摘要：雷達和電子海圖是船舶重要助航設備。為了提高船舶航行中的避碰能力，文章提出了一種雷達模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法。采集雷達的模擬視頻信號、方位信號和觸發(fā)脈沖，通過A/D轉(zhuǎn)換，利用極坐標與直角坐標變換模型和圖像匹配模型，實現(xiàn)雷達和電子海圖圖像的疊加。試驗結(jié)果表明，雷達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時顯示雷達捕獲到的目標，提高對船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力。

關(guān)鍵詞：電子海圖 坐標轉(zhuǎn)換 雷達圖像 疊加方法

電子海圖系統(tǒng)可顯示來自系統(tǒng)電子導航海圖的選定信息和導航傳感器的導航信息，以輔助駕駛員進行航線設計和航行監(jiān)視。以電子海圖為航行信息核心，實現(xiàn)與雷達、GPS、計程儀、測深儀、AIS等各種設備的信息融合，是電子海圖信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。船載導航雷達可以測量水上目標及運動目標的距離和方位，并可以預測和判斷運動目標下一步的運動態(tài)勢，對本船與周圍運動目標會遇態(tài)勢下可能發(fā)生的碰撞危險進行判斷和評估，輔助擬定本船的最佳避讓策略，從而增強避碰輔助決策能力[1]。

電子海圖與雷達的匹配定位導航，可在航行水域海圖信息的基礎上提供本船、本船周圍的靜態(tài)目標與動態(tài)目標三者之間的位置關(guān)系。實現(xiàn)了雷達視頻數(shù)據(jù)的共享以及綜合航行態(tài)勢圖的實時生成和顯示，允許操作人員在同一個顯示器上觀察本船周圍的全部態(tài)勢，能集中精力判斷并采取適當?shù)男袆?，可以提高船舶避碰能力，這對船舶的航行，特別是大霧天氣中的近海航行具有重要的意義[2]。目前國外部分產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了雷達和電子海圖圖像疊加的功能，而國內(nèi)在這方面的研究比較少。本文提出并試驗了一種雷達模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法，采集雷達的模擬視頻信號、觸發(fā)脈沖和方位信號，通過A/D轉(zhuǎn)換、坐標系轉(zhuǎn)換和圖像處理，實現(xiàn)雷達和電子海圖圖像的匹配，完成雷達和電子海圖的疊加。

1雷達模擬信號和電子海圖圖像疊加

通過雷達獲取三種信號：雷達模擬視頻信號、方位信號和觸發(fā)脈沖。雷達模擬視頻信號是目標的回波信號為模擬信號；方位信號是雷達天線掃描的方位信息，為模擬信號；觸發(fā)脈沖是雷達的周期頻率脈沖，用來實現(xiàn)圖像處理與雷達發(fā)射脈沖周期的同步[3]。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，把采集到的模擬信號數(shù)字化，按照方位信息對雷達目標進行標繪，并與雷達的觸發(fā)脈沖同步，形成極坐標形式的數(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，極坐標形式的數(shù)字化視頻信息轉(zhuǎn)換為屏幕直角坐標形式的數(shù)字視頻信息，對雷達視頻圖像在比例尺和顯示方式上進行處理，實現(xiàn)雷達和電子海圖圖像匹配，根據(jù)雷達收發(fā)機的位置信息，以電子海圖為底圖，完成雷達和電子海圖的疊加顯示，基本流程如圖1。

圖l雷達模擬視頻與電子海圖圖像疊加流程圖

2雷達模擬視頻和電子海圖圖像疊加模型

2.1雷達模擬視頻數(shù)字化模型

采集的方位信號為模擬信號，通過幅度分層和時間量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。雷達模擬視頻信號通過時間量化和幅度分層轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后存儲這些信號，利用目標回波的幅度、個數(shù)和相關(guān)信息做累計判定，以確定目標的有元。其中幅度分層設置第一檢測門限，累計判定設置第二檢測門限。

圖2雷達模擬視頻數(shù)字化處理框圖

時間量化即距離量化，以雷達觸發(fā)脈沖前沿為起點，將距離掃描的全程時間分成若干相等的時間單元，即將雷達探測的距離全程分成若干相等的距離單元△r，兩者的對應關(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，信號幅度大于相對門限V，就產(chǎn)生“1”。累計判定是一種雷達信號檢測系統(tǒng)，通過設定門限K，對目標回波信息進行累計判定，確定目標有無。

(1)

式中：c-光速，c=3×108m/s。

2.2極坐標轉(zhuǎn)換為直角坐標

初步處理后的數(shù)字雷達視頻圖像是以極坐標方式進行顯示的，通過極坐標系和屏幕直角坐標系轉(zhuǎn)換方程，處理數(shù)字化的雷達視頻圖像，使雷達視頻圖像和電子海圖的坐標系一致。極坐標系和屏幕直角坐標系的對應關(guān)系如圖3所示。

圖3極坐標系和屏幕直角坐標系轉(zhuǎn)換示意圖

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

(2)

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

2.3雷達圖像匹配模型

電子海圖基本上具有任意縮放的特點，而雷達的量程是有限的，因此，基于電子海圖的縮放變化，對雷達圖像進行合理的比例調(diào)整，實現(xiàn)雷達和電子海圖圖像的比例尺匹配。

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

(3)

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

(4)

雷達和電子海圖的顯示方式不同，雷達存在北向上、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，對雷達圖像進行旋轉(zhuǎn)變換。用下面的仿射變換矩陣進行坐標轉(zhuǎn)換[6]，對圖像進行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，實現(xiàn)雷達和電子海圖的圖像匹配。

一幅定義在直角坐標系(w，z)的圖像f經(jīng)過幾何變形如縮放、旋轉(zhuǎn)等，產(chǎn)生了定義在直角坐標系(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：，對應的坐標方程為：

旋轉(zhuǎn)的仿射矩陣T2為：，對應的坐標方程為：

3試驗及結(jié)果分析

采用上述方法進行試驗，試驗地點為：天津市塘沽區(qū)交通部北海救助局天津基地。經(jīng)緯度即雷達的位置為：N38°59.2807′，E117°42.874′。試驗所用雷達收發(fā)機為美國SPERRY公司的RACAL-DECCA雷達，后端為自行設計的雷達模擬視頻和電子海圖圖像疊加系統(tǒng)。

采集到的雷達模擬視頻圖像如圖5所示。原始的雷達模擬視頻進行數(shù)字化處理，得到數(shù)字化的雷達視頻信息，通過式(2)對數(shù)字化的雷達視頻進行坐標轉(zhuǎn)換，得到了如圖6所示的雷達視頻圖像。由圖5和圖6的比較可以看出來，圖5是模糊一片的狀態(tài)，元法對目標進行辨識和分析。而我們通過圖6可以對船舶周圍的環(huán)境一目了然，監(jiān)視船舶周圍的動態(tài)目標，其中E即為可以明顯分辨的動態(tài)目標。試驗中使用的電子海圖如圖7所示，通過圖6和圖7的比對，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)域為海河大橋附近的海岸線輪廓，C區(qū)域為海岸碼頭，具有較多的目標存在，雷達和電子海圖圖像疊加后，這些區(qū)域應該是匹配的。

圖5 采集的原始視頻圖像

圖6 處理后的雷達圖像

圖7 電子海圖

表1雷達視頻和電子海圖初始參數(shù)數(shù)值

由表1可以看出雷達和電子海圖在顯示方式和相應的比例尺上存在差異，基于電子海圖的比例尺，通過式(4)對表1參數(shù)的解算求得雷達圖像的縮放比為 1.089。雷達圖像和電子海圖的顯示方法不同，通過式(5)對雷達圖像進行縮放和角度調(diào)整，實現(xiàn)雷達圖像和電子海圖的匹配。根據(jù)雷達的位置即經(jīng)緯度信息，以電子海圖為底圖，實現(xiàn)雷達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，雷達掃描到的目標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，由于航海雷達對于陸地目標的探測能力較差，所以D區(qū)域附近的雜波比較多，可以以電子海圖為參考，在航行過程中不考慮這部分雷達目標對船舶運動的影響，而運動目標E也能實時顯示。相對于圖6和圖7而言，圖8更加直觀明確。試驗結(jié)果表明雷達和電子海圖圖像是匹配的，能夠進一步提高駕駛員對船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力，提高船舶航行過程中的避碰能力。

4結(jié)論

本文提出并試驗了一種雷達模擬視頻和電子海圖圖像疊加的方法。根據(jù)雷達和電子海圖的顯示特點，對采集的雷達模擬視頻信號、方位信號和觸發(fā)脈沖進行數(shù)字化、坐標轉(zhuǎn)換和圖像轉(zhuǎn)換等處理，實現(xiàn)雷達圖像和電子海圖的匹配，以電子海圖為底圖，實現(xiàn)雷達和電子海圖的疊加。試驗結(jié)果表明，較好的實現(xiàn)了雷達和電子海圖信息的融合，提高了駕駛員對船舶周圍環(huán)境的監(jiān)控能力，本文提出的雷達模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法是可行的，對于船舶安全航行具有一定的應用價值。

參考文獻

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作者：鄧康全 于浩 竇玉寶  來源：天津航海