智能雷达光电探测监视系统单点基本方案之欧阳育创编.docx
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智能雷达光电探测监视系统单点基本方案之欧阳育创编
智能雷达光电探测监视系统单点基本方案
一、
时间：
2021.02.04
创作：
欧阳育
二、系统概述
根据监控需求：
岸基对海3~10公里范围内主要大小批量目标；
主动雷达光电探测和识别；
多目标闯入和离去自动报警智能职守；
系统接入指挥中心进行远程监控管理；
目标海图显示管理；
系统能够自动发现可疑目标、跟踪锁定侵入目标、根据设定条件进行驱散、同时自动生成事件报告记录，可以实现事故发生后的事件追溯，协助事故调查。
1.项目建设主要目的
Ø为监控区域安全提供综合性的早期预警信息；
Ø通过综合化监测提高处置和应对紧急突发事件的指挥能力。
2.基本需求分析：
需配置全自动、全量程具备远距离小目标智能雷达探测监视和光电识别系统，系统具备多目标自动持续稳定跟踪、多种智能报警功能、支持雷达视频实时存储、支持留查取证的雷达视频联动回放功能等；同时后期系统需具备根据用户需求的功能完善二次开发能力。
同时支持后续相关功能、扩点组网应用需求。
根据需求和建设主要目的，选型国际同类技术先进水平，拥有相关技术自主知识产权，具备二次技术深化开发的北京海兰信数据科技股份有限公司（2001年成立，2010年国内创业板上市，股票代码：
300065，致力于航海智能化与海洋防务/信息化的国内唯一上市企业）的智能监视雷达光电系统。
该系统在国内外有众多海事相关成熟应用案例，熟悉国内海事、海监、海警、渔政公务执法及救捞业务需求特点等。
同时，该系统近期成功中标国内近年来相关领域多套（20套）雷达光电组网项目，充分说明该系统的技术领先及成熟应用的市场广泛接受度。
3.项目建成后的主要特点
Ø全天候、全覆盖、全自动的立体化监控。
该系统具备对多传感器信息融合的能力，确保对探测范围内雷达信息源、光电、AIS、GPS等设备信号源进行有机的融合和整合。
Ø系统具备了预警、报警、实时录取回放的综合功能。
任何目标物进入雷达视距时，系统即开始进行监测。
目标物触碰警报规则后，指挥室获得报警信号，同时联动设备综合光电锁定警报目标，以便驱离。
整个过程系统实时记录、方便随时调用回放。
Ø系统技术水平国内领先。
该系统中创新地采用了国际先进的“先跟踪后探测”算法技术对目标进行探测和跟踪，保证了在严苛条件下满足对目标地探测与持续跟踪能力。
Ø该系统采用先进的设计思想，开放灵活的系统网络架构，能够根据需求进行不同的组合和配置，系统可扩展性强。
Ø维护便捷，由于采用网络架构，获得用户授权后能连接到用户网络，可以远程支援维修维护系统，从而提高维护效率，减少维护成本。
Ø可靠性高，充分适应不同的海洋环境。
三、系统设备清单
序号
材料名称
规格型号
数量
1
X波段雷达，IP65（含安装支架）
HLD800/900；8ft，25kw
1套
2
小目标雷达数据处理器及显示终端软件
HLD-STTD-1000
RadproV1.6.0.0
COREi7-4770TE2.3G
8GDDR3内存
2块容量2TB硬盘
RVAQ雷达视频采集卡
1套
3
AIS，IP65（含安装支架）
NAR-1000
1套
4
综合光电设备，IP65（含编码器、安装支架）
ITV100
1套
5
工作站（客户端）
Z230SFF
CPU/主频:
IntelCorei5-4570/3.2GHz
内存:
4GB
硬盘：
1TB
光驱：
DVD-ROM
网卡：
千兆
显示器：
Z24i，1920×1080
1套
6
服务器
ProliantDL388Gen9
XeonE5-2620v3
16G内存
4TBSATA
1套
7
辅材辅料
——
1批
四、系统构成
2.1系统构架示意图（后续支撑四套组网扩展示意）
3.1雷达分系统
雷达是系统中的主要传感器，其性能和对目标的检测处理能力对整个系统起着举足轻重的作用。
项目使用的雷达信号检测与目标跟踪技术能够形成一套完整的对重点目标地带跟踪监测解决方案，其从信号提取能力、目标处理的容量、目标处理精度几方面均具有独特优势。
图2.2雷达系统方框图
雷达采用大型波导裂缝天线雷达，技术指标如下：
天线尺寸
8英尺
天线形态
波导裂缝式
收发机波段
X波段
收发机最高输出功率
10千瓦
水平波束宽-3dB最大
1º
垂直波束宽-3dB最大
24º
增益值
31dBi
限制相对风速
120km/hr
天线转速
28rpm
可选转速
45rpm
抗风能力
45m/s（工作）
60m/s（生存）
马达
有保护，有告警
该系统雷达原始视频采集（RVAQ）模块能够与不同的雷达传感器相连接。
该模块从雷达传感器接收视频，触发，天线方位角和天线航向信号并对数字转换进行模拟。
雷达原始视频也在该阶段进行数字化。
而在此时模块并不执行对任何目标的检测，过滤或信号处理。
可通过一个内置的示波器对输入到该模块的信号进行监控并将其显示到服务监视器上。
此外，该系统雷达处理器在不同的海杂波和雨滴杂波以及来自其他雷达的干扰下能适应各种气象条件。
可通过一项基于浮动阈值，误报率和多项扫描相关性组合的先进自适应滤波技术来抑制不需要的信号。
雷达目标跟踪处理模块：
海兰信提供的雷达目标跟踪处理模块用来全自动跟踪、探测移动的及固定的目标。
这些功能可不借助人工而全天候在整个雷达覆盖区域进行。
系统设计时采用开放式结构，便于未来进行结构性和功能性升级。
雷达目标跟踪处理模块主要性能特点：
Ø子系统系统本身不受雷达型号限制：
系统可与多种型号的雷达相链接，且性能不受影响；
Ø安装简易、适应岸基与船载系统：
通过PCI插卡及商用电脑即可实现安装，岸基系统不需要更多的辅助性设施，而船载系统通过与罗经、GPS等设备的整合可达到与岸基系统相同的性能指标；
Ø雷达覆盖范围内自动跟踪探测目标：
经过系统调试后，在雷达覆盖范围内具有全自动的目标跟踪探测功能；
Ø目标跟踪探测能力强：
系统使用的是综合性很强的先跟踪后探测（TBD）算法，国内有量化试验证明系统对于目标有强的自动跟踪探测能力；
Ø功能强大的综合显控终端：
要求以S57电子海图为界面的综合显控终端不但可以更清晰的显示目标位置，还具有更多综合性很强的操控功能（如：
报警区自由设定、叠加雷达视频信号等）；
Ø随时可扩展为大型系统：
系统可随时按照客户要求增加信息源数量及终端数量，以扩展为大型系统；
Ø维护简易且实时性强：
系统维护可通过网络进行，使系统维护的及时性、便捷性得以保障。
雷达作用距离
在发现概率Pd≥90%，恒虚警率Pf≤10-6，3级海况的条件下，作用距离：
（雷达高度20m）
Ø大型目标（RCS≥50㎡，高度20m）：
雷达视距；
Ø中目标（RCS≥10㎡,高度5m）：
≥10海里。
Ø小目标（RCS≥1㎡，高度1m）：
≥3海里
雷达目标分辨力
Ø方位分辨力：
≤1°；
Ø距离分辨力：
≤25m
雷达处理精度
Ø方位精度：
约0.01°；
Ø距离精度：
约2m；
Ø航向精度：
2°（速度大于5kn时）；
Ø航速精度：
0.5kn（速度小于10kn时），5%（速度大于10kn时）；
Ø跟踪速度：
直线速度≥20kn
跟踪能力
跟踪目标：
≥2000个
3.2光电分系统
光电分系统的主要功能是在综合终端显控系统上通过选取目标实现对安装在监控点的光电设备自动选取目标的关联。
这一功能可以让操作员实现摄像机的远程精确操控，进行目标识别、跟踪，实现全天候、全方位对地、海、空目标进行搜索、自动跟踪。
同时，将光电记录的视频信息实时存储，以便事后调阅分析。
光电分系统由光学透雾可见光摄像机、红外热像仪集成，保证在晴天、有星光、低照度等多种气象条件下昼夜成像。
原理及组成如下图：
图2.3光电子系统原理图
光电功能：
Ø白光成像及透雾功能
Ø激光或红外热成像功能
Ø雷达引导跟踪功能
Ø视频增强（针对低照度、雾霾天气的特殊处理）
图2.4距雷达2海里的船舶光电观察效果图
图2.5透雾效果图
光电作用距离：
使用环境为海边，能见度20公里，湿度80%，温度20~33℃时：
目标类型
3×2㎡
10×5㎡
电视探测距离
5km
8km
电视识别距离
3km
4km
对人认清距离（取证）
500m
红外探测
4km
6km
红外设备
3km
4km
3.3服务器数据融合与存储
图2.6系统信息服务器流程图
Ø关联各个单一传感器所搜集的数据
Ø跟踪区域－特定区域内跟踪参数可以单独设定
Ø同时处理多达512部传感器信息
Ø同时跟踪超过20,000个目标
Ø经过融合处理后，系统最终可以提供给终端显示控制平台的参数，包括：
目标ID或名称、位置、时间点、航向和速度、运动轨迹、目标状态、轮廓。
如下图所示：
3.4态势显示终端
态势显示终端是用户操作使用的主界面程序，从目标管理器接收已处理的雷达视频数据和目标数据，以电子海图为背景进行显示。
图2.7态势显示终端界面
1.海图数据转换
可以接收S-57/S-63/C-MAP格式的海图。
为了提高整个系统的显示速度，将海图数据转换成便于显示的格式。
当获得军用制式海图数据后，调整软件功能，对该数据进行转换。
2.海图数据管理
海图数据管理包括海图数据密钥管理、数据类型管理、证书管理、图幅管理和海图数据加载管理。
3.海图数据显示
海图数据的显示符合相应标准，使用DirectX加速显示技术。
4.雷达回波显示
从目标管理器接收到雷达回波，把雷达回波数据解析成便于显示的位图数据，直接操作内存，然后一次性复制到显存，提高显示速度。
当雷达回波转换成位图数据显示时，采用极坐标查表法，省去浮点计算，显著提高转换速度。
回波显示的数据结构可方便显示余辉。
5.雷达目标显示
目标显示符合招标要求和IMO雷达目标标绘相关标准，能形象地显示目标矢量。
6.AIS目标显示
AIS目标显示符合招标要求和IMO雷达目标标绘相关标准，能形象地显示目标矢量。
7.融合目标显示
显示经雷达、AIS、光电提取目标融合后的结果。
8.警戒区管理及目标报警
可以按照规则设置警戒区，对于报警目标进行显示及报警。
9.记录回放
系统在各个监控和指挥中心配置了一台专门的服务器，专门用于对各种传感器的数据、信息进行记录，供事后重演，查找证据，分析系统参数故障隐患等使用。
五、关键技术及解决方案
4.1基于非恒定自适应门限的目标全自动探测技术
本系统要求在确定的虚警率和探测概率下能够自动录取目标、输出目标信息的功能，是整个系统中最核心的问题之一。
传统的目标自动录取的做法是在一定区域设定恒定的门限进行杂波抑制，系统判断回波是否超过门限来自动录取目标，这种做法往往会造成探测概率下降。
为了解决此问题，海兰信采用非恒定自适应门限的TBD算法进行目标自动录取。
将雷达覆盖域分割成若干个小模块，每个模块的门限由本模块的视频统计来决定，提高了发现概率，尤其是在复杂海况、恶劣天气下对小目标的检测概率有很大的提升。
4.2雷达引导其他设备联动技术
招标书中要求雷达目标能够引导其他光电设备实时对目标进行跟踪，是系统的另一个技术难点。
雷达目标数据为经纬度数据，在显示时转化为笛卡尔坐标系投影到海图地图上，而且为二维数据。
光电等设备对目标跟踪需要知道目标的方位、俯仰、距离参数，其中距离用于自动变焦使用。
雷达的数据率更新约为2.5S，如果简单的用雷达数据直接引导存在两个问题：
没有俯仰数据，可能某些目标不会在画面中央；由于雷达数据更新慢直接使用的话会存在光电设备延时的视觉感。
海兰信自主研发《雷达引导光电自动跟踪系统》通过对雷达数据的差分处理，将0.4Hz的数据变为40Hz数据，满足光电设备跟踪需求，在俯仰上根据目标距离、目标高度、光电设备安装高度解析出光电设备需要跟踪的俯仰参数。
另外能够满足连续稳定不卡、不丢的跟踪效果，转台的旋转精度必须满足1mrad（0.05°）。
时间：
2021.02.04
创作：
欧阳育
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