基于雷達光電聯(lián)動控制的船舶目標跟蹤拍照技術

胡夢琪

（廣東南方海岸科技服務有限公司，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)濟帶建設的重要引擎。

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)控技術是我國實現(xiàn)海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要保障。該技術主要用來監(jiān)控海洋安全，通過雷達采集目標位置信息、光電采集視頻數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)雷達把握全局、光電設備精準拍照的目的。

1 技術原理

目前，基于雷達光電聯(lián)動控制的船舶目標跟蹤拍照技術主要對邊海防領域進行動態(tài)目標監(jiān)控，實現(xiàn)雷達把握全局、光電設備精準拍照的目的[1]。雷達對海面船只目標進行觀測、識別和追蹤，對監(jiān)控區(qū)域進行目標搜索和告警，雷達和光電跟蹤儀經(jīng)衛(wèi)星定位校準坐標后存入本地主控計算機。工作時，配置雷達工作周掃或扇掃模式及工作量程，可在量程范圍內(nèi)設置警戒區(qū)。雷達將連續(xù)掃描并上報目標數(shù)據(jù)。當雷達發(fā)現(xiàn)目標后，如果目標進入所設置的告警區(qū)域，則立刻將目標船舶的方位、距離以及速度轉(zhuǎn)換為大地坐標，自動引導遠程光學系統(tǒng)以及距離目標最近的智能攝像機指向目標所在的方位。光電跟蹤儀根據(jù)引導數(shù)據(jù)中的距離參數(shù)和速度參數(shù)計算合適的視場及焦距[2]。首先，使用寬視場進行目標發(fā)現(xiàn)。其次，將其調(diào)整為放大窄視場進行目標確認。最后，進行視頻跟蹤。根據(jù)雷達建立的目標行動路線可進一步判斷目標的企圖。在雷達發(fā)出告警引導視頻指向目標后，監(jiān)控中心的后端系統(tǒng)啟動視頻記錄并存儲視頻。雷達探測與引導控制光電跟蹤如圖1 所示。

圖1 雷達探測與引導控制光電跟蹤示意圖

2 技術方法

2.1 雷達定位信息預測技術

2.1.1 雷達信號檢測與目標跟蹤

在雷達對目標進行跟蹤之前，首先要對目標進行檢測。目標檢測的本質(zhì)是從噪聲背景中提取目標信息。對海面目標觀測來說，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檢測的核心。在目標檢測的過程中，一般將信噪比作為目標檢測的閾值，疊加多個連續(xù)脈沖的回波，利用噪聲的不相關或弱相關來消除噪聲，僅留下目標船舶，該方法有助于目標識別。當多個連續(xù)回波相互關聯(lián)并累加時，可根據(jù)粘結(jié)目標在方位上的回波包絡確定其是否為粘結(jié)目標。因此，該算法提高了雷達的方位分辨率[3]。

2.1.2 船舶運動目標建模

估計理論在處理目標跟蹤算法之前，需要先確定船舶的運動目標模型，通過建立數(shù)學模型來描述并估計與問題相關的物理現(xiàn)象，這個數(shù)學模型需要列出某一時刻的狀態(tài)變量，將其作為前一時刻狀態(tài)變量的函數(shù)。這個定義的狀態(tài)變量應能充分反映系統(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。例如在目標運動模型中，狀態(tài)變量中包括的位置元素與勢能相關、速度元素與動能相關。在建立目標模型的過程中，由于缺少精準的目標運動數(shù)據(jù)和很多不可預測的現(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。

運動船舶目標模型是目標跟蹤的基本要素之一，也是重點和難點問題。建立運動目標模型的一般原則是模型既要符合實際，也要易于數(shù)學處理。然而，任何模型都有其自身的局限性。因此，需要使用另一個適合描述目標當前運動狀態(tài)的模型進行濾波。當目標的運動狀態(tài)改變?yōu)椴贿m合該模型的描述時，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踐中應用。

目標運動被預先定義為簡單的恒定速度CV或恒定加速度CA。運動可以被視為隨機干擾，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'''分別代表目標位置、目標速度、目標加速度分量以及目標角速度分量；w（t）為具有零均值和δ2方差的高斯白噪聲。

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

CSM 模型本質(zhì)上是1 個與非零時間相關的模型。它的加速度的“當前”概率密度由修正的瑞利分布來描述，它的平均值為“當前”加速度的預測值，它的隨機加速度在時間軸上符合一階時間相關過程。當模型滿足目標以一定加速度機動的要求時，下一時刻的加速度范圍是有限的，只能在“當前”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，因此具有更強的實用性，能夠更真實地反映機動范圍和強度的變化。

2.1.3 信息預測跟蹤算法

在建立機動目標模型的時候，必須設計目標跟蹤的算法。在目標跟蹤的過程中，最核心的是跟蹤目標的距離信息、高度信息、方位信息和速度信息。通過估計、預測目標的運動參數(shù)與運動狀態(tài)，有助于針對特定目標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測方法，也是形成自適應跟蹤濾波的前提和基礎

為了解決雷達數(shù)據(jù)延遲的問題，通過測算船舶行駛的方向和速度，實現(xiàn)精確預測船舶實時位置的目標?；趩栴}的具體要求，使用擁有預測能力的追蹤算法，例如卡爾曼濾波和粒子濾波，可以實現(xiàn)快速、準確預測實時位置的目標并根據(jù)后續(xù)觀察結(jié)果對預測軌跡進行修正。以卡爾曼濾波為例，針對船舶目標追蹤如公式（4）所示。

式中：k為當前時刻；Xk為當前時刻的追蹤目標估計值；Xk-1為上一時刻的追蹤目標值；Uk為追蹤目標觀察值；W為誤差函數(shù)；W（k） 為當前時刻誤差值；A和B為可調(diào)節(jié)權(quán)重。

由于雷達有幾秒的延遲，因此該文可以通過預測目標速度得到更為準確的當前位置估計值。

2.2 光電聯(lián)動跟蹤拍照技術

2.2.1 選擇跟蹤坐標系

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

跟蹤坐標系原則上可以根據(jù)具體情況采用任意坐標系，選擇合適的坐標系可以很大程度地降低狀態(tài)估計的計算成本。如果僅在1 個坐標系上建立目標的狀態(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。在濾波和預測之前，需要適當?shù)貙Ψ匠踢M行處理，但是這樣會引入模型誤差。因此，在雷達跟蹤系統(tǒng)中，通常采用世界坐標系和雷達觀測坐標系構(gòu)成混合坐標系，它的優(yōu)點是測量方程在雷達觀測坐標系中是線性的，利用坐標變換使狀態(tài)方程在地理坐標系中也是線性的，可以非常容易地進行過濾和預測。

2.2.2 光電設備內(nèi)外參數(shù)調(diào)整技術

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

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

2.2.3 持續(xù)跟蹤自動變焦技術

跟蹤拍照技術的另一難題是如何通過跟蹤過程中捕獲的圖像序列實時、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)變焦圖像進行分析，估計出最佳焦距更為準確的上、下界，并借此進一步設置更為準確的焦距。它的工作流程如下：1） 雷達發(fā)現(xiàn)目標。雷達實時地對警戒區(qū)域進行掃描，當有船舶超過預設的警戒線或者進入警戒區(qū)時，雷達會在GIS 電子海圖中標記目標船舶。2） 雷達目標與AIS 信息進行比對。雷達系統(tǒng)對預警范圍內(nèi)的目標船只進行掃描、標定，生成可疑船只的目錄和軌跡，調(diào)用光電監(jiān)控轉(zhuǎn)臺對可疑事件進行視頻確認。3） 光電聯(lián)動進行視頻拍照確認。雷達對異常船舶目標進行標注，引導光電轉(zhuǎn)臺對其進行視頻拍照確認，自動或手動對疑似目標進行輪詢查看。發(fā)現(xiàn)可疑目標后，啟動視頻跟蹤并上報可疑船只的信息、位置，監(jiān)管人員收到告警信息后，通過視頻確認是否存在違法行為并進行應急處置。

3 系統(tǒng)功能

3.1 自動跟蹤

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

圖2 自動跟蹤效果圖

3.2 自動拍照

當雷達、攝像機檢測到船舶后，系統(tǒng)會根據(jù)船舶位置調(diào)整球機的參數(shù)，從而達到跟蹤船舶的目的。在跟蹤的同時，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）。攝像機和紅外熱像儀對需要監(jiān)控的區(qū)域進行晝夜視頻探測與監(jiān)視。監(jiān)視范圍應滿足以下條件：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

該技術成果將主要服務于海警、海事、漁政以及邊海防等海洋監(jiān)管部門，具備廣泛的應用前景：1） 服務于海警、海事、漁政以及公安部門。通過在重點監(jiān)管區(qū)域安裝部署該系統(tǒng)，為相關監(jiān)管部門提供日常智能監(jiān)控、船舶目標拍照留底、船舶事后風險分析、船舶風險預警和防控等服務，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等問題，提高監(jiān)管部門的執(zhí)法效率。2） 面向海關緝私、邊海防、海警以及邊檢等口岸監(jiān)管部門。對相關部門現(xiàn)有的雷達系統(tǒng)、AIS 系統(tǒng)以及光電系統(tǒng)進行融合升級改造，避免已有系統(tǒng)各自為戰(zhàn)，出現(xiàn)效率低、資源浪費等問題。3） 口岸監(jiān)管部門對海岸船舶進行嚴密監(jiān)控，保證企業(yè)合法經(jīng)營。