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(fā)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(fā)和利用，特別是漁業(yè)資源，避免過度捕撈，追求漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)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(yè)有休養(yǎng)生息的機會。但目前缺乏對現(xiàn)有船只的信息化管理與監(jiān)控，導致偷捕、濫捕和逃避監(jiān)管的情況時有發(fā)生，沿海各個省份監(jiān)管部門海洋漁業(yè)執(zhí)法大隊也因缺乏信息化手段，無法及時有效地執(zhí)法，導致執(zhí)法效率低下，成本很高。

綜合來看，目前的漁業(yè)監(jiān)管存在以下痛點：

(1) 在休漁期間，經(jīng)常有偷捕發(fā)生，無法及時監(jiān)管，影響漁業(yè)生態(tài)。

(2) 無法實時監(jiān)視非法挖沙、盜采行為,威脅內(nèi)河及海岸堤壩安全。

(3) 在軍事演習區(qū)，無法監(jiān)視是否存在船只非法誤入？

(4) 臺風或地震等重大海況發(fā)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(fā)生時，無法快速救援，為船只提供救援服務。

(6) 海難發(fā)生后，沒有數(shù)據(jù)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(jiān)視，結(jié)合視頻監(jiān)視技術(shù)，將雷達和視頻聯(lián)動處理，并融合雷達與艦船識別系統(tǒng)(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(guī)行為情報獲取能力和精準打擊水平，降低執(zhí)法成本，提高執(zhí)法效率，同時為船只正常通航、海上救援提供服務。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)描述

系統(tǒng)在架構(gòu)上可劃分為雷達綜合應用平臺、網(wǎng)絡通信子系統(tǒng)及外場子系統(tǒng)3層應用。雷達應用平臺的核心是機房系統(tǒng)，機房系統(tǒng)部署雷達綜合應用系統(tǒng)軟件、后臺數(shù)據(jù)處理模塊；網(wǎng)絡通信子系統(tǒng)構(gòu)筑外場子系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳和雷達綜合應用平臺各種控制指令下發(fā)的通信網(wǎng)絡；外場子系統(tǒng)包括雷達監(jiān)測子系統(tǒng)、閉路電視(CCTV)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、AIS子系統(tǒng)、甚高頻(VHF)子系統(tǒng)等。

系統(tǒng)主要組成如下：

(1) 雷達設備；

(2) AIS設備；

(3) CCTV視頻監(jiān)視設備；

(4) VHF通訊設備；

(5) 雷達數(shù)據(jù)處理模塊；

(6) 視頻流媒體服務模塊；

(7) 船舶數(shù)據(jù)管理模塊；

(8) 信息記錄及回放模塊；

(9) 多源傳感器的數(shù)據(jù)融合和大數(shù)據(jù)分析與決策支持子系統(tǒng)；

(10) 船舶交通綜合顯示與控制子系統(tǒng)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

雷達設備、AIS設備、CCTV視頻監(jiān)控設備、VHF通訊設備屬于整個系統(tǒng)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(yè)監(jiān)管中心，由多臺服務器組成，用戶顯示席位數(shù)量根據(jù)需要設置，服務器和席位電腦通過局域網(wǎng)互聯(lián)。

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

系統(tǒng)具有便利的數(shù)據(jù)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(xiàn)有的公共光纖網(wǎng)絡或4G無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)工作流程

雷達是系統(tǒng)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(yōu)點。雷達發(fā)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(jù)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(jù)連續(xù)運動的船只生成一條航跡，實時跟蹤船只的具體位置，系統(tǒng)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(zhuǎn)動角度，定位攝像頭至船只的方向，根據(jù)船只與攝像頭的距離計算鏡頭焦距，實現(xiàn)雷達與攝像頭云臺的聯(lián)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(yè)務標識(MMSI)、經(jīng)緯度、類型等)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給雷達處理器進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡接口，接入交換機，通過公共光纖網(wǎng)絡或4G無線網(wǎng)絡傳送至漁業(yè)監(jiān)管中心的雷達綜合應用平臺，雷達數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 雷達數(shù)據(jù)處理流程

在漁業(yè)監(jiān)管中心可以實現(xiàn)以下功能：

(1) 對海上船舶實時監(jiān)視，實現(xiàn)24 h、全天候值班。

(2) 實現(xiàn)雷達與攝像頭云臺的聯(lián)動，抓拍取證，提供執(zhí)法依據(jù)。

(3) 顯示船舶的詳細信息(船名、MMSI、經(jīng)緯度、類型等)。

(4) 建立屬地船舶數(shù)據(jù)庫，轄區(qū)內(nèi)非屬地船舶列表顯示，提醒執(zhí)法。

(5) 接入漁船電子身份標簽系統(tǒng)，跟蹤漁船位置，強化禁漁期船舶監(jiān)管。

(6) 各類報表統(tǒng)計(船舶類型、在港船只、出港船只、融合船只)。

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

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(tǒng)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(tǒng)的自適應能力，雜波圖必須是動態(tài)適時調(diào)整的，當新建、改建雷達站點時，周圍地物環(huán)境發(fā)生變化，固定地物雜波圖能夠自適應變化。

系統(tǒng)對進入數(shù)據(jù)處理的包含雜波的點跡數(shù)據(jù)進行積累和統(tǒng)計，首先將雷達探測范圍進行網(wǎng)絡劃分為方位距離單元，在雷達工作過程中實時判別各網(wǎng)絡單元對應的區(qū)域是否存在雜波或受到干擾，對固定地物雜波區(qū)進行判別和標識，主要根據(jù)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(huán)形劃分網(wǎng)絡單元，從正北方向由內(nèi)向外依次對方位距離單元編號，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)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(wǎng)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(jù)回波幅值對該方位上的每個點跡進行統(tǒng)計，統(tǒng)計區(qū)間分為n1段，每段分為n2幀，每段經(jīng)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(shù)中比例較大(大于一定比例系數(shù))，則把對應點跡記為固定雜波點。遍歷網(wǎng)絡單元的每個方位，統(tǒng)計每個單元格單位面積上的固定點跡數(shù)(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(wǎng)絡劃分單元格標識為固定地物雜波區(qū)。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(nèi)(時間窗長度，其依據(jù)：雷達掃描周期或數(shù)據(jù)處理周期)落入各單元格的固定點跡數(shù)量，計算各網(wǎng)絡單元的固定地物點跡密度。根據(jù)判別門限標識單元格狀態(tài)，動態(tài)實時更新雜波圖，實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)健康狀態(tài)診斷

系統(tǒng)采用磁控管體制的大功率船用導航雷達作為監(jiān)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(fā)射機未處于最大功率下工作。為實時檢測雷達健康狀態(tài)，系統(tǒng)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(tǒng)進行頻率調(diào)諧處理，找到磁控管最佳工作頻率。

系統(tǒng)對雷達綜合應用平臺、網(wǎng)絡通信及外場子系統(tǒng)進行機內(nèi)自測試(BIT)設計，實時將主要部件/設備狀態(tài)(雷達發(fā)射觸發(fā)、回波、方位、船首、AIS設備、CCTV攝像頭、VHF設備、網(wǎng)絡、各個軟件模塊)發(fā)送至雷達綜合應用平臺，在漁業(yè)監(jiān)管中心即可監(jiān)視系統(tǒng)故障、準確定位并及時排除，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)健康狀態(tài)診斷

2.3 多源數(shù)據(jù)融合

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)源由多部雷達、多個AIS組網(wǎng)而成，同一船只在2個雷達站威力覆蓋重疊區(qū)域會被分別探測，生成2組數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 多源數(shù)據(jù)融合

系統(tǒng)必須實現(xiàn)多雷達對同一船只探測數(shù)據(jù)的融合，需要對多雷達的點跡/航跡數(shù)據(jù)的時空配準、誤差補償、相關(guān)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(qū)域，發(fā)現(xiàn)概率分別為Pd1、Pd2，則雷達網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)概率為：

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

(3)

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

除了雷達與雷達之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫進行匹配關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)船舶目標分類識別。

2.4 雷達與攝像頭云臺聯(lián)動

系統(tǒng)采用“點”、“面”結(jié)合技術(shù)，“面”是由雷達監(jiān)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(jié)，從而達到“無盲區(qū)、無死角”全方位不間斷地監(jiān)控，云臺可自動跟蹤大畫面中的多個目標。可在大畫面監(jiān)控界面上隨意調(diào)出任意局部細節(jié)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(tǒng)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(jiān)控，能夠預判船型、大小及種類等，并能夠?qū)桔E、違規(guī)行為進行記錄回放，能夠根據(jù)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(jiān)控特定海域時，系統(tǒng)將根據(jù)目標或者區(qū)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(qū)域的經(jīng)緯度信息，并將該經(jīng)緯度信息傳遞給目標跟蹤服務。該服務依據(jù)此位置信息，自動判斷哪個攝像頭離該目標或者區(qū)域最近，并根據(jù)該攝像頭的位置信息(經(jīng)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(wǎng)絡視頻接口論壇(ONVIF)協(xié)議進行云臺全方位移動及鏡頭變焦(PTZ)控制(該協(xié)議可以兼容國內(nèi)主流的攝像頭生產(chǎn)廠商)，使攝像頭轉(zhuǎn)動到指定位置。

俯仰角計算過程如下：

設攝像頭的經(jīng)緯度為(P1,P2)，目標或者區(qū)域的經(jīng)緯度為(P3,P4)，按照0°經(jīng)線的基準，東經(jīng)取經(jīng)度的正值，西經(jīng)取經(jīng)度負值，北緯取90-緯度值，南緯取90+緯度值，則經(jīng)過上述處理過后的2點被計為(Q1,Q2)和(Q3,Q4)。那么根據(jù)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(tǒng)默認記錄雷達目標航跡、AIS數(shù)據(jù)和CCTV視頻，便于船舶歷史軌跡查詢、證據(jù)提取，為執(zhí)法部門提供判斷依據(jù)。通常情況下雷達目標航跡、AIS數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)回放時，系統(tǒng)連接到船舶歷史數(shù)據(jù)庫，根據(jù)選擇的回放時間、設置的回放參數(shù)開始歷史數(shù)據(jù)回放，回放過程以符合海洋漁業(yè)管理行業(yè)習慣的方式進行。同時支持船舶歷史數(shù)據(jù)的導出功能，滿足用戶在其他平臺使用數(shù)據(jù)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(diào)度、記錄回放、船舶實時監(jiān)控和查詢服務、設備運維、統(tǒng)計分析以及系統(tǒng)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(tài)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(tài)信息(如：目標位置、目標航行狀態(tài)等)和靜態(tài)信息(如：船舶類型、船舶參數(shù)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(tǒng)支持多個操作席位同時在線訪問服務器，席位數(shù)量根據(jù)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(jiān)視船舶動態(tài)，其他席位用于回放特定時間段的數(shù)據(jù)記錄，以及事故分析和執(zhí)法調(diào)查，互不影響)。

3 試驗結(jié)果

系統(tǒng)已經(jīng)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(qū)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(jù)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(nèi)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過實時處理轉(zhuǎn)換成目標數(shù)據(jù)或視頻后，經(jīng)過通訊網(wǎng)絡發(fā)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(tǒng)接入的目標數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)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(tǒng)整體功能驗證效果