基于雷达光电联动控制的船舶目标跟踪拍照技术

胡梦琪

（广东南方海岸科技服务有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

中国拥有漫长的海岸线和广阔的管辖海域，且海域内蕴藏了丰富的资源。海洋是支撑我国今后可持续发展的重要空间和资源，海洋产业的发展成为我国现代化沿海经济带建设的重要引擎。

近年来，海洋安全问题呈现地区化和国际化的趋势，我国面临更大的海洋安全威胁，例如海上恐怖主义、海上搜救与救助以及水资源安全与环境安全等。因此，完善海洋安全力量体系、发展海洋安全监控技术是我国实现海洋产业发展的必要保障。该技术主要用来监控海洋安全，通过雷达采集目标位置信息、光电采集视频数据的方式实现雷达把握全局、光电设备精准拍照的目的。

1 技术原理

目前，基于雷达光电联动控制的船舶目标跟踪拍照技术主要对边海防领域进行动态目标监控，实现雷达把握全局、光电设备精准拍照的目的[1]。雷达对海面船只目标进行观测、识别和追踪，对监控区域进行目标搜索和告警，雷达和光电跟踪仪经卫星定位校准坐标后存入本地主控计算机。工作时，配置雷达工作周扫或扇扫模式及工作量程，可在量程范围内设置警戒区。雷达将连续扫描并上报目标数据。当雷达发现目标后，如果目标进入所设置的告警区域，则立刻将目标船舶的方位、距离以及速度转换为大地坐标，自动引导远程光学系统以及距离目标最近的智能摄像机指向目标所在的方位。光电跟踪仪根据引导数据中的距离参数和速度参数计算合适的视场及焦距[2]。首先，使用宽视场进行目标发现。其次，将其调整为放大窄视场进行目标确认。最后，进行视频跟踪。根据雷达建立的目标行动路线可进一步判断目标的企图。在雷达发出告警引导视频指向目标后，监控中心的后端系统启动视频记录并存储视频。雷达探测与引导控制光电跟踪如图1 所示。

图1 雷达探测与引导控制光电跟踪示意图

2 技术方法

2.1 雷达定位信息预测技术

2.1.1 雷达信号检测与目标跟踪

在雷达对目标进行跟踪之前，首先要对目标进行检测。目标检测的本质是从噪声背景中提取目标信息。对海面目标观测来说，海杂波是影响船舶检测和船舶跟踪性能的干扰之一，因此，去除海杂波成为目标检测的核心。在目标检测的过程中，一般将信噪比作为目标检测的阈值，叠加多个连续脉冲的回波，利用噪声的不相关或弱相关来消除噪声，仅留下目标船舶，该方法有助于目标识别。当多个连续回波相互关联并累加时，可根据粘结目标在方位上的回波包络确定其是否为粘结目标。因此，该算法提高了雷达的方位分辨率[3]。

2.1.2 船舶运动目标建模

估计理论在处理目标跟踪算法之前，需要先确定船舶的运动目标模型，通过建立数学模型来描述并估计与问题相关的物理现象，这个数学模型需要列出某一时刻的状态变量，将其作为前一时刻状态变量的函数。这个定义的状态变量应能充分反映系统的动态特性。

一般情况下，状态变量与系统能量有关。例如在目标运动模型中，状态变量中包括的位置元素与势能相关、速度元素与动能相关。在建立目标模型的过程中，由于缺少精准的目标运动数据和很多不可预测的现象，因此必须引入状态噪声的概念，例如周围环境的变化和驾驶员的主观操作。

运动船舶目标模型是目标跟踪的基本要素之一，也是重点和难点问题。建立运动目标模型的一般原则是模型既要符合实际，也要易于数学处理。然而，任何模型都有其自身的局限性。因此，需要使用另一个适合描述目标当前运动状态的模型进行滤波。当目标的运动状态改变为不适合该模型的描述时，滤波误差将增大。这涉及多模型处理问题，该问题已被广泛讨论并开始在实践中应用。

目标运动被预先定义为简单的恒定速度CV或恒定加速度CA。运动可以被视为随机干扰，它的大小可以在过程噪声的协方差矩阵中体现。该模型是跟踪算法分析中比较常用的模型，也是最早、最简单的模型[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'''分别代表目标位置、目标速度、目标加速度分量以及目标角速度分量；w（t）为具有零均值和δ2方差的高斯白噪声。

对匀速直线运动和匀加速直线运动来说，以上模型都能够达到较高的跟踪精度。但是，当目标处于机动状态时，即目标加速度向量发生变化时，采用上述模型将会产生较大的误差。此时，需要综合考虑目标的机动状态并采用其他模型，例如下面介绍的目标模型（CSM 模型）。

CSM 模型本质上是1 个与非零时间相关的模型。它的加速度的“当前”概率密度由修正的瑞利分布来描述，它的平均值为“当前”加速度的预测值，它的随机加速度在时间轴上符合一阶时间相关过程。当模型满足目标以一定加速度机动的要求时，下一时刻的加速度范围是有限的，只能在“当前”加速度附近。CSM 模型如公式（3）所示。

式中：α为修正参数；（t）为修正参数均值。

CSM 模型的机动加速度特性采用非零均值和修正的瑞利分布来表示，因此具有更强的实用性，能够更真实地反映机动范围和强度的变化。

2.1.3 信息预测跟踪算法

在建立机动目标模型的时候，必须设计目标跟踪的算法。在目标跟踪的过程中，最核心的是跟踪目标的距离信息、高度信息、方位信息和速度信息。通过估计、预测目标的运动参数与运动状态，有助于针对特定目标提出具体的解决方案。跟踪系统最基本的组成部分是基本跟踪滤波和预测方法，也是形成自适应跟踪滤波的前提和基础

为了解决雷达数据延迟的问题，通过测算船舶行驶的方向和速度，实现精确预测船舶实时位置的目标。基于问题的具体要求，使用拥有预测能力的追踪算法，例如卡尔曼滤波和粒子滤波，可以实现快速、准确预测实时位置的目标并根据后续观察结果对预测轨迹进行修正。以卡尔曼滤波为例，针对船舶目标追踪如公式（4）所示。

式中：k为当前时刻；Xk为当前时刻的追踪目标估计值；Xk-1为上一时刻的追踪目标值；Uk为追踪目标观察值；W为误差函数；W（k） 为当前时刻误差值；A和B为可调节权重。

由于雷达有几秒的延迟，因此该文可以通过预测目标速度得到更为准确的当前位置估计值。

2.2 光电联动跟踪拍照技术

2.2.1 选择跟踪坐标系

所有目标的运动描述和跟踪问题都与特定的坐标系有关。选择世界坐标系作为跟踪坐标表系统。也就是说，可以将地平面或海平面上的适当点作为原点，定义相互垂直的x坐标轴、y坐标轴和z坐标轴，每个轴的方向取决于具体情况。

跟踪坐标系原则上可以根据具体情况采用任意坐标系，选择合适的坐标系可以很大程度地降低状态估计的计算成本。如果仅在1 个坐标系上建立目标的状态方程，则该状态方程为线性，观测方程为非线性；反之状态方程是非线性的，观测方程是线性的。在滤波和预测之前，需要适当地对方程进行处理，但是这样会引入模型误差。因此，在雷达跟踪系统中，通常采用世界坐标系和雷达观测坐标系构成混合坐标系，它的优点是测量方程在雷达观测坐标系中是线性的，利用坐标变换使状态方程在地理坐标系中也是线性的，可以非常容易地进行过滤和预测。

2.2.2 光电设备内外参数调整技术

在通过雷达定位以及实时预测处理后，光电设备可以获得待拍摄船舶的实时预测三维坐标信息。在通过目前已经相当成熟的世界坐标系与参考坐标系的转换，即可得到目标在图像平面上的参考位置。为了更好地对船舶目标进行图像采集，光电设备可以通过预测船舶的实时位置来调整光电摄像机的内外参数，使船舶位置处于图像平面中心。设当前目标在图像平面坐标系上的参考位置为（x，y），图像平面中心为图像平面坐标系中心（0，0），则光电设备需要调整的旋转角度如公式（5）、公式（6）所示。

式中：f为光电摄像机焦距；θx和θy为平面坐标系上需要调整的角度；x为平面坐标系上的横坐标；y为平面坐标系上的纵坐标。

2.2.3 持续跟踪自动变焦技术

跟踪拍照技术的另一难题是如何通过跟踪过程中捕获的图像序列实时、快速地分析多帧连续变焦图像，快速调整对焦距离和对焦中心，从而获得高清的船舶图像。该文提出对多帧连续变焦图像进行分析，估计出最佳焦距更为准确的上、下界，并借此进一步设置更为准确的焦距。它的工作流程如下：1） 雷达发现目标。雷达实时地对警戒区域进行扫描，当有船舶超过预设的警戒线或者进入警戒区时，雷达会在GIS 电子海图中标记目标船舶。2） 雷达目标与AIS 信息进行比对。雷达系统对预警范围内的目标船只进行扫描、标定，生成可疑船只的目录和轨迹，调用光电监控转台对可疑事件进行视频确认。3） 光电联动进行视频拍照确认。雷达对异常船舶目标进行标注，引导光电转台对其进行视频拍照确认，自动或手动对疑似目标进行轮询查看。发现可疑目标后，启动视频跟踪并上报可疑船只的信息、位置，监管人员收到告警信息后，通过视频确认是否存在违法行为并进行应急处置。

3 系统功能

3.1 自动跟踪

当雷达、摄像机检测到船舶后，进行多传感器融合，系统会根据船舶位置调整球机的参数，从而达到跟踪船舶的目的，系统根据船舶的位置、大小自动计算需要放大的倍数、俯仰角等参数，从而指挥跟踪球机对船舶目标进行近距离跟踪，如图2 所示。

图2 自动跟踪效果图

3.2 自动拍照

当雷达、摄像机检测到船舶后，系统会根据船舶位置调整球机的参数，从而达到跟踪船舶的目的。在跟踪的同时，系统自动拍照（会拍多张图片，包括全景、船头以及船尾的照片）。摄像机和红外热像仪对需要监控的区域进行昼夜视频探测与监视。监视范围应满足以下条件：方位为0°～360°，俯仰为-45°～+45°。船舶拍照效果如图3 所示。

图3 船舶拍照效果图

4 结语

该技术成果将主要服务于海警、海事、渔政以及边海防等海洋监管部门，具备广泛的应用前景：1） 服务于海警、海事、渔政以及公安部门。通过在重点监管区域安装部署该系统，为相关监管部门提供日常智能监控、船舶目标拍照留底、船舶事后风险分析、船舶风险预警和防控等服务，从而有效缓解监管部门人员不足、执法成本高以及存在资源浪费等问题，提高监管部门的执法效率。2） 面向海关缉私、边海防、海警以及边检等口岸监管部门。对相关部门现有的雷达系统、AIS 系统以及光电系统进行融合升级改造，避免已有系统各自为战，出现效率低、资源浪费等问题。3） 口岸监管部门对海岸船舶进行严密监控，保证企业合法经营。