多元聯合智能水域監測系統

胡從宜 崔寧豪 陳思宇

摘 要：隨著水上交通的日益發展，水域監測日益成為海上交通安全中的重要一部分。本文構建一種通過雷達、攝像機等設備，對水域船舶的交通進行管制，實時提供船舶交通組織、助航和信息服務的監視系統。本項目基于互聯網+理念，將雷達、船舶自識別系統AIS和攝像機三者數據相關聯，構造一種水域監測多元聯合感知系統。通過對結果分析，該系統能自動跟蹤目標物體，有效監測水域情況。

關鍵詞：水域監測；互聯網+；多元聯合感知；自動跟蹤

1 緒論

我國有遼闊的海岸線，并有大量湖泊、河流，對水域進行監控具有重要意義。傳統的攝像頭，只能對目標區域或者目標區域周圍進行監控，在復雜水域環境下無法實現小目標的檢測識別和跟蹤、數據的融合記錄和回放以及自動跟蹤報警的功能。其缺陷是范圍較大，無法直接發現異常現象，且不能對目標物體進行針檢查對跟蹤。所以急需一個能夠自動跟蹤異常現象的監控系統來進行水域監視，當發現異常現象后能夠發生報警，同時控制機構通過控制轉臺來旋轉攝像頭進行追蹤。轉臺不僅要達到功能和技術指標要求，而且要求結構上簡單、性能可靠和方便運輸。[1]

2 項目總體方案

本水域監視系統為了將傳統分立的雷達系統、AIS系統及攝像機三者關聯，共四個模塊：伺服轉臺對CCD攝像頭的光學引導模塊、數據傳輸模塊、圖像傳輸及處理模塊、多目標綜合處理及顯示模塊。

3 模塊具體功能

（1）雷達發射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。本雷達系統采用目標物體檢測與識別一體化處理，可以有效辨別目標類型，減少干擾等。“目標識別是利用了多個方面的特征信息，從多個角度去分析雷達觀測回波，分辨出更多的目標類型，因此，識別是更精細化的檢測。”[2]

（2）船舶自動識別系統，是指一種應用于船岸、船舶之間的海事安全與通信的新型助航系統，常由VHF通信機、GPS定位儀和與船載顯示器及傳感器等相連接的通信控制器組成。“AIS采用專用的國際頻道，按規定的通信方式和運行模式，在其信號覆蓋（VHF）區域內，自動向鄰近的岸臺和其他船舶播發本船的呼號和船名、船長和船寬、船舶與貨物類型、船位、航向和航速等航行狀態及安全信息。”[3]

（3）系統主要采用STM32作為控制器，完成電機驅動及圖像采集和圖像處理。采集圖像并供給 STM32 完成圖像的處理，確定目標質心當前位置，然后由是STM32向電機發送控制量，讓雙軸電動云臺帶動攝像頭。

（4）采集部分主要包括 LM1881N 發送的同步脈沖信的捕獲、TLC5510 轉換信息的存儲等。為了保證系統的實時性，用雙數組交替進行圖像存儲和供給圖像處理，而上一次采集圖像的數組則再進行圖像處理。為了能夠保證整個采集部分的程序能夠穩定運行，就要不斷的修改兩個數組的標志位，從而實時采集所需的圖像。為消除混疊，可采用低通濾波器濾掉視頻圖像頻譜的高頻成分，使采樣頻率高于信號最高頻率的兩倍。[4]

（5）目標捕獲是為了捕捉到與背景中相異的部分，分割灰度值跳躍較大的區域。具體方法有很多，用得較多的有幀差法、光流法、背景減除等。[5]本文選用自適應背景減除法，第 k 幀灰度圖像中的數值 I（k，x，y）和實時背景更新的灰度圖像中的數值B（k，x，y）的差值，是一個二值差分函數M（k，x，y），δ是背景和跟蹤目標之間灰度值之差的臨界值，在本文中 B（k，x，y）為固定值。M（k，x，y）=1 時稱為活動區域，M（k，x，y）=0 稱為非活動區域。

（6）運動跟蹤即不斷的提取目標在背景中輪廓邊緣位置，并預測和更改機動目標質心在所采集的當前幀圖像中的坐標位置，得以穩定準確的跟蹤上目標。以目標的質心作為跟蹤的主要參數，能夠避免因為目標運動過快，造成部分區域出現空洞的現象，而影響質心的檢測。選用中值濾波算法對當前幀圖像進行濾波，去除壞點的影響，修正目標質心坐標。

4 項目特色與創新

多目標綜合處理與顯示模塊綜合雷達系統、船舶自識別系統AIS、光學引導CCD攝像頭三種數據，實現了水域監測系統對小目標的檢測識別和跟蹤、數據的融合記錄和回收以及自動跟蹤報警的多重功能，通過對結果分析，該系統能有效監測水域情況。

參考文獻：

[1]孫久榮，王大明，李寒.基于STM32的FOD雷達轉臺控制系統的設計[J].計算機與數字工程，2015，43（12）：2288-2290.

[2]李明.雷達目標識別技術研究進展及發展趨勢分析[J].現代雷達，2010，32（10）：2-8.

[3]谷溪，李軍.船舶自動識別系統（AIS）的研究和應用[J].南通航運職業技術學院學報，2003，2（1）：25-30.

[4]李洪霞，潘偉，遲學芬，吳偉剛.TMS320DM642對視頻圖像欠采樣壓縮處理的實現[J].吉林大學學報（信息科學版），2008（02）：147-151.

[5]吳永浩，華云松，尚亮.基于OpenCV的運動目標跟蹤系統研究[J].電子測試，2010（08）：21-25.

作者簡介：胡從宜（1986-），男，安徽安慶人，工學學士，助理工程師，研究方向：伺服控制；陳思宇（1996-），女，安徽滁州人，安徽大學電氣工程與自動化學院在讀本科生。

通訊作者：崔寧豪（1993-），男，河南周口人，安徽大學電氣工程與自動化學院在讀研究生，研究方向：伺服系統控制。