一種用于VTS導航雷達中浮標丟失告警技術

練學輝，丁 春，李 棟

(1. 海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室，南京210003； 2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

一種用于VTS導航雷達中浮標丟失告警技術

練學輝1，丁 春2，李 棟2

(1. 海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室，南京210003； 2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

浮標作為一種助航設施在水面安全航行方面具有重要的作用。同時，由于雷達視頻中浮標的信雜比不高，對浮標的監(jiān)視一直以來面臨著極大的困難。本文首先利用電子海圖提供了一種對于浮標的自動定位技術，根據(jù)定位信息實現(xiàn)了對于浮標的丟失告警。

VTS；導航雷達；浮標; 丟失告警

0 引 言

浮標是一種浮于水面的航標，錨定在指定位置，用以標示航道范圍、指示淺灘、礙航物或表示專門用途的水面助航標志，在水面安全航行方面具有重要的作用。浮標的一端系于水底，由于碰撞、走錨等原因可能導致浮標丟失，有必要對浮標的丟失及時進行告警。另外，對于水面小目標、慢速(2～3 kn以下)目標的跟蹤，一直以來面臨著極大的困難。原因之一是由于其信雜比不高，檢測概率低；原因之二是對于水面固定的或者慢速目標，由于波浪以及導航雷達方位分辨率的原因，導致雷達目標點跡在方位上呈現(xiàn)搖擺的特點[1]。

為此，本文提出了首先依據(jù)電子海圖對浮標進行自動定位，再根據(jù)位置實現(xiàn)浮標的丟失告警。

1 自動定位技術

對浮標進行自動定位是指以電子海圖中浮標的位置為初步信息，經過對雷達視頻中浮標回波進行處理，并提取浮標位置的過程。為了確保浮標定位信息有效，最后需要人工確認。

1.1 具體步驟

為了對浮標進行定位，需要執(zhí)行以下步驟：

(1) 在電子海圖中獲取浮標相對于雷達的極坐標值(距離和方位)

電子海圖中提供包括浮標在內的多種信息，可以直接獲取浮標的地理坐標。根據(jù)浮標的地理坐標和雷達的地理坐標，可以計算出浮標相對于雷達的極坐標值(距離和方位)。

(2) 設置浮標定位窗口

電子海圖與雷達視頻之間存在不可能完全消除的系統(tǒng)誤差，雷達視頻中浮標的位置與根據(jù)電子海圖計算出的浮標的極坐標值之間存在一定的系統(tǒng)誤差。浮標定位窗口指以根據(jù)電子海圖計算出的浮標的極坐標值為中心，具有一定距離寬度和方位寬度的扇形窗口。該扇形窗口的大小應當考慮系統(tǒng)誤差和浮標回波大小，并且該扇形窗口內應當僅僅含有此浮標一個固定目標，不能包含其他的固定目標。

(3) 脈組積累

脈組積累是通過將一定方位寬度內的脈沖相加取均值得到的。采取脈組積累有兩個主要的益處：

(a) 通過脈組積累可以改善最小可檢測信噪比。對于VTS中的導航雷達，波束寬度為0.3°，脈沖方位間隔是0.06°或0.12°。若將脈組積累時方位寬度設為0.15°，則一個脈組包含1～2個脈沖。若脈組內含有2個脈沖，則對于非起伏目標，單個脈沖的最小可檢測信噪比總的增益為1.62～2.64 dB[2]。

(b) 將脈沖脈組化，意味著可以對不同天線周期中相同脈組序號的脈沖進行相加、比較等運算，為后續(xù)的多周期反饋式積累提供支持。

(4) 銳化處理

一般而言，浮標的尺寸比較小，強反射點不多，浮標回波的信噪比不高。需要對浮標定位窗口進行銳化處理，使得該窗口的邊緣、輪廓線以及細節(jié)特征變得清晰，提高窗口內各雷達分辨單元幅度的對比度。

對雷達視頻進行銳化處理的公式為

y=x2/C

(1)

(5) 多周期反饋式積累

多周期反饋式積累的公式是

(2)

對浮標定位窗口進行多周期反饋式積累，可以抑制氣象雜波、海雜波等在周期間不相關的雜波，改善最小可檢測信雜比。如果用2個周期進行多周期反饋式積累，則對于非起伏目標，單個脈沖的最小可檢測信雜比的增益為1.62 dB。

(6) 二維單元平均恒虛警率檢測

浮標定位窗口檢測采用二維單元平均恒虛警率檢測，即在浮標定位窗口中首先計算出所有雷達分辨單元上的平均幅度作為噪聲功率的估計值，再以

(3)

(7) 點跡凝聚

浮標定位窗口中的點跡凝聚采用強連通法，即要求點跡中相鄰雷達分辨單元之間的距離偏移量或者脈組序號之差不大于1。

如果浮標定位窗口內凝聚出多個點跡，因為不清楚是由于有船只進入了定位窗口，或者是由于雜波的干擾，為了嚴格確保浮標定位的準確性，將當前周期內浮標定位窗口中的點跡都認為無效。

(8) 點跡位置信息統(tǒng)計

(9) 電子海圖人工確認

1.2 實驗分析

對某日大橋站雷達視頻中大橋附近4個浮標進行定位，檢測概率PD設為0.9。在第70個天線周期后，準確定位3個浮標。另一浮標定位失敗的原因是在后30個周期中，該浮標窗口內有船只經過，不滿足浮標窗口內點跡唯一的要求，導致有效點跡數(shù)<30×PD。成功定位的3個浮標的距離標準差和方位標準差見表1。

表1 成功定位的3個浮標的距離標準差和方位標準差

雷達的距離精度為3.75 m，方位精度為0.15°。對于長江中位置基本不變或者變化很小的浮標而言，浮標定位過程中采用的脈組積累、銳化處理、多周期反饋式積累等措施提高了浮標的信雜比，使得成功定位的3個浮標的距離標準差遠小于雷達的距離精度和方位精度。

2 對于浮標的丟失告警技術

對于浮標的丟失告警技術主要依賴于在浮標告警窗口中進行區(qū)別于自動定位過程中的信號處理，以及將雷達點跡與浮標定位位置進行關聯(lián)判斷來實現(xiàn)。

2.1 具體步驟

對浮標的丟失告警按照圖 1所示的處理流程，其中脈組積累、銳化處理、二維單元平均恒虛警率檢測、點跡凝聚與自動定位中的相同。

圖1 浮標丟失告警處理流程

多周期反饋式積累在浮標告警窗口中各脈組采取的權重都相同。當浮標告警窗口中有船只經過時，由于在浮標告警窗口中含有船只，噪聲功率的估計值偏大，導致對浮標的檢測概率降低，即“遮蔽”效應。為此，在多周期反饋式積累時，浮標告警窗口中方位向靠近邊界的脈組所用的權重應當比中心脈組小，并且與中心脈組的序號相差越大權重越小。記中心脈組所用權重為α0，某脈組與中心脈組的序號差的絕對值是n，衰減系數(shù)c<1，則此脈組在多周期反饋式積累時所用權重α=α0×cn，此即權重中心對稱衰減的多周期反饋式積累。浮標告警窗口邊界在多周期反饋式積累時所有權重比中心脈組所用的權重小，收斂所需周期比中心脈組的大。如果權重足夠小，收斂周期數(shù)遠大于船只回波在浮標告警窗口中存在的周期數(shù)，當船只經過浮標告警窗口邊界時，將不會對浮標產生“遮蔽”效應。

對浮標告警窗口內所有點跡根據(jù)式(4)計算與浮標定位位置的關聯(lián)距離：

(4)

其中，d0和θ0分別表示浮標定位的距離和角度，d1和θ1分別表示浮標告警窗口內點跡的距離和角度，σd和σθ分別表示浮標告警窗口內點跡的距離精度和方位精度。

選擇浮標告警窗口內關聯(lián)距離dis最小且關聯(lián)距離dis<關聯(lián)門限T的點跡作為關聯(lián)點跡。在連續(xù)30次掃描中，在浮標告警窗口中都未成功關聯(lián)點跡則宣布浮標丟失，向用戶提出浮標丟失的告警信息。

2.2 實驗分析

根據(jù)第1.2節(jié)中計算出的3個浮標的定位位置，從第71個周期開始對3個浮標進行實驗。在實驗中，為了驗證浮標丟失告警，從第100個周期開始，將第2個浮標所在告警窗口每個周期向遠處移動一個雷達分辨單元，直到第2個浮標所在告警窗口內的視頻全部移出為止，并且之后所有周期內該告警窗口內的雷達視頻都保持在第2個浮標所在告警窗口之外。

圖 2為第120個周期時經過脈組積累、銳化處理、權重中心對稱衰減的多周期反饋式積累、二維單元平均恒虛警率檢測和點跡凝聚后3個浮標所在區(qū)域的B顯圖。圖 3和圖 4中白色方框即為3個浮標告警區(qū)域，左側第2個告警區(qū)域上方的白色部分是移出告警窗口的第2個浮標。圖 5和圖 6中黑色方框為3個浮標告警區(qū)域。圖 2中的第1個浮標淹沒在雜波中，經過脈組積累、銳化等處理后可以被檢測到，并凝聚成點跡。圖 5顯示在第120個周期時，第2個浮標告警窗口中沒有任何雷達分辨單元的幅度超過檢測門限。圖 6中最左側和最右側黑色方框中的白色十字為第1個和第3個浮標凝聚的點跡。

圖2 脈組積累效果示意圖

圖3 銳化處理效果示意圖

圖4 權重中心對稱衰減的多周期反饋式積累效果示意圖

圖5 二維單元平均恒虛警率檢測效果示意圖

圖6 點跡凝聚效果示意圖

從第120個周期開始至第150個周期為止，第2個浮標所在告警窗口內的點跡數(shù)都為0，在第150個周期天線掃描過第2個浮標所在告警窗口時，向用戶發(fā)出告警信息。

3 結束語

為了解決浮標丟失及時告警的問題，本文提出了首先利用電子海圖對浮標進行自動定位、再利用定位位置信息實現(xiàn)浮標丟失告警的方法。經實驗驗證，此方法可以及時發(fā)現(xiàn)浮標丟失。另外，自動定位技術也可以用于對雷達進行標校；對關注區(qū)域進行銳化并多周期積累的方法，也可以用于對慢速(2～3 kn以下)目標的跟蹤。

[1] John N.Briggs，等.航海雷達目標檢測[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.1.

[2] Mark A. Richards.雷達信號處理基礎[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.6.

[3] 王小謨，匡永勝，陳忠先，等.監(jiān)視雷達技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.1.

A technology of buoy loss and alarm for navigation radars in VTS

LIAN Xue-hui, DING Chun, LI Dong

(1. Military Representatives Office of Radar System of the Chinese PLA Navy in Nanjing,Nanjing 210003; 2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The buoy as a navaid has a significant effect on surface safety and navigation. At the same time, the signal-to-clutter ratio (SCR) of the buoys in radar videos is low, which makes it extremely difficult to monitor the buoys. A technique of automatically locating the buoys through the e-chart is provided. Based on the locating information, the loss and alarm of the buoys are realized.

VTS; navigation radar; buoy; loss and alarm

2013-12-25；

2014-01-15

練學輝(1965-)，男，高級工程師，研究方向：雷達總體技術；丁春(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達數(shù)據(jù)處理；李棟(1985-)，男，工程師，碩士，雷達數(shù)據(jù)處理。

TN967.7

A

1009-0401(2014)01-0015-04