基于数学最优化理论的网络化航海雷达显控终端模型

沈璐璐

（陕西能源职业技术学院 基础课教学部，咸阳 712000）

引言

近年来，雷达技术广泛应用于航空、航海等重要领域。它可以满足远距离数据显示和控制要求，在性能方面适应性较强。显控终端作为雷达的关键部分，为相关工作人员提供目标显示以及操作等功能。然而，网络化的迅速发展使传统雷达显控终端技术受到条件限制，通用性能较差，导致维护和操作功能实施困难，已经不能满足现代航海领域需求。显控终端设置是实现网络化的关键因素，如果将网络中视频、语音等数据传输的核心技能与航海雷达相结合，必将改善雷达系统结构，促进雷达网络化发展。

为解决上述问题，相关人员提出如下解决方法。文献[1]提出实时多路径雷达显控终端的嵌入式设计。通过嵌入理论对传统显控终端平台进行缩小化处理，改善了带宽受限问题，增强抗干扰性能；其次结合性能与环境两个关键指标选取雷达的组成硬件，完成处理模块设计，为方便操作员工作，在软件与显示中间件程序内构建出一个微小数据库，实现数据压缩、储存传输等功能，同时为远程交互提供接口，从而实现网络化雷达的终端显控功能。

文献[2]提出一种基于视觉无损压缩的雷达显控终端预处理方法。首先分析该技术遇到的瓶颈，包括大带宽数据传输占用网络线道和大量CPU资源等问题；在上述两点问题基础上，将带宽缩小到最佳尺度，并对CPU的数据传输格式进行合理转化，减小传输负担，确保终端工作的可靠性；最后在视觉无损压缩基础上对方位、距离和亮度方面做处理，达到视频边缘锐化和视频压缩的目的，从而增强雷达显控终端的稳定性。

上述两种方法在雷达显控终端技术中发挥着重要作用，但是依旧不能有效地对航海目标进行检测与跟踪。因此本文提出基于数学最优化理论[3]的网络化航海雷达显控终端模型研究。数学模型属于对事物的一种模拟，能够利用符号、公式、图形等对事物进行描述与刻化，将其利用在航海雷达显控终端领域，可以改善过于依靠硬件设备的问题，提高雷达显控终端的准确度和显示速度。

1 基于数学最优化理论的网络设计

常见的网络协议类型为UDP[4]与TCP两种，分别针对无连接的协议与有连接的协议。并且TCP协议的接收端需要调整数据包顺序，因为不同数据包选择传输路径不尽相同。虽然TCP传输性能较可靠，但是资源占用率远远高于UDP，并且网络利用率较低。假设网络情况较为稳定，而且需要对海量数据完成传输，这时可以采用UDP。通常情况下，通讯方式是通过点对点实现的，也称为单播方式。利用这种方式时，所有客户端必须和相同的服务器分别进行连接，这就会使网络负担较重。

在面对特殊情况时，可以采取广播方式，只有UDP协议可以为其提供支持。广播的操作方式较为简单，仅需要把理想IP地址设为当前子网络地址就可以实现。但是这种一对多的处理方法会对无接收任务的主机产生影响，导致子网络中没有参与广播接收的全部主机，同样需要实现数据的协议处理，直到传输至UDP层才将它抛弃，严重时还会导致广播风暴。

单播与广播属于两种极端方式，多播解决了这种极端问题，其数据报只被需要的主机接收，与其他主机不产生干扰。在航海雷达系统中，信号处理器将传输跟踪信息与故障状况等信息，由于传输数量庞大，因此选择时效性较强的多播方式。航海领域中通信量较少，可靠的连接方式成为关键问题，因此选择了面向连接的TCP方式。其连接原理如图1所示。

图1 连接原理图

2 网络化航海雷达显控终端的组成及编码原理

2.1 显控终端组成

终端与导航传感器是显控终端的关键构成部分，网络化航海雷达利用的是客户端网络体系，将前方工作站[5]与显控终端分别当做服务器和客户端。在雷达前侧装有天线与收发机等设备，可以获取目标信息，发散电磁波信号，产生目标回波视频。此工作站对采集视频信息进行处理，并将处理后的数据与目标数据压缩成网络数据包传输到显控终端；此时前置工作站还将接受显控终端的命令，并根据该命令对雷达前段进行操控。航海雷达的显控终端是结合用户指令对目标信息进行显示。图2描述了网络化航海雷达的终端显控结构。

根据图中描述的信息可以得出，该雷达的显控终端由普通的PC机组成。显控终端从网络中获取视频、目标以及传感器数据，并对这些数据进行分析处理和显示，用户端利用界面实现数据操控流程，然后向前置工作站传输操作指令。

2.2 显控终端编码原理

结合信息论相关原理对雷达数据进行编码[6]，信息论不但已知数据压缩理论极限，同时也已知技术实现的方法。事件X=xi的相关信息可以利用如下公式定义：

假设X表示信息源所有输出符号的集合，此时信息源的熵表示为：

通过熵的极限值原理可得，信源根据等概率方式存在时，熵取最大值为：

离散信源熵和最大值之间存在的差值称作冗余度：

结合信源编码原理，针对有n个输出符号的无记忆信源，它的符号表示较为复杂，不能比可译码的平均码长大，因此表示为：

式中：

li和P(xi)—第i个信源符号的码长度值与概率值。

因此，在经过压缩处理后，想要得到无失真现象的雷达图像，信源熵必须满足平均码长度值下限的要求。此种编码方式称为熵保留编码，属于无损压缩编码。

针对雷达采集的视频信息来说，该信息中含有海量的相位信息与图像细节信息，如果利用有损压缩方式，会导致部分信息数据丢失，不能保证雷达信息显示的高准确度，因此本文在构建显控终端模型时采用无损压缩编码方式，确保无失真现象[7]出现。

图2 显控终端组成图

3 网络化航海雷达显控终端模型构建

3.1 航海雷达坐标信息转换

航海雷达在获取目标信息后，在极坐标模式下对数据做分析处理，因此，雷达传输到显控终端的目标数据是建立在方位和距离基础上的，需要经过坐标转化才能变成终端显示屏中的像素点。航海雷达的显示模式分为B显示和P显示两种，不同模式坐标转换的方式也不同。

1）B显示模式下坐标转换

在Qt中，假设坐标原点（0,0）存在于终端显示屏的左上角位置，X轴水平向右，Y轴水平向下。在坐标系中每个像素点的空间位置表示为1*1，利用偏移量的移动完成坐标转换，此时X轴与Y轴的方向保持不变，但是显示屏中Y轴的坐标均为负值。坐标转换过程图如图3所示。

经过坐标转换后[8]，可以通过下述公式将平面坐标进一步转化为终端显示屏幕坐标。

式中：

xMin与yMin—屏幕所对应的平面坐标值；

图3 坐标转换过程图

UnitsPerPixelX与UnitsPerPixelY—描述X和Y轴上显示屏像素点一一对应的平面坐标单位数。

2）P显示模式下坐标转换

P显示模式下坐标转换方法如图4所示。

式中：

(x0,y0)—雷达扫描中心点坐标；

(x,y)—目标坐标位置。

如果将上述公式作为依据直接进行坐标转换，则会发生坐标不对应的现象，导致盲区与死地址出现[9]。造成盲区的原因是在原点周围区域，一个直角坐标出现多个极坐标与其对应，此时目标容易丢失；而死地址是极坐标分辨率非常低，距离越远，数据密度越小，直角坐标系中将出现空白点，导致一些无效地址不能访问。

解决上述两种问题的方法为改变角度量化数值，由于两种问题对量化角度值的需求相反，因此在扫描区域加入采样保持，通过控制角度变化有效避免上述问题发生。将上述两坐标公式进行数学转换，计算出微分方程：

通过上述公式可知，量化角度dx和dy与量化距离dρ、dθ之间为非线性关系[10]，因此它们之间不存在一一对应。

假设变量Δρ与Δθ分别代表距离和方向的最小量化值，方向值为m且距离为n的量化单位经过转换后的坐标表示为：

方位值是m+1且距离是n的量化单位经过转换后所得的坐标表示为：

方位值是m+1且距离是n+1，此时经过坐标转换后得到的量化单位坐标为：

图4 P显示模式下坐标转换图

通过上述公式得出：

当显控终端系统接受雷达发出的目标信息后，经过上述坐标转换可以获得相应的屏幕坐标，根据该坐标对雷达目标进行描绘。

由于航海雷达需要实时显示目标信息，因此在显示系统中安装定时器，当定触动定时器后，图像刷新。上述公式中只要满足Δxm≤1且Δym≥-1就能避免无效地址出现。

3.2 航迹关联

在经过坐标转换后，通过AIS目标航迹与雷达探测的轨迹做对比，获得相同目标的目标信息。

1）选择最佳关联区域

针对任意一个AIS目标轨迹，只与附近一定区域内的雷达目标具有关联，在该区域内，连个目标距离非常远，所以不可能为同一个目标。因此在对其关联之前，需要找出一个最佳的关联区域，并且只针对该区域内出现的航迹做关联，这样一定程度上减少了计算量。

假设雷达测量距离的误差是δR，AIS的误差是δA，将当前采样时刻目标点方位作为圆心，δR+δA作为半径，从而获得一个圆形关联区域，再对进入此区域中的目标进行航迹关联。

2）确定最佳关联算法

对于关联区中的目标航迹，可以将目标的距离、位置、速度和行驶方向等参数作为关联判断依据。关联算法主要有两种分别为基于模糊综合函数算法与多因素模糊综合决策算法[11]。因为船舶航行的海域多种多样，环境较为复杂，船舶的密度会发生改变，因此显控终端会选择基于模糊数学理论的算法。

3.3 点迹合并

要想建立一个准确描述网络化航海雷达航迹的显控终端模型，必须对两种数据进行融合，从而得出最佳显示位置。该位置可以通过雷达获取的数据与AIS数据加权融合后求出：

式中：

δrx,δry,δax,δay—雷达目标与AIS目标x,y方向的测距精准度；

Wrx,Wry,Wax,Way—雷达与AIS目标的加权因子。

此时，完成了点迹合并操作，并得到下述显控终端模型：

4 仿真实验数据分析与研究

为验证本文所提模型的优越性，与文献[1]和文献[2]方法进行对比实验。实验将测试网络化雷达显控终端的相关功能，包括对目标操控准确度与显示速度两方面。

实验步骤为：选取通用的PC机[12]，将本文提出的模型作为依据对该机器进行软件设置，组成一个相同原理的雷达显控终端样机，接入区域网络，开启电源，并检测该网络的安全性和连接可靠性。具体操作过程如图6所示。

按照上述流程完成对比实验，本文方法与文献[1]和文献[2]方法实验对比图如图7。

根据对比图可以看出所提模型与其他两种方法相比操控性能占据优势，且雷达终端显控速度较快，能够完成对目标的精准显示，更好的适用于网络化航海雷达领域。

图5 网络化航海雷达显控终端模型图

图6 操作过程图

图7 不同方法实验对比图

5 结论

为解决传统雷达显控终端对目标检测、跟踪准确性低且显示速度慢的问题，提出基于数学最优化理论的网络化航海雷达显控终端模型研究。在数学最优理论基础上对航海雷达的网络环境进行设计，并分析显控终端的组成结构与编码设计，并针对不同显示情况探究不同坐标转换方法，通过航迹关联与点迹合并实现数据融合，从而完成网络化航海雷达模型建立。通过对比实验充分验证本文模型的正确性，大幅度提高雷达系统的显示能力，指明了网络化航海雷达的发展方向。