無人傳感技術在海洋態(tài)勢感知的應用研究

徐云云，李迎霞，郝自勉，錢雪微

湖北城市建設職業(yè)技術學院，湖北武漢 430205

0 引言

縱觀人類歷史的歷程，海洋對于人類生存和發(fā)展具有重要意義，海洋的發(fā)展對社會的興衰有重要影響，海洋的和平安寧關乎國家的安危和利益。我國既是一個陸地大國，又是一個海洋大國，有18 000多公里海岸線，6 500 多個沿海島嶼，近300 萬平方公里的海洋面積，擁有廣闊的海洋活動空間和豐富的海洋資源，將海洋優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為發(fā)展優(yōu)勢的潛力巨大。黨的十八大提出“海洋強國”戰(zhàn)略，黨的十九大報告強調(diào)，“堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設海洋強國”，黨的二十大報告指出，“加快建設海洋強國”[1]。

海洋態(tài)勢感知（Maritime Domain Awareness，MDA）是海洋信息獲取的一個重要組成。“國際海事組織”（IMO）將海洋態(tài)勢感知定義為：對任何與海域相關的、可能影響安全、經(jīng)濟或環(huán)境的事務的有效理解，而海域是海、洋或其他可航行水道的任何領域和事務，無論在其上、其下、相關、毗鄰或接壤，包括所有與海事相關的活動、基礎設施、人員、船貨、船只和其他海上運輸[2]。由此可見，做好海洋態(tài)勢感知可以更好地實現(xiàn)“認識海洋、經(jīng)略海洋、管控海洋”，從而推動海洋信息化發(fā)展。

1 態(tài)勢感知概述

態(tài)勢感知（Situation Awareness，SA）的概念最早由ENDSLEY M R[3]于1988 年定義，具體說明了態(tài)勢感知是指“在一定的時間和空間范圍內(nèi)，感知各種環(huán)境要素，理解各個要素的意義，并預測它們在不久的將來的狀態(tài)和發(fā)展趨勢，以實現(xiàn)決策優(yōu)勢”，并提出了著名的三級態(tài)勢感知模型（如圖1 所示），包括態(tài)勢覺察、態(tài)勢理解和態(tài)勢預測，可以實現(xiàn)信息獲取、處理、分析和預測等。態(tài)勢感知技術目前從軍事領域慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎囝I域應用，具體如表1 所示。

表1 態(tài)勢感知應用領域

2 無人傳感技術在海洋態(tài)勢感知領域的應用

海洋態(tài)勢感知的核心內(nèi)容是對海上船只及其貨物、乘員及乘客的監(jiān)視，并快速生成目標船只的地理位置信息[4]。海洋態(tài)勢感知的實現(xiàn)過程如圖2 所示，首先需要借助無人傳感技術集成的各項設備獲取海洋各項活動信息；然后借助大數(shù)據(jù)、云計算等技術進行數(shù)據(jù)的處理；再通過數(shù)據(jù)分析等技術預測海洋態(tài)勢走向；最后實現(xiàn)海上船只交通安全、海上戰(zhàn)場部署等應用目標。

不難看出，海洋態(tài)勢感知過程中，借助無人傳感設備利用傳感器技術獲取海洋各類信息是最基本的環(huán)節(jié)。下面就此類無人傳感技術進行總結。

2.1 合成孔徑雷達技術

2.1.1 技術原理

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術是利用合成孔徑原理、脈沖壓縮技術和信號處理方法、雷達波的時間差和位移差來繪制地表及地下結構的雷達圖像技術，其工作原理如圖3 所示。SAR 搭載設備首先在SAR1 的位置發(fā)射和接收一個固定射程角度和脈沖寬度的信號到搜索目標區(qū)域，當其移動到SAR2 位置再發(fā)射和接收另一個特定角度的信號，通過信號接收的延遲和位移信息中提取數(shù)據(jù)，得出最終的成像結果。

2.1.2 技術優(yōu)勢和不足

SAR 可集成為無人微波成像傳感器，主要用于非接觸式主動實時的目標探測，可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像，具有全天候、全天時和高分辨率的優(yōu)點[5]。

SAR 實現(xiàn)的微波遙感傳感器工作采用的是微波波段，波長范圍為1 mm ～1 m，能主動發(fā)射微波，并接收目標反射的回波。相比可見光和紅外遙感，其采用的波長較長，足以繞過云層的粒子結構進行傳播，因而受大氣散射的影響較小，可以穿透薄霧、云層、雨和塵埃等。因此，無論白天還是黑夜，亦或是在惡劣天氣和環(huán)境條件下，SAR 都能進行目標探測和成像。

但同時，SAR 也具有一定的缺點，比如對搭載設備的航行精度要求較高，需要投入較高的成本；對一個區(qū)域需要多時間、多位置的發(fā)射接收信號，使得其成像時間長。

2.1.3 應用現(xiàn)狀

SAR 多用于地形檢測等領域，其中在海洋態(tài)勢感知領域中，SAR 技術的應用最為廣泛。海洋環(huán)境復雜多變，經(jīng)常被云霧覆蓋，常規(guī)光學遙感手段難以有效對其觀測，SAR 具有一定的穿透能力，能識別偽裝，對于全面觀測海洋交通、偵察海洋軍事動態(tài)等有重要的意義。

2.1.4 發(fā)展趨勢

近年來，由于超大規(guī)模數(shù)字集成電路的發(fā)展、高速數(shù)字芯片的出現(xiàn)，以及先進的數(shù)字信號處理算法的發(fā)展，使SAR 實時處理信號的能力不斷增強。SAR 最初主要是搭載飛機、星載平臺，隨著無人機等小型飛行設備的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了無人機SAR 等多種形式平臺搭載的合成孔徑雷達，廣泛用于軍事、經(jīng)濟和科技等眾多領域。

2.2 高頻地波雷達技術

2.2.1 技術原理

高頻地波雷達（HF Surface Wave Radar，HFSWR）利用垂直極化高頻短波（3 ～30 MHz）在沿海洋表面繞射傳播衰減小的特點，利用地波超視距傳播特性進行探測。其應用模式如圖4 所示，設置在海岸的HFSWR 利用海洋表面對高頻短波的繞射傳播機制，從雷達回波中提取海洋環(huán)境實況、艦船、飛機等信息，實現(xiàn)對海洋環(huán)境和移動目標高精度、大范圍的實時監(jiān)測。

2.2.2 技術優(yōu)勢和不足

HFSWR 利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制，可以從雷達回波中提取海洋環(huán)境、船只航行等海況信息，能超視距探測海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機、冰山和導彈等運動目標，作用距離可達400 km 以上，HFSWR 具有探測面廣、反隱身、全天候、全天時的特點[6]。

但是，地波雷達的短波段也是日常通信、廣播等大氣、天電噪聲等比較集中的頻段，此類電離層干擾會影響地波雷達探測的精確度，需要不斷精進技術來抗電離層干擾。

2.2.3 應用現(xiàn)狀

HFSWR 作為目標探測的有效方法，是實現(xiàn)海洋環(huán)境檢測、船只監(jiān)視等海洋態(tài)勢感知的重要手段，目前被廣泛應用于軍事領域。HFSWR 對于海洋范圍內(nèi)遠距離的目標進行檢測、預警，對于軍事戰(zhàn)略分析和海洋戰(zhàn)略部署有較強的輔助功能。

2.2.4 發(fā)展趨勢

與SAR 多搭載飛行設備不同，HFSWR 多設置在海岸，通常采用大規(guī)模天線陣列，需要占用海岸資源，所以，目前HFSWR 的小型化發(fā)展是一個重點研究方向。目前，緊湊型HFSWR 已經(jīng)取得了一定的成就，可以實現(xiàn)在巡航船艦、海島上部署，拓展了雷達探測面積和靈活性。

2.3 船舶自動識別系統(tǒng)

2.3.1 技術原理

船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是指一種廣泛應用于船和岸、船和船之間的海事交通安全與通信的新型助航系統(tǒng)。AIS 系統(tǒng)主要由GPS 或北斗、VHF 收發(fā)機、AIS 信息處理器等各類傳感器組成。其工作過程是首先由GPS、北斗等定位系統(tǒng)提供船舶定位功能，獲取船舶的經(jīng)緯度；再由船載傳感器，如陀螺儀等獲取船舶航行動態(tài)數(shù)據(jù)，同時，根據(jù)船舶全球的唯一編碼—MMSI 碼獲取船名等靜態(tài)數(shù)據(jù)；然后，將船舶的動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由VHF收發(fā)機向AIS 信息處理器傳遞；最終各項數(shù)據(jù)由電子海圖和信息系統(tǒng)（ECDIS）顯示。

2.3.2 技術優(yōu)勢和不足

AIS 能自動上報和交換航速、船名、航向、呼號等重要信息，從而實現(xiàn)即使不使用雷達探測也能獲得船舶信息，特別是在能見度低、夜間航行的水域，可以有效減少船舶碰撞事故。但是，由于存在船只責任人不遵守法規(guī)隨意拆卸、開關AIS 的情況，導致設備不能持續(xù)發(fā)揮作用。

2.3.3 應用現(xiàn)狀

目前，世界范圍內(nèi)均出臺法律法規(guī)要求船只配備AIS，其中，《中華人民共和國海事局關于印發(fā)國內(nèi)航行船舶船載電子海圖系統(tǒng)和自動識別系統(tǒng)設備管理規(guī)定》規(guī)定：300 總噸至500 總噸沿海航行船舶、參與沿海水上水下施工作業(yè)的自航船舶應配備AIS。200 總噸至300 總噸沿海航行船舶；所有港作拖船；航行于內(nèi)河長江干線、珠江干線、京杭運河及黃浦江的100總噸及以上的所有船舶，以及100 總噸以下的液貨船和集裝箱船應配備AIS 設備[7]。目前，AIS 已成為水務監(jiān)管、水上事故調(diào)查、通航評估的主要技術手段，已經(jīng)在水上船舶導航、交通管理等方面有較為廣泛的應用，可為海洋態(tài)勢感知提供穩(wěn)健的技術支持。

2.3.4 發(fā)展趨勢

AIS 不是單一的技術，而是融合了現(xiàn)代通信、計算機、傳感器等技術的數(shù)字助航系統(tǒng)，為智能船舶的發(fā)展提供了強力支持。目前，AIS 的基本普及已經(jīng)完成，可以實現(xiàn)船和岸、船和船之間互聯(lián)互通、系統(tǒng)整合。下一步的發(fā)展目標是遠程控制和自主操作，對船舶執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性都有很高的要求。

3 總結與展望

隨著國際交流日漸頻繁，國際化貿(mào)易的飛速發(fā)展，海上船只數(shù)量極速增長，海上交通情況不斷復雜化，這對海洋態(tài)勢感知提出了更高的挑戰(zhàn)。無人傳感技術在充分考慮海洋環(huán)境特點的基礎上，集成各種傳感器，為海洋態(tài)勢感知提供各項數(shù)據(jù)基礎。未來，無人傳感技術與計算機技術融合發(fā)展是一個大的趨勢。無人傳感技術不僅靈敏度、精確性不斷提高，還向著微型化、泛用型、集成化發(fā)展，伴隨著現(xiàn)代通信技術快速更迭，計算機應用系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)處理技術等飛速提高，可以不斷提高海洋檢測能力，為海洋監(jiān)管人員提供精確高效的海洋數(shù)據(jù)，從而不斷提高海洋態(tài)勢感知的準確度和智能化。