一种船用海面监视系统设计

丁明惠

（昆明船舶设备研究试验中心昆明650051）

一种船用海面监视系统设计

丁明惠

（昆明船舶设备研究试验中心昆明650051）

目前海上大部分船只均装有ARPA雷达和AIS设备，但很少有对海面目标实时成像设备，而且雷达和AIS设备也只是作为独立系统并没有联合使用。论文设计了一种基于红外热像仪、雷达和AIS的船用海面监视系统，给出了系统的设备组成，研究了雷达和AIS信息融合方法以及红外成像仪控制方法，并对监视系统显控软件进行了设计。

红外热像仪；AIS雷达；监视系统

Class NumberTP277

1 引言

目前，自动雷达标绘仪（Automatic Radar Plot⁃ting Aid，ARPA）和自动识别系统（Automatic Identi⁃fication System，AIS）在海上各种船只广泛应用，都对船只的导航以及避碰起着重要的作用。雷达可广泛监测海面各种船只，但获得船只信息量少，无法获得目标船只船名、呼号等重要信息，AIS可获得目标船只大量信息，而且数据精度高，但局限于目标船只必须同时安装并开启了AIS。同时无论是雷达还是AIS都无法给用户提供目标的视觉效果，而红外热像仪可通过接收目标辐射的红外线成像，受烟云和雨雾的影响很小，通过对红外热像仪、雷达和AIS的联合应用，可有效对海面目标进行监视，为船只的导航以及避碰提供更有效的参考。

2 系统组成

系统由红外、雷达、AIS和显控四部分组成，如图1所示。其中红外部分包含硬盘录像机和红外成像监视仪，雷达部分包含雷达控制主机和雷达主机及天线，AIS部分包含AIS主机和AIS天线，显控部分为显控主机，各设备之间通过电缆或光线进行通信。

红外成像监视仪使用SP50云台搭载640×512面阵非制冷红外热像仪和62倍光学变焦镜头配合130W像素网络摄像机，可对目标进行红外、可见光双通道成像，如图2所示。硬盘录像机对红外成像监视仪采集的红外、可见光视频进行存储，同时传输系统显控主机对红外成像监视仪的控制信息。

雷达使用常见的ARPA雷达，雷达控制主机将海面目标的角度、距离等信息通过串口传输至系统显控主机。

AIS技术比较成熟，成本较低，通过主机将目标的船名、MMSI号、航向、航速等信息通过串口传输至系统显控主机。

显控主机安装系统显控软件，融合雷达和AIS信息并对红外成像监视仪进行控制。

3 雷达和AIS信息融合方法

雷达和AIS的信息融合首先需要对雷达数据和AIS数据进行坐标转换，将雷达采集目标的距离和角度与AIS采集目标的经度和纬度转换到以船为0点以正北为y轴正方向的角度距离坐标系上，然后进行粗关联判断对距离在门限范围内航迹进行粗关联，减少后续计算量，然后进行时间统一将两组数据调整为同一时间，最后进行细关联判断对数据进行融合，如图3所示。

3.1 坐标变换

本文采用将AIS采集的目标信息转换为以本船为0点的角度距离坐标系后进行下一步关联判断，假设AIS采集的目标船只B纬度为latB，经度为lonB，本船A的纬度为latA，经度为lonA，则目标船只B相对本船A的距离d计算公式为式（1），角度dir计算公式为式（2）。

3.2 粗关联判断

对AIS和雷达采集的目标进行粗关联判断分为时间关联和距离关联两部分，对于时间关联可对同一时刻存在的目标进行关联，无需进行繁琐计算，因此本文只考虑距离关联。以其中一个AIS采集的目标与雷达采集的目标进行距离粗关联为例，设定粗关联距离门限为CADT，则在t时刻距离粗关联的条件为式（3）：

其中，daj(t)为AIS目标j在t时刻相对于本船的距离，dri(t)为雷达目标i在t时刻相对于本船的距离。

虽然我国已经成为了网络大国，但还不是网络强国，在网络安全方面面临着严峻的挑战。网络安全事关国家安全的重大战略问题，没有网络安全就没有国家安全。我国的网络安全和信息化领导体制曾几经调整，但以前都没有上升到国家最高层面。随着网络安全和信息化在国家安全与发展中的地位与作用不断提升，客观上也要求把网络安全和信息化作为国家的重大战略。

3.3 时间统一

雷达和AIS采集信息有不同的更新率，而对雷达和AIS在不同时刻进行数据融合并无意义，因此需将雷达和AIS采集的信息统一到同一时刻然后进行数据融合，时间统一方法为式（4）。v为对应时刻的航速，dir为对应时刻的航向。

3.4 细关联判断

通过粗关联判断和时间统一后，可取时间集合T={t1，t2，t3，…，tn}时刻的雷达和AIS数据，假设通过粗关联后的g个雷达数据与某一AIS数据进行关联，该AIS目标在时间集合T内的位置数据为(xa1，ya1)，(xa2，ya2)，(xa3，ya3)，…，(xan，yan)，雷达第k个目标在时间集合T内的位置数据为(xrk1，yrk1)，(xrk2，yrka2)，(xrk3，yrk3)，…，(xrkn，yrkn)，k=1，2，3，…，g，则根据式（5）计算关联系数λ。

最后令λ=min(λ1，λ2，λ3，…，λn)，则对应的雷达目标航迹为该AIS目标的关联航迹。

4 控制方法设计

船用海面监视系统包含自动巡检、手动控制和目标跟踪三种控制模式。自动巡检模式下，红外成像监视仪对雷达和AIS发现的每一个目标循环监视1分钟，手动控制模式下，用户可手动操作红外成像监视仪转动、调焦、变倍等功能，目标跟踪模式下，用户选择目标后，根据雷达和AIS采集该目标的数据解算出角度，控制红外成像监视仪对该目标进行持续跟踪。控制流程如图4所示。

系统进入初始化，然后进入自动巡检模式，当用户点击手动控制按钮时，进入手动控制模式，弹出手动控制页面，用户关闭手动控制页面时，自动恢复巡检模式；当用户选择某一船只选择跟踪该目标时，进入目标跟踪模式，当用户点击取消跟踪或目标消失时，自动恢复巡检模式。

5 显控软件设计

本文利用VS2010平台设计了船用海面监视系统显控软件，软件安装在系统显控主机上，主界面包括图像实时显示、附近船只海图显示、控制按钮三部分，如图5所示。

软件通过串口读取雷达和AIS数据并进行数据解析，然后按第三节方法对雷达数据和AIS数据进行融合，并按第四节方法对红外成像监视仪进行控制。

6 结语

本文设计了一种红外成像监视仪、雷达和AIS联合控制的船用海面监视系统，并对雷达和AIS信息融合以及红外成像监视仪控制方法进行了研究，实现了雷达和AIS探测的目标航迹融合，对特定船只持续跟踪等功能。

［1］周必全.雷达与AIS的数据融合及雷达性能评估［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

［2］罗素云，谭箭.AIS与雷达目标航迹相关算法［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2003，27（1）：112-115.

［3］邓术章，李光正，鲁慧民，等.船用ARPA雷达与AIS信息融合的实现［J］.船海工程，2009（6）：145-148.

［4］黄丽卿，胡稳才，邵哲平.AIS输出数据包的解包技术研究［J］.集美大学学报，2005，10（1）：37-41

［5］刘晔华，陆悦铭.船舶引航中AIS，雷达/ARPA和VHF的综合运用［J］.中国港口，2014，8：029.

［6］吴红双.基于AIS/雷达融合信息的船舶避碰终端设计与实现［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

［7］欧阳萍.AIS与雷达目标信息模糊融合方法研究［D］.厦门：集美大学，2010.

［8］汪新，凌元，许龙画.船载AIS，雷达ARPA与ECDIS组合导航的探讨［C］//第六届长三角科技论坛航运分论坛暨江苏省航海学会2009年学术年会论文集，2009.

［9］李维运.VTS中雷达和AIS信息融合算法探讨［J］.中国水运（学术版），2006，6（7）：118-120.

［10］翟艺书.AIS与雷达数据融合的数学模型研究［D］.大连：大连海事大学，2005.

［11］徐志京，王解先.AIS与雷达目标信息融合中坐标位置的计算方法［J］.上海海事大学学报，2005，26（4）：78-81.

［12］王晨熙.雷达与AIS信息融合综述［J］.指挥控制与仿真，2009，31（2）：1-4.

A Design of Marine Monitoring System on the Ocean

DING Minghui
（Kunming Shipbuilding Equipment Research and Test Center，Kunming650051）

At present，most of the ships are equipped with automatic radar plotting aid and automatic identification system. However，there are few real time imaging equipment for sea targets，and radar and AIS are used as stand-alone systems and are not combined.In this paper，a marine monitoring system on the ocean based on infrared thermal imager，radar and AIS is designed. First，equipment of the system is built.Moreover，method of radar and AIS information fusion and infrared thermal imager control are studied.Finally，the display control software of monitoring system is designed.

infrared thermal imager，automatic identification system radar，monitoring system

TP277

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.034

2017年2月10日，

2017年3月25日

丁明惠，男，硕士，工程师，研究方向：自主水下航行器控制。