基于AIS信息的航海雷達(dá)抗高壓電線干擾研究

葉明君 應(yīng)士君

摘 要：本文以跨海220KV高壓輸電線路和航海雷達(dá)為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了高壓輸電線路對(duì)航海雷達(dá)的影響以及雷達(dá)回波的特點(diǎn)。根據(jù)研究結(jié)果，針對(duì)高壓輸電線路回波對(duì)雷達(dá)觀測(cè)的影響，提出了基于AIS信息的雷達(dá)抗干擾技術(shù)，并用VC++在PC上仿真演算。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線路 航海雷達(dá) 抗干擾 目標(biāo)交換

引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)跨海高壓輸電線路的發(fā)展十分迅速。輸電線路作為一種電磁輻射源，在運(yùn)行時(shí)會(huì)不斷產(chǎn)生一些電磁脈沖，向空中輻射各種寬頻帶的高頻電磁波。由于輸電線路所跨越的水道船舶通航密集，通電后線路所產(chǎn)生的電磁輻射和電磁干擾對(duì)船舶航行的影響也日益成為海事部門和航運(yùn)企業(yè)所關(guān)心的課題。雷達(dá)是現(xiàn)代船舶必備的導(dǎo)航設(shè)備，為保障跨海輸電線路水域的船舶航行安全，研究220KV跨海高壓輸電線路對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生的輻射和干擾，以及相應(yīng)的抗干擾技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

220KV高壓輸電線路對(duì)航海雷達(dá)影響的理論分析

1、220KV高壓輸電線路周圍電磁場(chǎng)對(duì)雷達(dá)的干擾

研究結(jié)果表明220KV高壓輸電線路的靜電耦合和電磁干擾主要影響VHF以下的電訊信號(hào)，頻率越低影響越大。雷達(dá)的工作頻率作用在３G的S波段和9G的Ｘ波段，而且目前的航海雷達(dá)普遍采用波導(dǎo)隙縫天線，除了天線的發(fā)射面外，三面用金屬外殼屏蔽外界電磁波的干擾。因此可以認(rèn)為220KV高壓輸電線路的靜電耦合和電磁干擾對(duì)雷達(dá)的影響很小。

2、220KV高壓輸電線路的有效散射面積

雷達(dá)是通過(guò)目標(biāo)的二次散射功率來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的。半徑為10mm的金屬導(dǎo)線在不通過(guò)高壓時(shí)的有效散射面積非常小，雷達(dá)反射回波非常微弱，一般航海雷達(dá)無(wú)法探測(cè)到金屬導(dǎo)線的回波。

在金屬導(dǎo)線上通過(guò)220KV的高壓電后，導(dǎo)線的有效散射面積增大。只能用實(shí)際測(cè)量得到它們的有效散射面積。

220KV高壓輸電線路對(duì)航海雷達(dá)影響的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在220KV高壓輸電線路附近數(shù)千米內(nèi)，表明雷達(dá)確實(shí)可以探測(cè)到高壓輸電線路的回波。如圖1所示。

1、220KV高壓輸電線路雷達(dá)回波探測(cè)距離

在不考慮雷達(dá)回波在大氣中的折射和吸收衰減影響，也不考慮海面反射和陸地反射以及各種干擾的影響下，雷達(dá)對(duì)高壓輸電線路的最大探測(cè)距離可以用雷達(dá)方程式確定：

其中：Pt-脈沖發(fā)射功率，G-天線增益，Pr-接收機(jī)靈敏度，λ-波長(zhǎng)，σ-目標(biāo)有效散射面積

根據(jù)雷達(dá)方程推算，220KV高壓線的最大探測(cè)距離可以達(dá)到1398m ；根據(jù)實(shí)測(cè)220KV高壓輸電線路的最大探測(cè)距離為R ≈ 8334m。

2、220KV高壓輸電線路回波對(duì)雷達(dá)觀測(cè)的影響

220KV高壓輸電線路的回波會(huì)遮擋一些船只回波，在雷達(dá)跟蹤目標(biāo)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)交換現(xiàn)象。(見圖2)

當(dāng)高壓輸電線路離本船的距離小于高壓輸電線路的最大探測(cè)距離時(shí)，雷達(dá)屏幕上即可顯示高壓輸電線路的回波。此時(shí)，若雷達(dá)也探測(cè)到了高壓線路下的目標(biāo)，則該目標(biāo)的回波也將呈現(xiàn)在該雷達(dá)的屏幕上，從而使高壓輸電線路的雷達(dá)回波對(duì)該目標(biāo)的回波產(chǎn)生了遮擋，多個(gè)不同的目標(biāo)出現(xiàn)在雷達(dá)屏幕上，即相當(dāng)于多個(gè)目標(biāo)交會(huì)，雷達(dá)可能會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)交換，進(jìn)而丟失正確的跟蹤目標(biāo)。

基于AIS信息減少雷達(dá)目標(biāo)交換的方法

該算法中，當(dāng)220KV高壓輸電線路回波與目標(biāo)回波重疊時(shí)，可把高壓輸電線路回波也當(dāng)作一個(gè)目標(biāo),把這種情況當(dāng)成兩船交會(huì)的情況處理。算法的具體步驟如下：

1、AIS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及跟蹤窗

雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)是以本船為中心，以目標(biāo)船相對(duì)于本船的方位和距離來(lái)表示的，雷達(dá)把屏幕上的目標(biāo)視頻回波量化成內(nèi)存中的方位-距離矩陣。AIS播發(fā)的目標(biāo)位置信息是基于WGS84地理坐標(biāo)系的經(jīng)度和緯度。為了把AIS信息和雷達(dá)信息很好的結(jié)合在一起，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使它們處于同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)。采用以本船為原點(diǎn)的北向上極坐標(biāo)系，順時(shí)針方位角為正，逆時(shí)針方位角為負(fù)。ARPA（Automatic Radar Plotting Aid）對(duì)目標(biāo)的跟蹤是以跟蹤窗來(lái)實(shí)施對(duì)目標(biāo)的航跡進(jìn)行相關(guān)處理的，雷達(dá)的跟蹤窗和北向上極坐標(biāo)體系如圖3-1所示?！鰽、△R分別為跟蹤窗的寬度和深度，RR和BR是雷達(dá)位置的距離和方位，RA和BA是AIS位置的距離和方位。

雷達(dá)通過(guò)AIS獲得的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)是船舶的經(jīng)緯度，需要把經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成球面的方位距離，設(shè)AIS目標(biāo)的經(jīng)緯度為λ,φ即采用高斯-克呂格投影把經(jīng)緯度先轉(zhuǎn)換成平面直角坐標(biāo)x，y：

然后把平面直角坐標(biāo)x,y轉(zhuǎn)換成相對(duì)于本船位置的北向上極坐標(biāo)，設(shè)AIS目標(biāo)的直角坐標(biāo)為(xT，yT)，本船位置的直角坐標(biāo)為(xO，yO)，轉(zhuǎn)換公式如下：

2、用模糊c-均值聚類算法（FCM）計(jì)算隸屬度

這一步的作用就是判斷跟蹤窗中的AIS信息是否是所要跟蹤目標(biāo)的AIS信息。

假設(shè)X =｛x1，x2…xn｝表示雷達(dá)的航跡，n表示元素個(gè)數(shù)，c是AIS航跡個(gè)數(shù)，也即聚類中心個(gè)數(shù)，1

其中：

這里的 m是權(quán)重系數(shù)，m>1。通過(guò)最小化的方法，解出最佳的隸屬度。

隸屬度：

分別計(jì)算雷達(dá)預(yù)測(cè)位置與兩處AIS信息的隸屬度，較大的那一個(gè)即為可能所要匹配的AIS信息，這里隸屬度會(huì)設(shè)定一個(gè)閾值ε，當(dāng)較大的那個(gè)隸屬度大于ε時(shí)，即可最終斷定跟蹤目標(biāo)的AIS信息。

3、AIS與雷達(dá)位置關(guān)聯(lián)

確定了所要跟蹤目標(biāo)的AIS信息后，我們就可以用它來(lái)確定哪個(gè)是與之相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)。由于我們只能得到兩個(gè)目標(biāo)的距離與方位信息，所以此處關(guān)聯(lián)也只能用到AIS的這兩個(gè)信息。

設(shè)RRk、BRk為雷達(dá)在k時(shí)刻所測(cè)得目標(biāo)的距離與方位，RAk、BAk為k時(shí)刻AIS提供的目標(biāo)位置信息所推算出的目標(biāo)的距離與方位。我們這里為了提高關(guān)聯(lián)質(zhì)量，需要進(jìn)行m次關(guān)聯(lián)檢測(cè)，在關(guān)聯(lián)檢測(cè)樣本間建立距離函數(shù)Py，i代表第i組AIS的數(shù)據(jù)，j代表第j組雷達(dá)的數(shù)據(jù)，i和j是獨(dú)立不相關(guān)的。Pij的定義如下：

那么對(duì)于確定的i組AIS數(shù)據(jù)，要找到出于同一目標(biāo)的雷達(dá)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，只要找到j(luò)，該j使得距離Py取得最小值，即此最小值所對(duì)應(yīng)的那個(gè)目標(biāo)即為所要跟蹤的目標(biāo)。

4、AIS信息的判決

分別計(jì)算預(yù)測(cè)中心與兩處AIS的隸屬度，得到兩個(gè)隸屬度u11和u21。先比較u11和u21，得到較大的一個(gè)（例如u11），若u11 >ε，則u11所對(duì)應(yīng)的AIS即為跟蹤目標(biāo)的AIS。

然后再計(jì)算此AIS信息與兩個(gè)雷達(dá)回波的關(guān)聯(lián)距離ρ11和ρ12，較小的那個(gè)就是我們所跟蹤目標(biāo)的回波信號(hào)。

5、對(duì)本算法的仿真

如果把220KV高壓輸電線路的回波當(dāng)作目標(biāo)回波，那么它和船只回波重疊時(shí)，可把這種情況當(dāng)成兩船交會(huì)的情況。用VC++在PC上編寫了使用本算法的目標(biāo)跟蹤程序，并在雷達(dá)模擬器上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

設(shè)本船的航向000，速度10Kn。A船初始距離3.51nm.，方位060.5，相對(duì)航速10 Kn，相對(duì)航向200。B船初始距離3.09 nm.，方位050.0，相對(duì)航速10 Kn，相對(duì)航向180。

以上各圖中，A-ARPA、B-ARPA表示雷達(dá)測(cè)得的A船和B船的數(shù)據(jù)；A-Real、B-Real表示A船和B船的真實(shí)數(shù)據(jù)；A-Paper、B-Paper表示經(jīng)過(guò)本文算法處理后的數(shù)據(jù)。

圖4是兩船的軌跡圖。從中可以看出，兩船在(2.271,0.086)處相遇。此處出現(xiàn)目標(biāo)交換，B船的航跡消失，A船的航跡跳變?yōu)锽船的航跡，經(jīng)過(guò)本算法處理后A船和B船均能被正確跟蹤。圖5是兩船的航向圖，從中可以看出，從420s開始，B船的航向發(fā)生丟失，而A船的航向跳變?yōu)锽船的航向。經(jīng)過(guò)本算法處理后，兩船的航向都能正確得到。圖6是兩船的航速圖，從中可以看出，從420s開始，B船的航速丟失，而A船的航速跳變?yōu)锽船的航速。經(jīng)過(guò)本案的算法處理后，兩船的航速都能正確得到。

結(jié)語(yǔ)

船舶在跨海高壓輸電線路的區(qū)域航行時(shí)，要密切注意觀測(cè)雷達(dá)圖像的變化，正確調(diào)整雷達(dá)的增益，使得回波達(dá)到最佳的狀態(tài)。要區(qū)分高壓線干擾回波和目標(biāo)回波，防止出現(xiàn)把高壓線干擾誤認(rèn)為目標(biāo)的現(xiàn)象而導(dǎo)致航行不安全。當(dāng)高壓線干擾回波和目標(biāo)船回波混疊在一起時(shí)，容易疏忽誤判而導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此當(dāng)船舶行經(jīng)跨海高壓輸電線路區(qū)域時(shí)必須加強(qiáng)了望，特別要注意在高壓線下方的船舶。

（作者單位：浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）