基于雷達(dá)探測的沿海邊防可視化管控應(yīng)用技術(shù)研究

趙 勇，吳 剛

(1.公安部邊防管理局， 北京100062； 2.南京電子技術(shù)研究所，南京210039)

0 引言

邊境安全是國家防務(wù)的一個重要組成部分，是維護(hù)國家安全和領(lǐng)土完整的第一道防線。邊境安全系統(tǒng)集監(jiān)視和指揮控制于一體，通過障礙設(shè)施和傳感器的配置集成，實施穿越阻滯，提供邊境監(jiān)視、威脅早期預(yù)警、探測跟蹤、目標(biāo)識別、事件分類、入侵阻截和威脅響應(yīng)的整體解決方案。

沿海邊防可視化管控系統(tǒng)為邊境安全服務(wù)，通過將原單一的雷達(dá)探測手段與其他各類傳感器信息的有效接入、深度融合，構(gòu)建多種類、多數(shù)量復(fù)合型傳感器感知系統(tǒng)，對通過敏感重要沿海邊防轄區(qū)、重要出入通道的船只進(jìn)行監(jiān)視、識別和辨認(rèn)，按威脅度進(jìn)行分級、分類，實時預(yù)警、報警，為邊境海防業(yè)務(wù)工作提供可視、可控、智能的全面感知和監(jiān)控預(yù)警支持。

1 沿海可視化智能管控系統(tǒng)

沿海可視化智能管控系統(tǒng)由部署在前端的監(jiān)測點(diǎn)傳感子系統(tǒng)、情報處理子系統(tǒng)和部署在指揮中心的智能管控軟件子系統(tǒng)組成。

傳感子系統(tǒng)包括雷達(dá)探測設(shè)備、智能化光紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、AIS、GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端等傳感器設(shè)備。

情報處理子系統(tǒng)通過接入監(jiān)測點(diǎn)已配置的各類傳感器，全天候不間斷對所轄海域的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，提供系統(tǒng)海面目標(biāo)信息，及時發(fā)現(xiàn)海面異常目標(biāo)信息。智能管控軟件子系統(tǒng)實現(xiàn)雷達(dá)情報收集、分發(fā)，多傳感器(雷達(dá)、光電、AIS、GPS)的情報融合;實現(xiàn)業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析;完成對各類傳感器的指揮控制和協(xié)同探測;同時提供基于GIS海圖態(tài)勢顯示的良好工作界面［1］。

系統(tǒng)組成示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意

1.1 主要任務(wù)

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)的主要任務(wù)包括:

1)海情監(jiān)控

通過有效協(xié)同雷達(dá)、光學(xué)成像設(shè)備信息，探測監(jiān)控管轄海域的艦艇、船只目標(biāo)活動情況，提供用戶基于海圖平臺上的海情態(tài)勢信息。

2)協(xié)同探測

雷達(dá)探測網(wǎng)絡(luò)與紅外、可見光探測設(shè)備協(xié)同工作，集成AIS/GPS/北斗信息應(yīng)用，形成綜合態(tài)勢，實現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤和對目標(biāo)屬性的多重驗證識別。

3)觀察取證

針對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)發(fā)生的各類事件和執(zhí)法行為實施視頻、數(shù)據(jù)聯(lián)動取證，實現(xiàn)圖像、光學(xué)視頻和紅外視頻的錄像取證，并對視頻信息進(jìn)行存儲處理。

4)任務(wù)管理

實現(xiàn)多層級之間信息互通、接收和處理指控命令。

5)信息共享

將雷達(dá)點(diǎn)位信息、視頻圖像信息及狀態(tài)信息等逐級上報上級監(jiān)測中心和通過IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場態(tài)勢的共享能力。

1.2 工作流程

系統(tǒng)實現(xiàn)雷達(dá)情報收集、分發(fā)，多傳感器(雷達(dá)、光電、AIS、GPS)的情報融合;實現(xiàn)業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析;完成對各類傳感器的指揮控制和協(xié)同探測;提供基于海圖態(tài)勢顯示的良好工作界面。

其系統(tǒng)工作流程如下:

1)接收雷達(dá)目標(biāo)信息、AIS/GPS/北斗信息，并形成共享海域態(tài)勢情報。同時，光電傳感子系統(tǒng)將獲取的圖像及視頻信息傳輸給系統(tǒng)的信息處理終端，由終端內(nèi)的相應(yīng)軟件進(jìn)行處理、存儲與顯示。同時，光電傳感器的云臺接受系統(tǒng)的控制指令，做出對應(yīng)動作。

2)多傳感器情報處理子系統(tǒng)將獲取的目標(biāo)點(diǎn)位信息傳輸給系統(tǒng)的信息處理終端，由終端內(nèi)的智能管控軟件子系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲與顯示。同時，雷達(dá)伺服機(jī)構(gòu)云臺接受系統(tǒng)的控制指令，做出對應(yīng)動作。

雷達(dá)傳感器具有作用距離遠(yuǎn)和全天候、全天時的特點(diǎn)，對水面艦船目標(biāo)的探測主要通過雷達(dá)來早期發(fā)現(xiàn)、跟蹤和預(yù)警，在光電技術(shù)、AIS技術(shù)等技術(shù)手段的支持下，通過配置智能化光紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)對海域目標(biāo)進(jìn)行可視化監(jiān)視、跟蹤和識別，提供實時監(jiān)控圖像。尤其采用紅外熱像儀可以在黑暗和復(fù)雜天氣條件下，透過塵、霧和煙等障礙影響，對海岸邊境目標(biāo)進(jìn)行可視化監(jiān)視、跟蹤和識別，可進(jìn)一步提高發(fā)現(xiàn)概率和識別能力［3］。

沿海可視化智能管控系統(tǒng)通過監(jiān)測點(diǎn)與監(jiān)控中心的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的信息互聯(lián)互通，具體內(nèi)部信息關(guān)系如圖2所示。

基于雷達(dá)探測的沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)涉及多項重要技術(shù)，包括雷達(dá)目標(biāo)信息處理、GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)和異類傳感器數(shù)據(jù)分析等，其中，異類多傳感器信息融合、多傳感器指揮協(xié)同探測和自動目標(biāo)識別技術(shù)的解決實現(xiàn)尤為重要。

圖2 系統(tǒng)信息關(guān)系示意

2 異類多傳感器信息融合技術(shù)

異類多傳感器信息融合是指對不同知識源和多個異類傳感器所獲得的信息進(jìn)行綜合處理，消除異類傳感器信息之間存在的冗余和矛盾，利用信息互補(bǔ)，提高系統(tǒng)可靠性和分辨率，擴(kuò)展空間觀測范圍，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信任度。

在該系統(tǒng)中，主要的目標(biāo)信息來自雷達(dá)探測、AIS獲取和紅外成像點(diǎn)目標(biāo)信息生成，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是數(shù)據(jù)融合中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其中多假設(shè)跟蹤算法被認(rèn)為是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的最優(yōu)方法，采用了基于MHT算法的點(diǎn)跡融合技術(shù)實現(xiàn)對目標(biāo)的數(shù)據(jù)融合［2］。

其流程圖如圖3所示。

圖3 MHT算法實施流程圖

基于MHT算法的點(diǎn)跡融合技術(shù)說明如下:

1)航跡粗相關(guān)通過對某一時刻AIS或紅外目標(biāo)點(diǎn)位信息與雷達(dá)采樣信息狀態(tài)誤差估計，并與閾值進(jìn)行比較得到一組或幾組判定為可能關(guān)聯(lián)的航跡信息，如下式描述

式(1)為誤差估算方程，式(2)為閾值方程。Gc在平穩(wěn)狀態(tài)下取值為3，運(yùn)動狀態(tài)下取值為5，當(dāng)估算誤差滿足|uab(1，t)|＜e1∩|uab(2，t)|＜e2∩…|uab(n，t)|＜en時，可以說明兩組信息在此時刻是關(guān)聯(lián)的。

式中:{^xi，j表示有可行航跡 ζj濾波形成的集合;ζj、Si分別表示對應(yīng)時刻的量測殘差(新息)和殘差協(xié)方差陣。V表示監(jiān)視區(qū)域的體積。

2)航跡聚類。分別將粗關(guān)聯(lián)上的單雷達(dá)量測與以前的歷史假設(shè)(分組)進(jìn)行互聯(lián)，形成新的組。如果上輪中出現(xiàn)兩個相互獨(dú)立的組共享了共同量測，則將此兩個組合并成一個組，同時作相應(yīng)組的合并和拆分，以達(dá)到各個組之間無共享量測，組內(nèi)部的系統(tǒng)航跡間必有直接或間接的共享量測關(guān)系。對于和其他組都無共享量測的航跡生成新的組。

3)假設(shè)生成和裁剪。生成假設(shè)是MHT算法的核心，對于每個形成的假設(shè)必須滿足如下條件:(1)每個量測要么僅包含在一條航跡中要么屬于一個虛警;(2)每條航跡要么有且僅有一個新量測，要么沒有量測更新。在形成假設(shè)的同時完成假設(shè)分?jǐn)?shù)的計算，假設(shè)分?jǐn)?shù)是組成假設(shè)的各航跡的分?jǐn)?shù)總和。

4)航跡更新與合并。對由前期處理得出的系統(tǒng)航跡和單站點(diǎn)、航跡的一對一匹配關(guān)系，由航跡優(yōu)化模塊對該系統(tǒng)航跡作平滑優(yōu)化處理。對那些共享量測與類型狀態(tài)向量的航跡作合并處理，一旦兩條航跡被認(rèn)為是相似的，則具有更高后驗概率的航跡被保留，另一條航跡被刪除。

3 多傳感器指揮協(xié)同探測

系統(tǒng)中同時應(yīng)用多種雷達(dá)傳感器、光電傳感器、輔助類傳感器及多傳感器綜合探測平臺。各種傳感器應(yīng)用氣候環(huán)境、作用距離、目標(biāo)識別能力均不同，需要多種傳感器協(xié)同工作。多傳感器協(xié)同探測包括不同種類傳感器的接力和不同站點(diǎn)同種傳感器的探測接力。

通過建立所有監(jiān)控中心和監(jiān)控站以及傳感器位置信息數(shù)據(jù)庫，根據(jù)各類傳感器探測距離建立協(xié)同接力策略，同時實現(xiàn)傳感器自動化管理系統(tǒng)，并借鑒已有自動跟蹤技術(shù)，經(jīng)過改良應(yīng)用在光學(xué)傳感器上，結(jié)合已開發(fā)系統(tǒng)對時軟件和誤差補(bǔ)償算法，從而實現(xiàn)和完善多傳感器指揮協(xié)同探測技術(shù)能力。

4 自動目標(biāo)識別技術(shù)

通過以雷達(dá)為主導(dǎo)的復(fù)合監(jiān)視識別技術(shù)研究和紅外可見光跟蹤和目標(biāo)識別技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)，應(yīng)用自動目標(biāo)識別技術(shù)ATR，結(jié)合目標(biāo)本身的姿態(tài)變化、缺省、遮擋以及目標(biāo)所處背景的復(fù)雜性，有針對復(fù)雜海洋背景和天氣狀況下的檢測、分類和識別目標(biāo)的能力。

5 結(jié)束語

本文針對基于雷達(dá)探測的沿海邊防可視化管控系統(tǒng)，提供了該類型系統(tǒng)組成、能力、工作流程和相關(guān)技術(shù)解決方案，特別對基于雷達(dá)目標(biāo)探測手段結(jié)合光學(xué)技術(shù)實現(xiàn)可視化目標(biāo)管控提供了技術(shù)解決思路，對今后在實際應(yīng)用中如何提高可視化系統(tǒng)效能將提供一定的幫助。

［1］ 王 洋，湯 艦.基于多傳感器的邊境監(jiān)視系統(tǒng)總體應(yīng)用技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34(增刊):134-137.Wang Yang，Tang Jian.Research of border surveillance system based on wulti-sensor［J］.Modern Radar，2012，34(supp):134-137.

［2］ 陸耀賓，孫 偉.基于MHT的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2008，3(1):24-29.Lu Yaobin，Sun Wei.A multisensor data fusion algorithm based on MHT［J］.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2008，3(1):24-29.

［3］ 李立仁.淺談海防監(jiān)控中的雷達(dá)與光電互動和透霧功能［J］.激光與紅外，2006，36(12):1155-1156.Li Liren.Brief descriptions of the function of the interaction between radar and video image and passing through the fog in the system of video monitor and control［J］.Laser ＆ Infrared，2006，36(12):1155-1156.