胡夢琪

（廣東南方海岸科技服務(wù)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

中國擁有漫長的海岸線和廣闊的管轄海域，且海域內(nèi)蘊(yùn)藏了豐富的資源。海洋是支撐我國今后可持續(xù)發(fā)展的重要空間和資源，海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成為我國現(xiàn)代化沿海經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的重要引擎。

近年來，海洋安全問題呈現(xiàn)地區(qū)化和國際化的趨勢，我國面臨更大的海洋安全威脅，例如海上恐怖主義、海上搜救與救助以及水資源安全與環(huán)境安全等。因此，完善海洋安全力量體系、發(fā)展海洋安全監(jiān)控技術(shù)是我國實(shí)現(xiàn)海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要保障。該技術(shù)主要用來監(jiān)控海洋安全，通過雷達(dá)采集目標(biāo)位置信息、光電采集視頻數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)雷達(dá)把握全局、光電設(shè)備精準(zhǔn)拍照的目的。

1 技術(shù)原理

目前，基于雷達(dá)光電聯(lián)動控制的船舶目標(biāo)跟蹤拍照技術(shù)主要對邊海防領(lǐng)域進(jìn)行動態(tài)目標(biāo)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)把握全局、光電設(shè)備精準(zhǔn)拍照的目的[1]。雷達(dá)對海面船只目標(biāo)進(jìn)行觀測、識別和追蹤，對監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行目標(biāo)搜索和告警，雷達(dá)和光電跟蹤儀經(jīng)衛(wèi)星定位校準(zhǔn)坐標(biāo)后存入本地主控計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，配置雷達(dá)工作周掃或扇掃模式及工作量程，可在量程范圍內(nèi)設(shè)置警戒區(qū)。雷達(dá)將連續(xù)掃描并上報(bào)目標(biāo)數(shù)據(jù)。當(dāng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，如果目標(biāo)進(jìn)入所設(shè)置的告警區(qū)域，則立刻將目標(biāo)船舶的方位、距離以及速度轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，自動引導(dǎo)遠(yuǎn)程光學(xué)系統(tǒng)以及距離目標(biāo)最近的智能攝像機(jī)指向目標(biāo)所在的方位。光電跟蹤儀根據(jù)引導(dǎo)數(shù)據(jù)中的距離參數(shù)和速度參數(shù)計(jì)算合適的視場及焦距[2]。首先，使用寬視場進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)。其次，將其調(diào)整為放大窄視場進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn)。最后，進(jìn)行視頻跟蹤。根據(jù)雷達(dá)建立的目標(biāo)行動路線可進(jìn)一步判斷目標(biāo)的企圖。在雷達(dá)發(fā)出告警引導(dǎo)視頻指向目標(biāo)后，監(jiān)控中心的后端系統(tǒng)啟動視頻記錄并存儲視頻。雷達(dá)探測與引導(dǎo)控制光電跟蹤如圖1 所示。

圖1 雷達(dá)探測與引導(dǎo)控制光電跟蹤示意圖

2 技術(shù)方法

2.1 雷達(dá)定位信息預(yù)測技術(shù)

2.1.1 雷達(dá)信號檢測與目標(biāo)跟蹤

在雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤之前，首先要對目標(biāo)進(jìn)行檢測。目標(biāo)檢測的本質(zhì)是從噪聲背景中提取目標(biāo)信息。對海面目標(biāo)觀測來說，海雜波是影響船舶檢測和船舶跟蹤性能的干擾之一，因此，去除海雜波成為目標(biāo)檢測的核心。在目標(biāo)檢測的過程中，一般將信噪比作為目標(biāo)檢測的閾值，疊加多個(gè)連續(xù)脈沖的回波，利用噪聲的不相關(guān)或弱相關(guān)來消除噪聲，僅留下目標(biāo)船舶，該方法有助于目標(biāo)識別。當(dāng)多個(gè)連續(xù)回波相互關(guān)聯(lián)并累加時(shí)，可根據(jù)粘結(jié)目標(biāo)在方位上的回波包絡(luò)確定其是否為粘結(jié)目標(biāo)。因此，該算法提高了雷達(dá)的方位分辨率[3]。

2.1.2 船舶運(yùn)動目標(biāo)建模

估計(jì)理論在處理目標(biāo)跟蹤算法之前，需要先確定船舶的運(yùn)動目標(biāo)模型，通過建立數(shù)學(xué)模型來描述并估計(jì)與問題相關(guān)的物理現(xiàn)象，這個(gè)數(shù)學(xué)模型需要列出某一時(shí)刻的狀態(tài)變量，將其作為前一時(shí)刻狀態(tài)變量的函數(shù)。這個(gè)定義的狀態(tài)變量應(yīng)能充分反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。

一般情況下，狀態(tài)變量與系統(tǒng)能量有關(guān)。例如在目標(biāo)運(yùn)動模型中，狀態(tài)變量中包括的位置元素與勢能相關(guān)、速度元素與動能相關(guān)。在建立目標(biāo)模型的過程中，由于缺少精準(zhǔn)的目標(biāo)運(yùn)動數(shù)據(jù)和很多不可預(yù)測的現(xiàn)象，因此必須引入狀態(tài)噪聲的概念，例如周圍環(huán)境的變化和駕駛員的主觀操作。

運(yùn)動船舶目標(biāo)模型是目標(biāo)跟蹤的基本要素之一，也是重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。建立運(yùn)動目標(biāo)模型的一般原則是模型既要符合實(shí)際，也要易于數(shù)學(xué)處理。然而，任何模型都有其自身的局限性。因此，需要使用另一個(gè)適合描述目標(biāo)當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)的模型進(jìn)行濾波。當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)改變?yōu)椴贿m合該模型的描述時(shí)，濾波誤差將增大。這涉及多模型處理問題，該問題已被廣泛討論并開始在實(shí)踐中應(yīng)用。

目標(biāo)運(yùn)動被預(yù)先定義為簡單的恒定速度CV或恒定加速度CA。運(yùn)動可以被視為隨機(jī)干擾，它的大小可以在過程噪聲的協(xié)方差矩陣中體現(xiàn)。該模型是跟蹤算法分析中比較常用的模型，也是最早、最簡單的模型[4]。恒定速度CV模型和恒定加速度CA模型如公式（1）、公式（2）所示。

式中：x、x'、x''和x'''分別代表目標(biāo)位置、目標(biāo)速度、目標(biāo)加速度分量以及目標(biāo)角速度分量；w（t）為具有零均值和δ2方差的高斯白噪聲。

對勻速直線運(yùn)動和勻加速直線運(yùn)動來說，以上模型都能夠達(dá)到較高的跟蹤精度。但是，當(dāng)目標(biāo)處于機(jī)動狀態(tài)時(shí)，即目標(biāo)加速度向量發(fā)生變化時(shí)，采用上述模型將會產(chǎn)生較大的誤差。此時(shí)，需要綜合考慮目標(biāo)的機(jī)動狀態(tài)并采用其他模型，例如下面介紹的目標(biāo)模型（CSM 模型）。

CSM 模型本質(zhì)上是1 個(gè)與非零時(shí)間相關(guān)的模型。它的加速度的“當(dāng)前”概率密度由修正的瑞利分布來描述，它的平均值為“當(dāng)前”加速度的預(yù)測值，它的隨機(jī)加速度在時(shí)間軸上符合一階時(shí)間相關(guān)過程。當(dāng)模型滿足目標(biāo)以一定加速度機(jī)動的要求時(shí)，下一時(shí)刻的加速度范圍是有限的，只能在“當(dāng)前”加速度附近。CSM 模型如公式（3）所示。

式中：α為修正參數(shù)；（t）為修正參數(shù)均值。

CSM 模型的機(jī)動加速度特性采用非零均值和修正的瑞利分布來表示，因此具有更強(qiáng)的實(shí)用性，能夠更真實(shí)地反映機(jī)動范圍和強(qiáng)度的變化。

2.1.3 信息預(yù)測跟蹤算法

在建立機(jī)動目標(biāo)模型的時(shí)候，必須設(shè)計(jì)目標(biāo)跟蹤的算法。在目標(biāo)跟蹤的過程中，最核心的是跟蹤目標(biāo)的距離信息、高度信息、方位信息和速度信息。通過估計(jì)、預(yù)測目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)與運(yùn)動狀態(tài)，有助于針對特定目標(biāo)提出具體的解決方案。跟蹤系統(tǒng)最基本的組成部分是基本跟蹤濾波和預(yù)測方法，也是形成自適應(yīng)跟蹤濾波的前提和基礎(chǔ)

為了解決雷達(dá)數(shù)據(jù)延遲的問題，通過測算船舶行駛的方向和速度，實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測船舶實(shí)時(shí)位置的目標(biāo)。基于問題的具體要求，使用擁有預(yù)測能力的追蹤算法，例如卡爾曼濾波和粒子濾波，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)時(shí)位置的目標(biāo)并根據(jù)后續(xù)觀察結(jié)果對預(yù)測軌跡進(jìn)行修正。以卡爾曼濾波為例，針對船舶目標(biāo)追蹤如公式（4）所示。

式中：k為當(dāng)前時(shí)刻；Xk為當(dāng)前時(shí)刻的追蹤目標(biāo)估計(jì)值；Xk-1為上一時(shí)刻的追蹤目標(biāo)值；Uk為追蹤目標(biāo)觀察值；W為誤差函數(shù)；W（k） 為當(dāng)前時(shí)刻誤差值；A和B為可調(diào)節(jié)權(quán)重。

由于雷達(dá)有幾秒的延遲，因此該文可以通過預(yù)測目標(biāo)速度得到更為準(zhǔn)確的當(dāng)前位置估計(jì)值。

2.2 光電聯(lián)動跟蹤拍照技術(shù)

2.2.1 選擇跟蹤坐標(biāo)系

所有目標(biāo)的運(yùn)動描述和跟蹤問題都與特定的坐標(biāo)系有關(guān)。選擇世界坐標(biāo)系作為跟蹤坐標(biāo)表系統(tǒng)。也就是說，可以將地平面或海平面上的適當(dāng)點(diǎn)作為原點(diǎn)，定義相互垂直的x坐標(biāo)軸、y坐標(biāo)軸和z坐標(biāo)軸，每個(gè)軸的方向取決于具體情況。

跟蹤坐標(biāo)系原則上可以根據(jù)具體情況采用任意坐標(biāo)系，選擇合適的坐標(biāo)系可以很大程度地降低狀態(tài)估計(jì)的計(jì)算成本。如果僅在1 個(gè)坐標(biāo)系上建立目標(biāo)的狀態(tài)方程，則該狀態(tài)方程為線性，觀測方程為非線性；反之狀態(tài)方程是非線性的，觀測方程是線性的。在濾波和預(yù)測之前，需要適當(dāng)?shù)貙Ψ匠踢M(jìn)行處理，但是這樣會引入模型誤差。因此，在雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)中，通常采用世界坐標(biāo)系和雷達(dá)觀測坐標(biāo)系構(gòu)成混合坐標(biāo)系，它的優(yōu)點(diǎn)是測量方程在雷達(dá)觀測坐標(biāo)系中是線性的，利用坐標(biāo)變換使?fàn)顟B(tài)方程在地理坐標(biāo)系中也是線性的，可以非常容易地進(jìn)行過濾和預(yù)測。

2.2.2 光電設(shè)備內(nèi)外參數(shù)調(diào)整技術(shù)

在通過雷達(dá)定位以及實(shí)時(shí)預(yù)測處理后，光電設(shè)備可以獲得待拍攝船舶的實(shí)時(shí)預(yù)測三維坐標(biāo)信息。在通過目前已經(jīng)相當(dāng)成熟的世界坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，即可得到目標(biāo)在圖像平面上的參考位置。為了更好地對船舶目標(biāo)進(jìn)行圖像采集，光電設(shè)備可以通過預(yù)測船舶的實(shí)時(shí)位置來調(diào)整光電攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，使船舶位置處于圖像平面中心。設(shè)當(dāng)前目標(biāo)在圖像平面坐標(biāo)系上的參考位置為（x，y），圖像平面中心為圖像平面坐標(biāo)系中心（0，0），則光電設(shè)備需要調(diào)整的旋轉(zhuǎn)角度如公式（5）、公式（6）所示。

式中：f為光電攝像機(jī)焦距；θx和θy為平面坐標(biāo)系上需要調(diào)整的角度；x為平面坐標(biāo)系上的橫坐標(biāo)；y為平面坐標(biāo)系上的縱坐標(biāo)。

2.2.3 持續(xù)跟蹤自動變焦技術(shù)

跟蹤拍照技術(shù)的另一難題是如何通過跟蹤過程中捕獲的圖像序列實(shí)時(shí)、快速地分析多幀連續(xù)變焦圖像，快速調(diào)整對焦距離和對焦中心，從而獲得高清的船舶圖像。該文提出對多幀連續(xù)變焦圖像進(jìn)行分析，估計(jì)出最佳焦距更為準(zhǔn)確的上、下界，并借此進(jìn)一步設(shè)置更為準(zhǔn)確的焦距。它的工作流程如下：1） 雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。雷達(dá)實(shí)時(shí)地對警戒區(qū)域進(jìn)行掃描，當(dāng)有船舶超過預(yù)設(shè)的警戒線或者進(jìn)入警戒區(qū)時(shí)，雷達(dá)會在GIS 電子海圖中標(biāo)記目標(biāo)船舶。2） 雷達(dá)目標(biāo)與AIS 信息進(jìn)行比對。雷達(dá)系統(tǒng)對預(yù)警范圍內(nèi)的目標(biāo)船只進(jìn)行掃描、標(biāo)定，生成可疑船只的目錄和軌跡，調(diào)用光電監(jiān)控轉(zhuǎn)臺對可疑事件進(jìn)行視頻確認(rèn)。3） 光電聯(lián)動進(jìn)行視頻拍照確認(rèn)。雷達(dá)對異常船舶目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，引導(dǎo)光電轉(zhuǎn)臺對其進(jìn)行視頻拍照確認(rèn)，自動或手動對疑似目標(biāo)進(jìn)行輪詢查看。發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)后，啟動視頻跟蹤并上報(bào)可疑船只的信息、位置，監(jiān)管人員收到告警信息后，通過視頻確認(rèn)是否存在違法行為并進(jìn)行應(yīng)急處置。

3 系統(tǒng)功能

3.1 自動跟蹤

當(dāng)雷達(dá)、攝像機(jī)檢測到船舶后，進(jìn)行多傳感器融合，系統(tǒng)會根據(jù)船舶位置調(diào)整球機(jī)的參數(shù)，從而達(dá)到跟蹤船舶的目的，系統(tǒng)根據(jù)船舶的位置、大小自動計(jì)算需要放大的倍數(shù)、俯仰角等參數(shù)，從而指揮跟蹤球機(jī)對船舶目標(biāo)進(jìn)行近距離跟蹤，如圖2 所示。

圖2 自動跟蹤效果圖

3.2 自動拍照

當(dāng)雷達(dá)、攝像機(jī)檢測到船舶后，系統(tǒng)會根據(jù)船舶位置調(diào)整球機(jī)的參數(shù)，從而達(dá)到跟蹤船舶的目的。在跟蹤的同時(shí)，系統(tǒng)自動拍照（會拍多張圖片，包括全景、船頭以及船尾的照片）。攝像機(jī)和紅外熱像儀對需要監(jiān)控的區(qū)域進(jìn)行晝夜視頻探測與監(jiān)視。監(jiān)視范圍應(yīng)滿足以下條件：方位為0°～360°，俯仰為-45°～+45°。船舶拍照效果如圖3 所示。

圖3 船舶拍照效果圖

4 結(jié)語

該技術(shù)成果將主要服務(wù)于海警、海事、漁政以及邊海防等海洋監(jiān)管部門，具備廣泛的應(yīng)用前景：1） 服務(wù)于海警、海事、漁政以及公安部門。通過在重點(diǎn)監(jiān)管區(qū)域安裝部署該系統(tǒng)，為相關(guān)監(jiān)管部門提供日常智能監(jiān)控、船舶目標(biāo)拍照留底、船舶事后風(fēng)險(xiǎn)分析、船舶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和防控等服務(wù)，從而有效緩解監(jiān)管部門人員不足、執(zhí)法成本高以及存在資源浪費(fèi)等問題，提高監(jiān)管部門的執(zhí)法效率。2） 面向海關(guān)緝私、邊海防、海警以及邊檢等口岸監(jiān)管部門。對相關(guān)部門現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)、AIS 系統(tǒng)以及光電系統(tǒng)進(jìn)行融合升級改造，避免已有系統(tǒng)各自為戰(zhàn)，出現(xiàn)效率低、資源浪費(fèi)等問題。3） 口岸監(jiān)管部門對海岸船舶進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，保證企業(yè)合法經(jīng)營。