一種船用海面監視系統設計

丁明惠

（昆明船舶設備研究試驗中心昆明650051）

一種船用海面監視系統設計

丁明惠

（昆明船舶設備研究試驗中心昆明650051）

目前海上大部分船只均裝有ARPA雷達和AIS設備，但很少有對海面目標實時成像設備，而且雷達和AIS設備也只是作為獨立系統并沒有聯合使用。論文設計了一種基于紅外熱像儀、雷達和AIS的船用海面監視系統，給出了系統的設備組成，研究了雷達和AIS信息融合方法以及紅外成像儀控制方法，并對監視系統顯控軟件進行了設計。

紅外熱像儀；AIS雷達；監視系統

Class NumberTP277

1 引言

目前，自動雷達標繪儀（Automatic Radar Plot?ting Aid，ARPA）和自動識別系統（Automatic Identi?fication System，AIS）在海上各種船只廣泛應用，都對船只的導航以及避碰起著重要的作用。雷達可廣泛監測海面各種船只，但獲得船只信息量少，無法獲得目標船只船名、呼號等重要信息，AIS可獲得目標船只大量信息，而且數據精度高，但局限于目標船只必須同時安裝并開啟了AIS。同時無論是雷達還是AIS都無法給用戶提供目標的視覺效果，而紅外熱像儀可通過接收目標輻射的紅外線成像，受煙云和雨霧的影響很小，通過對紅外熱像儀、雷達和AIS的聯合應用，可有效對海面目標進行監視，為船只的導航以及避碰提供更有效的參考。

2 系統組成

系統由紅外、雷達、AIS和顯控四部分組成，如圖1所示。其中紅外部分包含硬盤錄像機和紅外成像監視儀，雷達部分包含雷達控制主機和雷達主機及天線，AIS部分包含AIS主機和AIS天線，顯控部分為顯控主機，各設備之間通過電纜或光線進行通信。

紅外成像監視儀使用SP50云臺搭載640×512面陣非制冷紅外熱像儀和62倍光學變焦鏡頭配合130W像素網絡攝像機，可對目標進行紅外、可見光雙通道成像，如圖2所示。硬盤錄像機對紅外成像監視儀采集的紅外、可見光視頻進行存儲，同時傳輸系統顯控主機對紅外成像監視儀的控制信息。

雷達使用常見的ARPA雷達，雷達控制主機將海面目標的角度、距離等信息通過串口傳輸至系統顯控主機。

AIS技術比較成熟，成本較低，通過主機將目標的船名、MMSI號、航向、航速等信息通過串口傳輸至系統顯控主機。

顯控主機安裝系統顯控軟件，融合雷達和AIS信息并對紅外成像監視儀進行控制。

3 雷達和AIS信息融合方法

雷達和AIS的信息融合首先需要對雷達數據和AIS數據進行坐標轉換，將雷達采集目標的距離和角度與AIS采集目標的經度和緯度轉換到以船為0點以正北為y軸正方向的角度距離坐標系上，然后進行粗關聯判斷對距離在門限范圍內航跡進行粗關聯，減少后續計算量，然后進行時間統一將兩組數據調整為同一時間，最后進行細關聯判斷對數據進行融合，如圖3所示。

3.1 坐標變換

本文采用將AIS采集的目標信息轉換為以本船為0點的角度距離坐標系后進行下一步關聯判斷，假設AIS采集的目標船只B緯度為latB，經度為lonB，本船A的緯度為latA，經度為lonA，則目標船只B相對本船A的距離d計算公式為式（1），角度dir計算公式為式（2）。

3.2 粗關聯判斷

對AIS和雷達采集的目標進行粗關聯判斷分為時間關聯和距離關聯兩部分，對于時間關聯可對同一時刻存在的目標進行關聯，無需進行繁瑣計算，因此本文只考慮距離關聯。以其中一個AIS采集的目標與雷達采集的目標進行距離粗關聯為例，設定粗關聯距離門限為CADT，則在t時刻距離粗關聯的條件為式（3）：

其中，daj(t)為AIS目標j在t時刻相對于本船的距離，dri(t)為雷達目標i在t時刻相對于本船的距離。

雖然我國已經成為了網絡大國，但還不是網絡強國，在網絡安全方面面臨著嚴峻的挑戰。網絡安全事關國家安全的重大戰略問題，沒有網絡安全就沒有國家安全。我國的網絡安全和信息化領導體制曾幾經調整，但以前都沒有上升到國家最高層面。隨著網絡安全和信息化在國家安全與發展中的地位與作用不斷提升，客觀上也要求把網絡安全和信息化作為國家的重大戰略。

3.3 時間統一

雷達和AIS采集信息有不同的更新率，而對雷達和AIS在不同時刻進行數據融合并無意義，因此需將雷達和AIS采集的信息統一到同一時刻然后進行數據融合，時間統一方法為式（4）。v為對應時刻的航速，dir為對應時刻的航向。

3.4 細關聯判斷

通過粗關聯判斷和時間統一后，可取時間集合T={t1，t2，t3，…，tn}時刻的雷達和AIS數據，假設通過粗關聯后的g個雷達數據與某一AIS數據進行關聯，該AIS目標在時間集合T內的位置數據為(xa1，ya1)，(xa2，ya2)，(xa3，ya3)，…，(xan，yan)，雷達第k個目標在時間集合T內的位置數據為(xrk1，yrk1)，(xrk2，yrka2)，(xrk3，yrk3)，…，(xrkn，yrkn)，k=1，2，3，…，g，則根據式（5）計算關聯系數λ。

最后令λ=min(λ1，λ2，λ3，…，λn)，則對應的雷達目標航跡為該AIS目標的關聯航跡。

4 控制方法設計

船用海面監視系統包含自動巡檢、手動控制和目標跟蹤三種控制模式。自動巡檢模式下，紅外成像監視儀對雷達和AIS發現的每一個目標循環監視1分鐘，手動控制模式下，用戶可手動操作紅外成像監視儀轉動、調焦、變倍等功能，目標跟蹤模式下，用戶選擇目標后，根據雷達和AIS采集該目標的數據解算出角度，控制紅外成像監視儀對該目標進行持續跟蹤。控制流程如圖4所示。

系統進入初始化，然后進入自動巡檢模式，當用戶點擊手動控制按鈕時，進入手動控制模式，彈出手動控制頁面，用戶關閉手動控制頁面時，自動恢復巡檢模式；當用戶選擇某一船只選擇跟蹤該目標時，進入目標跟蹤模式，當用戶點擊取消跟蹤或目標消失時，自動恢復巡檢模式。

5 顯控軟件設計

本文利用VS2010平臺設計了船用海面監視系統顯控軟件，軟件安裝在系統顯控主機上，主界面包括圖像實時顯示、附近船只海圖顯示、控制按鈕三部分，如圖5所示。

軟件通過串口讀取雷達和AIS數據并進行數據解析，然后按第三節方法對雷達數據和AIS數據進行融合，并按第四節方法對紅外成像監視儀進行控制。

6 結語

本文設計了一種紅外成像監視儀、雷達和AIS聯合控制的船用海面監視系統，并對雷達和AIS信息融合以及紅外成像監視儀控制方法進行了研究，實現了雷達和AIS探測的目標航跡融合，對特定船只持續跟蹤等功能。

［1］周必全.雷達與AIS的數據融合及雷達性能評估［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

［2］羅素云，譚箭.AIS與雷達目標航跡相關算法［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2003，27（1）：112-115.

［3］鄧術章，李光正，魯慧民，等.船用ARPA雷達與AIS信息融合的實現［J］.船海工程，2009（6）：145-148.

［4］黃麗卿，胡穩才，邵哲平.AIS輸出數據包的解包技術研究［J］.集美大學學報，2005，10（1）：37-41

［5］劉曄華，陸悅銘.船舶引航中AIS，雷達/ARPA和VHF的綜合運用［J］.中國港口，2014，8：029.

［6］吳紅雙.基于AIS/雷達融合信息的船舶避碰終端設計與實現［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

［7］歐陽萍.AIS與雷達目標信息模糊融合方法研究［D］.廈門：集美大學，2010.

［8］汪新，凌元，許龍畫.船載AIS，雷達ARPA與ECDIS組合導航的探討［C］//第六屆長三角科技論壇航運分論壇暨江蘇省航海學會2009年學術年會論文集，2009.

［9］李維運.VTS中雷達和AIS信息融合算法探討［J］.中國水運（學術版），2006，6（7）：118-120.

［10］翟藝書.AIS與雷達數據融合的數學模型研究［D］.大連：大連海事大學，2005.

［11］徐志京，王解先.AIS與雷達目標信息融合中坐標位置的計算方法［J］.上海海事大學學報，2005，26（4）：78-81.

［12］王晨熙.雷達與AIS信息融合綜述［J］.指揮控制與仿真，2009，31（2）：1-4.

A Design of Marine Monitoring System on the Ocean

DING Minghui
（Kunming Shipbuilding Equipment Research and Test Center，Kunming650051）

At present，most of the ships are equipped with automatic radar plotting aid and automatic identification system. However，there are few real time imaging equipment for sea targets，and radar and AIS are used as stand-alone systems and are not combined.In this paper，a marine monitoring system on the ocean based on infrared thermal imager，radar and AIS is designed. First，equipment of the system is built.Moreover，method of radar and AIS information fusion and infrared thermal imager control are studied.Finally，the display control software of monitoring system is designed.

infrared thermal imager，automatic identification system radar，monitoring system

TP277

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.034

2017年2月10日，

2017年3月25日

丁明惠，男，碩士，工程師，研究方向：自主水下航行器控制。