海洋技术研究 海上目标监视监测系统建设现状与思考.docx

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海洋技术研究海上目标监视监测系统建设现状与思考

海洋论坛▏海上目标监视监测系统建设现状与思考

世界各海洋强国历来重视对本国海岸沿线和专属经济区和海上目标的有效监控，逐步建立了基于空、天、地一体的业务化监视监测网络。

根据探测方式的不同，海上目标监视监测系统可大致分为被动式和主动式两种。

被动式主要指通过舰船自动识别系统AIS获得目标船只的船名、船型、位置、航向、航速等信息，进而识别船只为合作或非合作状态。

主动式则主要针对非合作船只，利用雷达或光学影像进行探测和识别。

本文通过论述国内外海上目标监视监测系统建设情况，分析总结其技术特点，提出我国海上目标监视监测系统建设应用前景与相关建议。

一、海上目标监视监测手段

根据搭载平台的不同，海上目标监视监测系统可分为天基、空基、岸基、海基4类（见表1）。

 表1 海上目标探测传感器与搭载平台组合

传感器/平台

岸基

海基

空基

天基

合成孔径雷达

√

√

尚频地波雷达

√

√

X波段雷达

√

√

可见光

√

√

√

√

热红外

√

√

√

 注：

“√”表示该传感器和平台的组合实际应用较多

⒈天基合成孔径雷达（SRA）

SAR通过雷达波的反射信号对探测区域进行成像，利用舰船和海面的回波信咢的不同反射强度来探测舰船，对子中高分辨率情况，还可以进一步获取到舰船的结构信息，是使用较为广泛的一种海上目标探测技术手段。

自1978年美国发射世界上第一颗SAR海洋卫星SEASAT以来， 欧美各国相继发射了多颗SAR监视卫星，如美国的SIR系列卫星、俄罗斯的Alamz系列卫星、欧空局的ERS系列卫星、日本的JERS-1卫星、加拿大的RadarSat系列卫星等，为海上目标监测提供了大量的图像数据支撑。

SAR图像海上目标监测手段已得到广泛应用，多用于打击非法捕鱼、海上走私和非法移民等。

其一般流程主要包括陆地隔离、目标监测、尾迹监测、特征提取和虚警剔除等步骤，各步骤及其方法特点详见表2。

表2SAR图像海上目标监测流程与方法

⒉天基光学影像

近些年来，高分辨率、短重访周期成像卫星的成功发射，为海上目标监视监测提供了大量的高精度影像数据，如QuickBird、IKONOS、World-view-2、GEOEye-1等。

相比SAR而言，光学遥感探测易受到天气条件的影响，但光学图像的内容丰富且更加直观，目标结构特征的获取相对简单，因此具有SAR图像所不可取代的优点。

基于光学影像的海上目标探测与分类识别流程（见图1）和SAR类似，大致可分为数据输入、海陆分离、目标探测、识别分类、结果评估等环节，所不同的是基于光学影像的海上目标需要额外考虑环境因素的影响， 如海浪和云层的干扰。

图1 基于光学影像的海上目标探测与分类识别流程

光学遥感图像处理中最常遇到的难题是云层对关注区域的遮挡，特别是云层较厚时， 只能通过其他手段对目标进行观测。

一些卫星产品如Senyinel-2、Level-1c直接提供云掩膜（CloudMask）服务，但此类影像产品目前还不能大量获取，因而在实际应用中还需要进行云剔除，常用的方法有阈值法、直方图方法和小波变换等。

海浪通过改变海面粗糙度进而改变海面反射特性影响遥感图像的像素值。

随着海况的变化，适用于平静海面的海上自标监测算法，特别是针对小型目标的监测算法有可能失效，数据处理所需的时间也会大幅增加，进而影响监测效率。

目前在目标探测环节还没有特别有效的方法来移除海浪的影响，其造成的虚警多数只能在验证环节进行剔除。

当前应用高分率光学遥感图像进行海上首标监测还不够成熟，需解决的问题主要有：

第一，中低分辨率条件下，碎云、岛礁等目标的虚警干扰；第二，高樁度遥感图像成本和使用限制导致的样本数据量不足；第三，特殊场景如港口、云边等的背景剔除问题难以解决。

⒊岸基局频地波雷达

高频地波雷达HFGWR利用高频电磁波（3～30MHz）沿海面绕射传播的特性，实现海上移动目标和海洋环境（风、浪、流）的大范围连续监测，已被许多国家用于专属经济区的观监测业务。

由乎能够探测到视距以外的目标，高频地波雷达也称超视距雷达。

高频地波雷达通过舰船目标的回波来探测位置和速度，通过绘制距离-多普勒图谱，从各个波束方向的R－D二维谱中监测出可能存在的目标，提取距离、速度和方向等信息，其数据处理流程包括频域数据读取、H-D图谱绘制、海杂波抑制、海上目标监测、结果检验等。

作为核心步骤的目标监测一般釆用CFAR方法，这类方法要求回波信号具有较强的信噪比，因此需要对雷达回波谱中的海杂波进行抑制处理，采取的方法有奇异值分解法和子空间法。

除了海上目标的位置和航速信息以外，高频地波赏达难以像SAR和光学图像一祥获取海上目标的特征信息，如尺寸、外形、结构等，因此较少用于海上目标的识别和分类。

但由于其具有超视距不间断监测的特性，高频地波雷达比较适合可疑海上目标的预警和跟踪。

与卫星遥感手段相比，岸基高频地波雷达建设成本较低，易于短时间内形成能力，但由宁目前用于目标探测的高频地波雷达系统多为大型阵列式，探测性能强烈依赖于天线阵列尺寸，因此为实现远距离海上目标监测需要占用大面积的场地来布设霄达天线，这给用地紧张的沿海区域带来了一定难度。

二、国内外海上目标监视监测系统

⒈国外海上目标监视监测系统

欧美各国向来熏视对自身海上态势感知能力的建设，近些年来在海上目标监视监测系统的研发和应用方面取得了显著进展，这里以加拿大为例，简要介绍国外具有代表性的海上目标监视监测系统。

⑴加拿大PE系统

加拿大国防部于2012年完成了PE（PolarEpsilon）系统的部署。

PE系统利用RADASAT-2卫息提供的SAR影像来进行海上目标探测，设计分辨率为在5级海况条件下（对应海面风速约12m/s）探测尺寸在25m上的海上目标，能够在接收影像数据15min内生成最终的标准格式报告。

为此加拿大在Halifax附近的Mssstown和Vancouer附近的Aldergrove建设了两个RADASAT-2接收站。

两个站点同时下载RADASAT-2原始数据，然后以近实时方式处理为标准影像，并通过处理工具生成标准格式报告，随后传输到分别位于Halifax和Esquimalt的两个区域联合业务中心，通过与其他传感器和设备提供的数据进行融合比对形成最终结果，为加拿大军方提供海上态势分析情报。

2013年，加拿大国防研究中心研发的SAR-AIS联合系统SAAS投入业务化使用。

SAAS能够在几分钟内生成和上传改进型的海上目标探测报告,包括AIS提供的目标身份信息和速度信息。

从在实际应用的效果来着，系统接收AIS和SAR数据的时间间隔会影响融合比对的效果，为了减少这方面的影响，PE系统使用R-2卫星和天基AIS数据的时间间隔一般在45min以内。

未来为了减小卫星重访周期的影响，PE系统拟通过实施RADASAT星座计划来提升海上目标连续观测能力。

RADASAT星座由3个小卫星组成，每个卫星同时搭载SAR和AIS传感器，以便最大限度地减少两者之间的数据时间间隔，并实现对管辖海域的每日例行监测。

⑵加拿大IMS系统

加拿大IMS系统以Raython公司与加拿大国防部联合研制的SWR-503高频地波雷达为基础，采取双基地组网技术进行布设（雷达站点分别位于加拿大东海岸的波拉维斯特角和莱斯角），用来对专属经济区内水上和低空目标进行全天候、低成本的监视监测，为海洋执法、海上安全、搜救、近海资源和环境保护等活动提供支持。

IMS系统现已发展到了第三代，主要由高频地波雷达系统、最优控制器和第三方数据3个部分组成（图2）。

图2 第三代IMS系统架构

IMS系统已被证明能够实现对专属经济区的连续实时监测，并可通过与其它系统的联动，显著提升海上巡查和应急响应的效率。

IMS系统探测精度与范围详见表3。

  表3第三代IMS系统探测精度与范围（单位：

千米）

⒉国内海上目标监视监测系统

现阶段，国内的海上目标监视监测系统多基于X波段导航雷达建设，应用在非法捕捞行为监管和渔船应急避险管理等方面，宁波市2008年建成了沿海雷达监控系统， 拥有南韭山、渔山2个雷达基站和1个监控中心。

系统监控范围以大目洋、猫头洋、渔山渔场为中心的南北80海里、东西50海里的沿海海域，数据更新频率2.5s，能够实时对渔船进行动态监控，并兼有溢油探测、浪高探测等其他功能。

该系统主要用于日常渔业安全管理和渔船紧急救助工作，同时对海洋生态和资源保护提供技术支持。

海南省与当地企业合作构建了集渔船北斗监控系统、环岛岸基貧达监控系统、渔港视频监控系统于一体的“环岛近海雷达综合监控系统。

其中，环岛岸基雷达监控系统于2017年首次应用，通过分布全岛的22个雷达监测点， 实现对近海海域的重动实时监控，提高对渔船渔港的监测力度。

福建、浙江、山东等地的渔业执法部门也计划或正在建设类似的系统。

三、建设海上目标监视监测系统的需求分析

⒈推进国家重大发展战略实施的需要

国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》中明确提出，“积极研究推动海洋综合观测网络由近岸向近海和中远海拓展，由水面向水下和海底延伸。

综合利用北斗导航、卫星、浮空平台和飞机遥感遥测系统，积极推进地面配套设施和军民融合发展，尽快形成全球服务能力”。

建设海上目标监视监测系统，将是对军事领域海上目标和态势感知能力的有力补充， 有利于加强情报支撑和态势感知能力，提升风险预警和保障能力，并将促使军民双方建立长期稳定的业务沟通渠道，有效推动＂军民融合”等发展战略落地生根。

⒉加强海洋综合管理的需要

近年来，我国海洋经济在国民经济的占比不断增大，海洋的开发利用内容和范围不断扩大，随之而来的各类违法活动诸如非法采砂、捕捞、围填海、倾倒等日渐猖獗。

根据2002～2010年的《中国海洋执法公报》数据，上述时间段内共发生海域使用违法案件17073次，海洋环境保护类违法案件5006次。

与此同时，随着国际交往的增多，周边部分国家利用商船、科考船的船载仪器设备，以贸易和科研的名义非法获取我国管辖海域的海底地形、水文气象等重要战略信息，极大地伤害了我国的海洋权益，建设海上目标监视监测系统，有利于加强我国在海域海岛管理、海洋生态保护、海洋权益维护、海上安全保障等方面的能力，提升海洋综合管理水平。

⒊丰富我国海洋观测网的需要

目前，我国已初步建成涵盖岸基的海洋观测系统、离岸海洋观测系统、大洋观测和极地观测的海洋观测网基本框架，在我国海洋防灾减灾、科学研究等领域中发挥了重要作用，但观测内容仍以温盐、水色、海流、海浪、海冰和海洋气象等海洋环境和动力要素为主，尚未开展船舶、溢油、海上平台、漂浮物等海上目标业务化监视监测工作，在海上突发事件应急、海上重大活动保障等领域的服务能力还存在短板。

建设近岸雷达目标监视监测系统是丰富我国海洋观测网的重要板块，将与水下观测信息体系一起构成全管辖海域水面和水下的三维立体监控系统。

四、总结与建议

随着海洋开发活动的不断増多，海上目标监视监测技术与业务系统在海域海岛管理、海洋生态保护、海上应急搜救等领域的应用前景广泛，加之兼具军民两用价值，因此建设海上目标监视监测系统具有重要的现实和长远意义。

⒈做好业务体系设计

广泛征求军地双方意见和服务要求，做好业务体系设计并逐步纳入我国现有的海洋观测监测网络。

研究出合军民两用的技术标准， 实现军民信息共享。

⒉科学规划站点布局

进行卫星地面接收站与地波雷达站的建设时需栗对整体布局进行科学谋划，满足实际业务中对监视监测范围、数据处理时效的要求，同时应充分利用已有的观测设备和配套设施， 避免重复建设和资源浪费。

⒊出台相应的管理制度

目前相关部门还缺少对雷达站建设、信息传输、服务推送等环节的有效监管，导致一些敏感目标随时可能处于非法站点的监控区域内。

因此应尽快出台相应的管理制度，规范海上目标监视监测行为。

⒋开展关键技术研究

研制精度更高、范围更广、体积更小的探测设备，特别是传感器等核心零部件，研究海上目标多源数据融合，提高探测和识别概率，开展海上目标大数据的挖掘分析，拓展更多的应用服务场景。