无人传感技术在海洋态势感知的应用研究

徐云云，李迎霞，郝自勉，钱雪微

湖北城市建设职业技术学院，湖北武汉 430205

0 引言

纵观人类历史的历程，海洋对于人类生存和发展具有重要意义，海洋的发展对社会的兴衰有重要影响，海洋的和平安宁关乎国家的安危和利益。我国既是一个陆地大国，又是一个海洋大国，有18 000多公里海岸线，6 500 多个沿海岛屿，近300 万平方公里的海洋面积，拥有广阔的海洋活动空间和丰富的海洋资源，将海洋优势转化为发展优势的潜力巨大。党的十八大提出“海洋强国”战略，党的十九大报告强调，“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”，党的二十大报告指出，“加快建设海洋强国”[1]。

海洋态势感知（Maritime Domain Awareness，MDA）是海洋信息获取的一个重要组成。“国际海事组织”（IMO）将海洋态势感知定义为：对任何与海域相关的、可能影响安全、经济或环境的事务的有效理解，而海域是海、洋或其他可航行水道的任何领域和事务，无论在其上、其下、相关、毗邻或接壤，包括所有与海事相关的活动、基础设施、人员、船货、船只和其他海上运输[2]。由此可见，做好海洋态势感知可以更好地实现“认识海洋、经略海洋、管控海洋”，从而推动海洋信息化发展。

1 态势感知概述

态势感知（Situation Awareness，SA）的概念最早由ENDSLEY M R[3]于1988 年定义，具体说明了态势感知是指“在一定的时间和空间范围内，感知各种环境要素，理解各个要素的意义，并预测它们在不久的将来的状态和发展趋势，以实现决策优势”，并提出了著名的三级态势感知模型（如图1 所示），包括态势觉察、态势理解和态势预测，可以实现信息获取、处理、分析和预测等。态势感知技术目前从军事领域慢慢转变为多领域应用，具体如表1 所示。

表1 态势感知应用领域

2 无人传感技术在海洋态势感知领域的应用

海洋态势感知的核心内容是对海上船只及其货物、乘员及乘客的监视，并快速生成目标船只的地理位置信息[4]。海洋态势感知的实现过程如图2 所示，首先需要借助无人传感技术集成的各项设备获取海洋各项活动信息；然后借助大数据、云计算等技术进行数据的处理；再通过数据分析等技术预测海洋态势走向；最后实现海上船只交通安全、海上战场部署等应用目标。

不难看出，海洋态势感知过程中，借助无人传感设备利用传感器技术获取海洋各类信息是最基本的环节。下面就此类无人传感技术进行总结。

2.1 合成孔径雷达技术

2.1.1 技术原理

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）技术是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法、雷达波的时间差和位移差来绘制地表及地下结构的雷达图像技术，其工作原理如图3 所示。SAR 搭载设备首先在SAR1 的位置发射和接收一个固定射程角度和脉冲宽度的信号到搜索目标区域，当其移动到SAR2 位置再发射和接收另一个特定角度的信号，通过信号接收的延迟和位移信息中提取数据，得出最终的成像结果。

2.1.2 技术优势和不足

SAR 可集成为无人微波成像传感器，主要用于非接触式主动实时的目标探测，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像，具有全天候、全天时和高分辨率的优点[5]。

SAR 实现的微波遥感传感器工作采用的是微波波段，波长范围为1 mm ～1 m，能主动发射微波，并接收目标反射的回波。相比可见光和红外遥感，其采用的波长较长，足以绕过云层的粒子结构进行传播，因而受大气散射的影响较小，可以穿透薄雾、云层、雨和尘埃等。因此，无论白天还是黑夜，亦或是在恶劣天气和环境条件下，SAR 都能进行目标探测和成像。

但同时，SAR 也具有一定的缺点，比如对搭载设备的航行精度要求较高，需要投入较高的成本；对一个区域需要多时间、多位置的发射接收信号，使得其成像时间长。

2.1.3 应用现状

SAR 多用于地形检测等领域，其中在海洋态势感知领域中，SAR 技术的应用最为广泛。海洋环境复杂多变，经常被云雾覆盖，常规光学遥感手段难以有效对其观测，SAR 具有一定的穿透能力，能识别伪装，对于全面观测海洋交通、侦察海洋军事动态等有重要的意义。

2.1.4 发展趋势

近年来，由于超大规模数字集成电路的发展、高速数字芯片的出现，以及先进的数字信号处理算法的发展，使SAR 实时处理信号的能力不断增强。SAR 最初主要是搭载飞机、星载平台，随着无人机等小型飞行设备的不断发展，近年来出现了无人机SAR 等多种形式平台搭载的合成孔径雷达，广泛用于军事、经济和科技等众多领域。

2.2 高频地波雷达技术

2.2.1 技术原理

高频地波雷达（HF Surface Wave Radar，HFSWR）利用垂直极化高频短波（3 ～30 MHz）在沿海洋表面绕射传播衰减小的特点，利用地波超视距传播特性进行探测。其应用模式如图4 所示，设置在海岸的HFSWR 利用海洋表面对高频短波的绕射传播机制，从雷达回波中提取海洋环境实况、舰船、飞机等信息，实现对海洋环境和移动目标高精度、大范围的实时监测。

2.2.2 技术优势和不足

HFSWR 利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制，可以从雷达回波中提取海洋环境、船只航行等海况信息，能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机、冰山和导弹等运动目标，作用距离可达400 km 以上，HFSWR 具有探测面广、反隐身、全天候、全天时的特点[6]。

但是，地波雷达的短波段也是日常通信、广播等大气、天电噪声等比较集中的频段，此类电离层干扰会影响地波雷达探测的精确度，需要不断精进技术来抗电离层干扰。

2.2.3 应用现状

HFSWR 作为目标探测的有效方法，是实现海洋环境检测、船只监视等海洋态势感知的重要手段，目前被广泛应用于军事领域。HFSWR 对于海洋范围内远距离的目标进行检测、预警，对于军事战略分析和海洋战略部署有较强的辅助功能。

2.2.4 发展趋势

与SAR 多搭载飞行设备不同，HFSWR 多设置在海岸，通常采用大规模天线阵列，需要占用海岸资源，所以，目前HFSWR 的小型化发展是一个重点研究方向。目前，紧凑型HFSWR 已经取得了一定的成就，可以实现在巡航船舰、海岛上部署，拓展了雷达探测面积和灵活性。

2.3 船舶自动识别系统

2.3.1 技术原理

船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）是指一种广泛应用于船和岸、船和船之间的海事交通安全与通信的新型助航系统。AIS 系统主要由GPS 或北斗、VHF 收发机、AIS 信息处理器等各类传感器组成。其工作过程是首先由GPS、北斗等定位系统提供船舶定位功能，获取船舶的经纬度；再由船载传感器，如陀螺仪等获取船舶航行动态数据，同时，根据船舶全球的唯一编码—MMSI 码获取船名等静态数据；然后，将船舶的动态数据和静态数据经由VHF收发机向AIS 信息处理器传递；最终各项数据由电子海图和信息系统（ECDIS）显示。

2.3.2 技术优势和不足

AIS 能自动上报和交换航速、船名、航向、呼号等重要信息，从而实现即使不使用雷达探测也能获得船舶信息，特别是在能见度低、夜间航行的水域，可以有效减少船舶碰撞事故。但是，由于存在船只责任人不遵守法规随意拆卸、开关AIS 的情况，导致设备不能持续发挥作用。

2.3.3 应用现状

目前，世界范围内均出台法律法规要求船只配备AIS，其中，《中华人民共和国海事局关于印发国内航行船舶船载电子海图系统和自动识别系统设备管理规定》规定：300 总吨至500 总吨沿海航行船舶、参与沿海水上水下施工作业的自航船舶应配备AIS。200 总吨至300 总吨沿海航行船舶；所有港作拖船；航行于内河长江干线、珠江干线、京杭运河及黄浦江的100总吨及以上的所有船舶，以及100 总吨以下的液货船和集装箱船应配备AIS 设备[7]。目前，AIS 已成为水务监管、水上事故调查、通航评估的主要技术手段，已经在水上船舶导航、交通管理等方面有较为广泛的应用，可为海洋态势感知提供稳健的技术支持。

2.3.4 发展趋势

AIS 不是单一的技术，而是融合了现代通信、计算机、传感器等技术的数字助航系统，为智能船舶的发展提供了强力支持。目前，AIS 的基本普及已经完成，可以实现船和岸、船和船之间互联互通、系统整合。下一步的发展目标是远程控制和自主操作，对船舶执行系统的可靠性和稳定性都有很高的要求。

3 总结与展望

随着国际交流日渐频繁，国际化贸易的飞速发展，海上船只数量极速增长，海上交通情况不断复杂化，这对海洋态势感知提出了更高的挑战。无人传感技术在充分考虑海洋环境特点的基础上，集成各种传感器，为海洋态势感知提供各项数据基础。未来，无人传感技术与计算机技术融合发展是一个大的趋势。无人传感技术不仅灵敏度、精确性不断提高，还向着微型化、泛用型、集成化发展，伴随着现代通信技术快速更迭，计算机应用系统和大数据处理技术等飞速提高，可以不断提高海洋检测能力，为海洋监管人员提供精确高效的海洋数据，从而不断提高海洋态势感知的准确度和智能化。