程如下：

設攝像頭的經緯度為(P1,P2)，目標或者區域的經緯度為(P3,P4)，按照0°經線的基準，東經取經度的正值，西經取經度負值，北緯取90-緯度值，南緯取90+緯度值，則經過上述處理過后的2點被計為(Q1,Q2)和(Q3,Q4)。那么根據三角推導，可以得到計算2點距離的如下公式：

C=sinQ2·sinQ4·cos(Q1-Q3)+cosQ2·cosQ4

(4)

D=R·arccosC·π/180

(5)

俯仰角:

θ=arctan(H/D)

(6)

式中：R為地球半徑，并假設地球為一個完美球體;D為攝像頭和目標之間的距離；H為攝像頭的架設高度。

焦距計算方法如下：

f=W1L/W2

(7)

式中：f為鏡頭焦距；W1為圖像的寬度(被攝物體在電荷耦合器件靶面上成像寬度)；W2為被攝物體寬度；L為被攝物體至鏡頭的距離。

2.5 記錄回放[1]

系統默認記錄雷達目標航跡、AIS數據和CCTV視頻，便于船舶歷史軌跡查詢、證據提取，為執法部門提供判斷依據。通常情況下雷達目標航跡、AIS數據記錄保存6個月以上，CCTV視頻保存3個月以上。

選擇船舶歷史數據回放時，系統連接到船舶歷史數據庫，根據選擇的回放時間、設置的回放參數開始歷史數據回放，回放過程以符合海洋漁業管理行業習慣的方式進行。同時支持船舶歷史數據的導出功能，滿足用戶在其他平臺使用數據進行交流和學習，記錄回放如圖7所示。

圖7 記錄回放

2.6 綜合顯示與控制[2]

綜合顯示與控制主要包括船只探測及識別、目標顯示、繪制、報警、指揮調度、記錄回放、船舶實時監控和查詢服務、設備運維、統計分析以及系統設置等功能。

以電子海圖為基礎，匯集雷達、AIS、CCTV視頻、目標信息、氣象水文及工作狀態等多傳感器信息顯示與控制，支持放大縮小及快速定位操作，支持多種顯示比例尺選擇，支持多窗口多屏顯示；目標信息包含目標的動態信息(如：目標位置、目標航行狀態等)和靜態信息(如：船舶類型、船舶參數等)，氣象水文主要包括臺風、浪高、潮汐等，用戶可以通過鼠標滾輪放大縮小或者拖動對人機界面進行操作，如圖8所示。

圖8 綜合顯示與控制平臺

系統支持多個操作席位同時在線訪問服務器，席位數量根據值班人員需要設置，支持不同席位不同功能需求(如：部分操作席位實時監視船舶動態，其他席位用于回放特定時間段的數據記錄，以及事故分析和執法調查，互不影響)。

3 試驗結果

系統已經在石浦港、小魚山島、南韭山島和漁山島進行了實地架設，選擇周圍視野開闊、無遮擋區域架設鐵塔。雷達安裝在鐵塔之上，鐵塔高度滿足雷達視距要求，根據實際需要可以選配天線罩，保護天線不受臺風等惡劣天氣影響，如圖9所示。

每個雷達站點所有設備電源功率在2 kW以內，原始數據經過實時處理轉換成目標數據或視頻后，經過通訊網絡發送至雷達綜合應用平臺，中心站綜合應用平臺軟件以電子海圖為背景層，疊加顯示雷達目標、AIS目標、雷達與AIS融合目標、其他系統接入的目標數據等。系統整體功能驗證效果如圖10所示。

圖9 海岸邊鐵塔架設雷達

圖10 系統整體功能驗證效果