船舶交通管理系统VTS4(130823)

1、船舶交通管理电子系统(第四章),第四章 雷达数据处理子系统 4.1 概述 一、主要功能 1、计算并显示目标数据 2、监视与报警 3、记录、跟踪与显示 4、信息的存储与复现 5、目标识别,1、计算并显示目标数据 内容：目标位置数据、目标尺度与等级、目标运动数据、 对遇船相对于被导船的CPA、TCPA数据等。 2、监视与报警 内容：1）目标航行危险的监视与报警； 2）锚位监视与走锚报警； 3）航行标志监视与漂移报警。,3、记录、跟踪与显示 内容：1）目标编码与跟踪显示； 2） 停泊与航行态势显示； 3）气象与水文条件的记录与显示； 4）进出港及停泊船舶有关信息（静态与动态）的记录与显示。,4、信息

2、的存储与复现 记录手段：硬盘（24小时到数百小时的短时连续记录）、磁带记录器（长期存档）、光盘和软盘（长期存档和异地复示）。 记录内容：雷达目标数据、雷达数据视频等。 再现形式：与其他记录内容（工业电视图像和通信话音等）和与此相关的视频全景一起在显示器上时间同步本地或异地复示。,5、目标识别 1）目标识别：通过目标标注和输入的目标数据（船名、货物类型和船籍等详细信息）将这些信息与目标相关联。 2）识别保护：指示被丢失的目标的位置，如果一个新的跟踪目标出现（如通过桥梁时），该功能进行跟踪目标的推断和重新建立识别。,二、任务和内容 1）杂波处理、目标检测与录取。 2）目标跟踪、运动参数计算与危险判

3、断和目标标注等。 3）多雷达目标跟踪处理，数据的坐标归并、目标归并、统一定时和目标标识等。,三、主要性能 1、雷达信号处理 采样频率：40MHz，目前达到80MHz； 幅度量化：8bit，目前最高12bit ； 方位量化：4096，一般为8192； 杂波处理：STC、CFAR 、相关处理及门限处理等。,2、目标录取 目标视频：数据视频（目标大小、形状、幅度）； 数字视频幅度：4bit； 视频分辨力：4m（距离，最小值） 0.088（方位，最小值） 3、处理范围与数量 处理范围：32Nmile； 处理容量：1000个目标； 告警方式：声、光、图像提示可选。,4、处理数据精度 （1）位置数据 测距

4、：15m或0.1%； 测方位：0.25 （2）运动数据 航速：10%或0.25kn； 航向：1.5； CPA：0.1n mile；TCPA：0.1min。 （3）稳定跟踪分辨力（跟踪数据最低位的分辨力） 距离：4m； 方位：0.088 （4）矢量稳定时间：10scans,四、主要技术环节 （1）杂波处理 （2）自动检测 （3）自动录取 （4）自动跟踪 （5）多传感器跟踪 （6）危险判断与报警 （7）终端显示与人机交换,单雷达数据处理 （一、二级处理）,多传感器跟踪处理 （三级处理）,（一级处理）,（二级处理）,4.2 雷达数据处理子系统的基本构成 一、系统设备构成 1、雷达视频录取器 2、跟踪

5、处理器 3、多传感器（雷达）跟踪处理器（系统服务器） 4、显示工作站,视频 录取器,视频 录取器,视频 录取器,跟踪处理器,跟踪处理器,跟踪处理器,多雷达跟踪处理器,显示器,显示器,显示工作站,显示器,显示器,显示器,显示器,显示工作站,显示器,显示器,显示工作站,Rd 1,Rd 2,Rd 3,LAN,显示工作站,二、系统功能与实现关系 数字化单元（DU）功能 数字化单元（DU）功能模块由34个部分组成： 1）雷达视频信号数字化； 2）杂波处理与目标检测； 3）目标合并与目标录取； 4）目标跟踪。,服务器单元的功能： 1）数据接收； 2）完成管理水域目标的整体跟踪处理； 3）产生报警信息； 4

6、）进行信息管理和记录； 5）信息发送； 6）各子系统的信息联系和控制及工作状态检测。,跟踪目标记录,System,tracks,Actions on,tracks,Alarms,报警记录,I/F,Mgt,连接到数据库,操作管理模块,跟踪相关,雷达1跟踪,目标跟踪,数字视频,雷达,视频,量化器,数字化单元,服务器功能,操作工作站,Login,/,Logout,报警处理,RS 232,（自AIS）,环境接口管理模块,人机交互界面,自数据库,-,AIS接口管理,原始视频记录,VHF DF 接口管理,RS232,自DF,管理、控制,自传感器,雷达视频 量化器,目标跟踪,雷达n跟踪,4.3 数字化处理单

7、元 一、主要功能 1）提供雷达信号和数据接口； 2）将模拟雷达信号数字化； 3）杂波滤除、抑制干扰和目标检测； 4）视频屏蔽与数据格式化； 5）执行几何图表与内部功能测试； 6）单元的时间同步； 7）目标录取与跟踪； 8）数字化原始视频格式化和网络发送； 9）数字化单元监控。,二、雷达信号接口 1、接口匹配 雷达选择； 信号电平匹配； 极性匹配； 阻抗匹配； 偏置匹配； 带宽匹配。,雷达信号： 1） 雷达模拟视频信号： 输入阻抗：75； Vp-p：+1.25V+7.5V/-1.25V-7.5V； 2）同步脉冲： 脉宽500ns 幅度：TTL电平； 阻抗：75。 3）方位信号：增量脉冲（TTL/

8、12v）。 2、提供雷达遥控接口 与雷达间的连接通过RS232接口或Can总线实现。,三、模拟雷达信号的数字化 1、基本电路构成,式中，R为距离量化单元， R为距离，为方位量化单元。 例如， R= 2.25 m， =0.044 ,R,雷达探测范围的距离量化单元 和方位量化单元,四、杂波抑制处理 1、STC处理,-0.50,0.00,0.50,1.00,1.50,2.00,2.50,3.00,3.50,-97,62,221,380,539,698,857,1016,1175,1334,1493,1652,1811,1970,2129,2288,2447,2606,2765,2924,3083,3

9、242,3401,3560,3719,3878,4037,4196,4355,STC曲线1,STC曲线2,2、OTC处理,3、恒虚警处理,xn/2+1 xn,门限,信号 输入,检测 输出,L,移位寄存器,移位寄存器,x1 xn/2,CFAR 处理器,y,门限 判决,-,取大值GO-CFAR； 取小值SO-CFAR； 取秩值OS-CFAR；,greatest of CFAR,smallest of CFAR,order-statistics CFAR,EXCA CFAR discards large samples exceeding the predetermined excision thr

10、eshold,各种判决与加权处理。,预设筛选门限；,在杂波背景均匀时，会引入恒虚警损失。,TM-CFAR(trimmed-mean ),雷达回波的单元平均CFAR,恒虚警处理器的特点： （1）在处理方法上，都是基于杂波在一定时间范围内是平稳分布的，可利用杂波在时间上的统计分布特性等效杂波的幅度分布特性，由此而取一定的时间长度N内的目标幅度进行累计平均求得杂波数字特征的估值。 （2）杂波统计特征值的估值准确性与累计器的长度N有关。对满足遍历特性的杂波，N值越大，估值效果越好。 （3）雨雪、海浪等雷达杂波是非平稳的，即具有时变特性，此 时N值选取得越大，所造成的恒虚警损失会越大（一般N值在1620

11、之间选取）。,C-FAR 有如下处理方式： E = E0 + (L + R), E = E0 + Max (L, R), E = E0 + Min (L, R). 这里， E0 初始偏置值。,C-FAR 有如下处理方式： E = E0 + (L + R), E = E0 + Max (L, R), E = E0 + Min (L, R). 这里， E0 初始偏置值。 根据所选择的选项，C-FAR处理结果: 门限处理: C-FAR(A) = If A = E， Then A ，Else 0 偏置处理: C-FAR(A) = If A = E， Then A E， Else 0 这里，A为雷达视频

12、信号幅度。,式中，A(,)为m个距离量化单元，n个方位量化单元的数字视频的平均值； Fmost为A(,) 的动态偏移量，取决于雷达视频峰峰值； Cost(,)为门限电平的偏移 值，该值由跟踪处理器控制 (门限电平的调节步长为一个 雷达视频幅度量化电平单元)。,4、门限处理,五、视频屏蔽、合并与数据格式化 1、视频屏蔽 1）岸线屏蔽 以电子海图的陆地区域为屏蔽区域，对位于屏蔽区域内的目标数据进行掩膜，即这些区域内的雷达视频不参与传输和录取处理。 2）人工设置屏蔽区 在系统目标太多而超容量运行时，可通过系统所提供的图形编辑功能，由操作人员根据管理水域的具体情况，将某些不重要但又对系统的录取目标量影

13、响较大的区域（如近岸养殖区）设定为临时视频屏蔽区。,2、回波合并 目的：减少信息的重复，适应雷达覆盖范围和信息传输容量的要求。 1）距离合并 雷达距离分辨率主要由雷达的量程和脉冲宽度决定，对于远量程宽脉冲情况，雷达数字视频将通过基本距离量化单元进行合并。,举例：若距离存储长度为4096，基本距离量化单元为4.5米，则，雷达可实现的最大距离覆盖范围为： 4.5米4096=18032米（18km） 若取合并系数为4，即将4个基本距离量化单元进行合并，经回波合并后的距离量化单元为4.54=18米，此时可实现的最大雷达覆盖范围为： 18米4096=73728米（73.7km） 18.4km的覆盖范围非

14、常适合港内和航道监视，73.7km较适合于港外搜索与监视。,2）方位合并 将与距离合并同样的原理应用在方位上，可实现回波的方位合并。 3）峰值合并 为了合理地调整取样和雷达特性对于不同反射特性的目标间的关系，回波峰值合并处理针对连续不断的视频采样在距离和方位上取得的尖峰、平均或较低值进行合并。,（1）最大值准则,（2）最小值准则,（3）均值（加权平均）准则,式中，ai为第i个数据值，i为第i个数据在该合并单元中所占的比例。,3、数字视频的格式化 目的：是在不丢失目标信息的前提下，尽可能减少数据量，并形成规范化的数据结构。 一个合并后的等效量化单元可表示为：,1MB的存储容量可存储近21万个等效

15、量化单元。,六、原始数字视频在网上发送* 目标报告电文的组织：数字化单元的CPU组织完成； 传输方式和协议：广播方式，UDP/IP； 雷达站的识别：目标报告电文中数字化单元的识别码。 防止数据流量超限方法：自动数据速率限制算法。 当雷达目标文件数据的平均数据流量超过设定的上限时，发出控制指令，控制视频门限抬高，直到数据流重新回到容量的允许范围。当数据流降低到某种程度时，发出控制指令，将视频门限自动降低。以保持较恒定的数据流。,七、数字化遥控 数字化遥控的目的是实现在VTS中心的操作台上对数字化单元进行遥远控制。,八、雷达遥控与状态检测 功能是允许操作员从任何授权的操作员位置对各雷达进行遥控。

16、从VTS中心遥控雷达内容： 1）雷达发射/接收机控制：开、关、发射、待机； 2）天线控制：开、关、极化； 3）收发机切换控制； 4）雷达脉冲宽度选择； 5）雷达脉冲重复频率 （PRF）选择； 6）雷达发射屏蔽区域设置。,九、目标检测、录取与跟踪 功能：对经杂波处理后的数字视频进行处理，将目标从残余的杂波背景下提取出来；提取目标的尺度、位置（重心）和回波强度；对目标进行跟踪处理，建立目标航迹，求算目标的运动参量。 1、功能结构,2、目标检测,通常按“内曼-皮尔逊最优检测准则”选定。 在一定的PF下，使PD最大，或使PF和PD满足一定的条件下，使所需的信噪比最小。 信号可能在多个量化单元内满足检测

17、规则，需要判断目标的启始和终止。,几种主要方法： 1）在同一距离上，计算目标起始（方位上）到终了之间的“1”的个数m与探测脉冲数n的比值，当不低于给定值时，判为有目标； 2）在起始和终了之间的脉冲串内，能连续出现r个“1”，则判为有目标； 3）在起始和终了之间的脉冲串内，根据n个相邻位置出现m个“1”(mn)的某种组合，则判为有目标。,3、目标录取 1）目标团块（Target Agglomeration） 经目标检测处理后所获得的目标，被依据距离和方位精度与分辨力要求在距离和方位上进行组合。 获取目标的特性： a）起始与终止距离； b）起始与终止方位； c）抽样（量化单元）的数目； d）平均重

18、心的距离与方位； e）最大幅度； f）强度（全部量化单元的视频电平的总和）。,2）目标环（Object Ring） 经目标检测处理后的各目标量化单元按径向扫描存储管理，在同一距离上属于同一目标的相邻的量化单元构成“目标环”。 目标环的特性参数有： a）目标识别号（ID）； b）距雷达站距离； c）起始和终止方位； d）回波强度; e）标识（Flag）。,根据同一目标的目标环数和以上特性参数，可进一步获得目标的以下特性参数： a）起始与终止距离； b）起始与终止方位； c）抽样的数目； d）平均重心的距离与方位； e）最大幅度； f）强度（全部量化单元的视频电平的总和）。 经过以上处理，目标特性

19、参数表建立起来，录取过程完成。,目标宽度,目标长度,目标重心,目标环区域边界,4、Plot报告的生成 目的：将检测所获得的目标，转换为目标Plot报告。 对于目标环模式，Plot处理单元所产生的目标报告参数包括： 1）目标环区域的边界； 2）修正目标区域边界； 3）穿过目标环的回归线； 4）目标的长度； 5）目标的位置； 6）目标的首向； 7）目标的宽度； 8）目标回波强度。,5、雷达数字视频网上发送,雷达视频数据以帧为传输单位，整幅雷达图像以若干帧传输，每帧传输一定角度范围的数据。每帧数据的基本报文格式相同。,每一帧中的同一方位上的数据以一个数据片传输，主片为此帧中方位角度最小的数据，方位角

20、度增大，依次由从片1，从片2传输。,主片数据格式,从片数据格式,由从片首部和数据部分组成。从片中不再传输方位合并和距离合并系数，采用主片中的方位合并和距离合并系数，,帧首部数据：00 0a 00 1c 00 02 00 32 命令标志为00 0a，根据系统要求设定。 此帧中主片有14个字节，从片有10个字节，帧数据的长度为： (00 1c)16雷达编号序号主片从片22141028byte 雷达编号为00 02，表示此数据来源于2号雷达； 序号为(00 32)16(50)10。,实例：,主片数据：20 8c c7 8c 04 f4 08 b2 7a 00 33 bc b0 00,主片标志位：20

21、H； 主片长度：由于主片长度所在字节的最高位置1，不计在数据长度之中，所以主片长度应为0cH，即12个字节；,方位：为c7 8cH的低13bit，转化成角度为： (078c)16(1932)10 19320.04485,控制信息：为04H； 方位合并系数：为15，方位分辨单元为： 150.0440.66 距离合并系数：为4，距离分辨单元为： 44.518米,第一组斑块的起始距离：数据为08bH，与雷达距离为： (08b)16(139)10 1394.542502米 第一组斑块个数：为2H，共有两个斑块， 第一个斑块的距离为斑块组的起始距离2502米， 第二个斑块的距离为： 2502182520

22、米 (相对于雷达) 两个斑块的幅度：分别为7，10。,主片数据：20 8c c7 8c 04 f4 08 b2 7a 00 33 bc b0 00,第二组斑块个数：为3H，有三个斑块，相对于雷达的距离分别为2556米，2574米，2592米； 幅度：分别11，12，11； 数据最后的12bit以0补满偶数字节，,主片数据：20 8c c7 8c 04 f4 08 b2 7a 00 33 bc b0 00,第二组斑块的起始距离(00 3 )：为： 25021832556米,从片数据：10 88 c7 9b 08 f3 5a 60 05 19,从片标志位：10H，与主片标志不同。 从片数据长度：0

23、8H，即8个字节； 方位合并和距离合并系数：与主片相同，分别为15和4； 从片方位角度为： (79b)16(1947)10 19470.04485.668,从片起始距离数据为08fH，与雷达站的距离为： (08f)16(143)10 1434.542574米,第一组共有三个斑块：3H,第一组共有三个斑块，距离分别为2574米，2592米，2610米，三个斑块的幅度分别为5，10，6。 第二组斑块的起始距离为： 25741852664米 第二组中有一个斑块，相对于雷达的距离为2664米，幅度为9，,从片数据：10 88 c7 9b 08 f3 5a 60 05 19,4、目标跟踪 1）目的 将雷

24、达各次空间扫描周期所获得的离散目标位置自动连接成一条连续光滑的航迹，进而求算出目标运动参数。 目标的理想参数：位置、速度 状态向量： 实测目标数据：位置 测量向量： 目标参数的估计值 目标参数的预测值：,初始航迹建立,2）目标跟踪单元的工作模式 自动和人工建立两种工作方式。 3）主要跟踪处理方法 目标跟踪处理包括航迹外推，航迹相关和滤波平滑三个环节。,实测位置,预测位置,滤波位置,4）导致跟踪失败的原因 跟踪失败：跟踪目标丢失、误跟踪、跟踪交换。 失败的原因： 跟踪速度和跟踪算法不能适应目标的机动性； 目标发现概率太低或出现目标遮挡（掩蔽）； 跟踪分辨率太差，或跟踪相关波门太大或太小且根据目标

25、的运动状况和水域条件自适应调节的能力太差； 在跟踪过程中，对目标的特征参量参考引用得太少或未引用。,5）提高跟踪可靠性的方法 采用对目标机动性能适应强的跟踪滤波算法（例如多模型跟踪算法）； 采用自适应跟踪波门调整技术； 引入电子海图信息（岸线）和目标的尺度、回波强度、运动参数等； 进行目标识别和引入目标运动模拟算法。,6、数字化单元的检测* 当该系统软件或硬件发生问题时，系统检测程序模块将使系统自动复位，且重新激活处理计算机。该功能模块检测软件检测系统的处理执行情况 ，如果在设定的时间内，总线上无信息来往，将重新启动处理机。,4.4 系统服务器,主要功能：多传感器信息融合、提供与其他子系统的信

26、息交换接口、信息记录、告警处理和告警记录等。,一、信息融合,功能：将来自多个雷达站的跟踪报告、来自AIA的信息，或其他来源的信息，进行相关跟踪选择（识别和归并）。,跟踪的品质因子；,目标运动参数；,目标与雷达站间的距离等。,二、通信接口,功能：1）读取来自数据库的信息，向数据库传送船舶报 告信息； 2）接收其他子系统的信息，向其他子系统发送跟 踪信息、控制指令、工作参数设置信息等。,连接的主要子系统有：船舶信息（数据库管理）子系统、AIS子系统、VHF-DF子系统、环境子系统、VHF通信子系统、信息传输子系统等。,四、信息记录与再现 1）功能 将所有的目标报告、跟踪报告、其他子系统的信息按一定的时间间隔形成记录文件，记录在硬盘上。 2）记录内容 雷达原始视频、跟踪相关位置、跟踪数据、识别码、其他子系统的相关信息和操作员的动作等。,五、告警处理与告警记录 1）系统告警 产生于系统内部的某些模块，用于向操作员提示系统中工作不正常的单元或模块。 2）控制告警 （1）浮标监视告警； （2）航道监视告警； （3）禁区监视告警； （4）锚泊监视告警； （5）碰撞危险告警； （6）警戒区监视告警； （7）