摘要：雷達(dá)和電子海圖是船舶重要助航設(shè)備。為了提高船舶航行中的避碰能力，文章提出了一種雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法。采集雷達(dá)的模擬視頻信號(hào)、方位信號(hào)和觸發(fā)脈沖，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，利用極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)變換模型和圖像匹配模型，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像的疊加。試驗(yàn)結(jié)果表明，雷達(dá)和電子海圖圖像疊加是輔助船舶安全航行的有效方法，電子海圖的海岸輪廓和雷達(dá)掃描到的圖像能夠較好的匹配融合，可以在電子海圖底圖上實(shí)時(shí)顯示雷達(dá)捕獲到的目標(biāo)，提高對(duì)船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力。

關(guān)鍵詞：電子海圖 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 雷達(dá)圖像 疊加方法

電子海圖系統(tǒng)可顯示來(lái)自系統(tǒng)電子導(dǎo)航海圖的選定信息和導(dǎo)航傳感器的導(dǎo)航信息，以輔助駕駛員進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和航行監(jiān)視。以電子海圖為航行信息核心，實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)、GPS、計(jì)程儀、測(cè)深儀、AIS等各種設(shè)備的信息融合，是電子海圖信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。船載導(dǎo)航雷達(dá)可以測(cè)量水上目標(biāo)及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離和方位，并可以預(yù)測(cè)和判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)下一步的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，對(duì)本船與周圍運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)遇態(tài)勢(shì)下可能發(fā)生的碰撞危險(xiǎn)進(jìn)行判斷和評(píng)估，輔助擬定本船的最佳避讓策略，從而增強(qiáng)避碰輔助決策能力[1]。

電子海圖與雷達(dá)的匹配定位導(dǎo)航，可在航行水域海圖信息的基礎(chǔ)上提供本船、本船周圍的靜態(tài)目標(biāo)與動(dòng)態(tài)目標(biāo)三者之間的位置關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)的共享以及綜合航行態(tài)勢(shì)圖的實(shí)時(shí)生成和顯示，允許操作人員在同一個(gè)顯示器上觀察本船周圍的全部態(tài)勢(shì)，能集中精力判斷并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，可以提高船舶避碰能力，這對(duì)船舶的航行，特別是大霧天氣中的近海航行具有重要的意義[2]。目前國(guó)外部分產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)和電子海圖圖像疊加的功能，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究比較少。本文提出并試驗(yàn)了一種雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法，采集雷達(dá)的模擬視頻信號(hào)、觸發(fā)脈沖和方位信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和圖像處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像的匹配，完成雷達(dá)和電子海圖的疊加。

1雷達(dá)模擬信號(hào)和電子海圖圖像疊加

通過(guò)雷達(dá)獲取三種信號(hào)：雷達(dá)模擬視頻信號(hào)、方位信號(hào)和觸發(fā)脈沖。雷達(dá)模擬視頻信號(hào)是目標(biāo)的回波信號(hào)為模擬信號(hào)；方位信號(hào)是雷達(dá)天線掃描的方位信息，為模擬信號(hào)；觸發(fā)脈沖是雷達(dá)的周期頻率脈沖，用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理與雷達(dá)發(fā)射脈沖周期的同步[3]。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊，把采集到的模擬信號(hào)數(shù)字化，按照方位信息對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，并與雷達(dá)的觸發(fā)脈沖同步，形成極坐標(biāo)形式的數(shù)字化視頻信息，將其傳遞給圖像處理模塊。在圖像處理模塊中，極坐標(biāo)形式的數(shù)字化視頻信息轉(zhuǎn)換為屏幕直角坐標(biāo)形式的數(shù)字視頻信息，對(duì)雷達(dá)視頻圖像在比例尺和顯示方式上進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像匹配，根據(jù)雷達(dá)收發(fā)機(jī)的位置信息，以電子海圖為底圖，完成雷達(dá)和電子海圖的疊加顯示，基本流程如圖1。

圖l雷達(dá)模擬視頻與電子海圖圖像疊加流程圖

2雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加模型

2.1雷達(dá)模擬視頻數(shù)字化模型

采集的方位信號(hào)為模擬信號(hào)，通過(guò)幅度分層和時(shí)間量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。雷達(dá)模擬視頻信號(hào)通過(guò)時(shí)間量化和幅度分層轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)這些信號(hào)，利用目標(biāo)回波的幅度、個(gè)數(shù)和相關(guān)信息做累計(jì)判定，以確定目標(biāo)的有元。其中幅度分層設(shè)置第一檢測(cè)門(mén)限，累計(jì)判定設(shè)置第二檢測(cè)門(mén)限。

圖2雷達(dá)模擬視頻數(shù)字化處理框圖

時(shí)間量化即距離量化，以雷達(dá)觸發(fā)脈沖前沿為起點(diǎn)，將距離掃描的全程時(shí)間分成若干相等的時(shí)間單元，即將雷達(dá)探測(cè)的距離全程分成若干相等的距離單元△r，兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式(1)所示。幅度分層即幅度量化，在距離量化間隔任一處，信號(hào)幅度大于相對(duì)門(mén)限V，就產(chǎn)生“1”。累計(jì)判定是一種雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定門(mén)限K，對(duì)目標(biāo)回波信息進(jìn)行累計(jì)判定，確定目標(biāo)有無(wú)。

(1)

式中：c-光速，c=3×108m/s。

2.2極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)

初步處理后的數(shù)字雷達(dá)視頻圖像是以極坐標(biāo)方式進(jìn)行顯示的，通過(guò)極坐標(biāo)系和屏幕直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方程，處理數(shù)字化的雷達(dá)視頻圖像，使雷達(dá)視頻圖像和電子海圖的坐標(biāo)系一致。極坐標(biāo)系和屏幕直角坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3極坐標(biāo)系和屏幕直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

以O′點(diǎn)為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系和以O點(diǎn)為原點(diǎn)的屏幕直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(2)

其中xc，yc為顯示中心值，這樣就能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像和電子海圖坐標(biāo)系的統(tǒng)一[4]。

2.3雷達(dá)圖像匹配模型

電子海圖基本上具有任意縮放的特點(diǎn)，而雷達(dá)的量程是有限的，因此，基于電子海圖的縮放變化，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行合理的比例調(diào)整，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像的比例尺匹配。

雷達(dá)的探測(cè)半徑為R，屏幕顯示區(qū)域半徑為a，則雷達(dá)圖像的比例尺l/Sr可以簡(jiǎn)單的表示為：

(3)

電子海圖的原始比例尺為：1/S0，則雷達(dá)圖像的縮放比參數(shù)z為[5]：

(4)

雷達(dá)和電子海圖的顯示方式不同，雷達(dá)存在北向上、船艏向上和航向向上等顯示方式，而電子海圖一般都是北向上的顯示方式。因此，基于電子海圖的顯示方式，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換。用下面的仿射變換矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[6]，對(duì)圖像進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖的圖像匹配。

一幅定義在直角坐標(biāo)系(w，z)的圖像f經(jīng)過(guò)幾何變形如縮放、旋轉(zhuǎn)等，產(chǎn)生了定義在直角坐標(biāo)系(x，y)上的圖像g，如圖4所示。

圖4 圖像的空間變換

(5)

縮放的仿射矩陣T1為：，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)方程為：

旋轉(zhuǎn)的仿射矩陣T2為：，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)方程為：

3試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為：天津市塘沽區(qū)交通部北海救助局天津基地。經(jīng)緯度即雷達(dá)的位置為：N38°59.2807′，E117°42.874′。試驗(yàn)所用雷達(dá)收發(fā)機(jī)為美國(guó)SPERRY公司的RACAL-DECCA雷達(dá)，后端為自行設(shè)計(jì)的雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加系統(tǒng)。

采集到的雷達(dá)模擬視頻圖像如圖5所示。原始的雷達(dá)模擬視頻進(jìn)行數(shù)字化處理，得到數(shù)字化的雷達(dá)視頻信息，通過(guò)式(2)對(duì)數(shù)字化的雷達(dá)視頻進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到了如圖6所示的雷達(dá)視頻圖像。由圖5和圖6的比較可以看出來(lái)，圖5是模糊一片的狀態(tài)，元法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行辨識(shí)和分析。而我們通過(guò)圖6可以對(duì)船舶周圍的環(huán)境一目了然，監(jiān)視船舶周圍的動(dòng)態(tài)目標(biāo)，其中E即為可以明顯分辨的動(dòng)態(tài)目標(biāo)。試驗(yàn)中使用的電子海圖如圖7所示，通過(guò)圖6和圖7的比對(duì)，可以分辨出圖6的A區(qū)域所掃描到的為海河大橋，而B區(qū)域?yàn)楹：哟髽蚋浇暮０毒€輪廓，C區(qū)域?yàn)楹０洞a頭，具有較多的目標(biāo)存在，雷達(dá)和電子海圖圖像疊加后，這些區(qū)域應(yīng)該是匹配的。

圖5 采集的原始視頻圖像

圖6 處理后的雷達(dá)圖像

圖7 電子海圖

表1雷達(dá)視頻和電子海圖初始參數(shù)數(shù)值

由表1可以看出雷達(dá)和電子海圖在顯示方式和相應(yīng)的比例尺上存在差異，基于電子海圖的比例尺，通過(guò)式(4)對(duì)表1參數(shù)的解算求得雷達(dá)圖像的縮放比為 1.089。雷達(dá)圖像和電子海圖的顯示方法不同，通過(guò)式(5)對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行縮放和角度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像和電子海圖的匹配。根據(jù)雷達(dá)的位置即經(jīng)緯度信息，以電子海圖為底圖，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像和電子海圖的疊加，如圖8所示。

圖8圖像疊加效果圖

從圖8可以看出，雷達(dá)掃描到的目標(biāo)及海岸線輪廓和電子海圖是基本一致的，關(guān)于A、B和C區(qū)域的分析是吻合的，由于航海雷達(dá)對(duì)于陸地目標(biāo)的探測(cè)能力較差，所以D區(qū)域附近的雜波比較多，可以以電子海圖為參考，在航行過(guò)程中不考慮這部分雷達(dá)目標(biāo)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響，而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)E也能實(shí)時(shí)顯示。相對(duì)于圖6和圖7而言，圖8更加直觀明確。試驗(yàn)結(jié)果表明雷達(dá)和電子海圖圖像是匹配的，能夠進(jìn)一步提高駕駛員對(duì)船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力，提高船舶航行過(guò)程中的避碰能力。

4結(jié)論

本文提出并試驗(yàn)了一種雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加的方法。根據(jù)雷達(dá)和電子海圖的顯示特點(diǎn)，對(duì)采集的雷達(dá)模擬視頻信號(hào)、方位信號(hào)和觸發(fā)脈沖進(jìn)行數(shù)字化、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和圖像轉(zhuǎn)換等處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像和電子海圖的匹配，以電子海圖為底圖，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖的疊加。試驗(yàn)結(jié)果表明，較好的實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)和電子海圖信息的融合，提高了駕駛員對(duì)船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力，本文提出的雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法是可行的，對(duì)于船舶安全航行具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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作者：鄧康全 于浩 竇玉寶  來(lái)源：天津航海