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(guò)A/D轉換，利用極坐標與直角坐標變換模型和圖像匹配模型，實(shí)現雷達和電子海圖圖像的疊加。試驗結果表明，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(shí)時(shí)顯示雷達捕獲到的目標，提高對船舶周?chē)h(huán)境的監控能力。

關(guān)鍵詞：電子海圖 坐標轉換 雷達圖像 疊加方法

電子海圖系統可顯示來(lái)自系統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(jìn)行航線(xiàn)設計和航行監視。以電子海圖為航行信息核心，實(shí)現與雷達、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的發(fā)展趨勢。船載導航雷達可以測量水上目標及運動(dòng)目標的距離和方位，并可以預測和判斷運動(dòng)目標下一步的運動(dòng)態(tài)勢，對本船與周?chē)\動(dòng)目標會(huì )遇態(tài)勢下可能發(fā)生的碰撞危險進(jìn)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?chē)撵o態(tài)目標與動(dòng)態(tài)目標三者之間的位置關(guān)系。實(shí)現了雷達視頻數據的共享以及綜合航行態(tài)勢圖的實(shí)時(shí)生成和顯示，允許操作人員在同一個(gè)顯示器上觀(guān)察本船周?chē)娜繎B(tài)勢，能集中精力判斷并采取適當的行動(dòng)，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(shí)現了雷達和電子海圖圖像疊加的功能，而國內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(guò)A/D轉換、坐標系轉換和圖像處理，實(shí)現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(guò)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(xiàn)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(lái)實(shí)現圖像處理與雷達發(fā)射脈沖周期的同步[3]。通過(guò)A/D轉換模塊，把采集到的模擬信號數字化，按照方位信息對雷達目標進(jìn)行標繪，并與雷達的觸發(fā)脈沖同步，形成極坐標形式的數字化視頻信息，將其傳遞給圖像處理模塊。在圖像處理模塊中，極坐標形式的數字化視頻信息轉換為屏幕直角坐標形式的數字視頻信息，對雷達視頻圖像在比例尺和顯示方式上進(jìn)行處理，實(shí)現雷達和電子海圖圖像匹配，根據雷達收發(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雷達模擬視頻數字化模型

采集的方位信號為模擬信號，通過(guò)幅度分層和時(shí)間量化轉換為數字信號。雷達模擬視頻信號通過(guò)時(shí)間量化和幅度分層轉換為數字信號，然后存儲這些信號，利用目標回波的幅度、個(gè)數和相關(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(mén)限，累計判定設置第二檢測門(mén)限。

圖2雷達模擬視頻數字化處理框圖

時(shí)間量化即距離量化，以雷達觸發(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(mén)限V，就產(chǎn)生“1”。累計判定是一種雷達信號檢測系統，通過(guò)設定門(mén)限K，對目標回波信息進(jìn)行累計判定，確定目標有無(wú)。

(1)

式中：c-光速，c=3×108m/s。

2.2極坐標轉換為直角坐標

初步處理后的數字雷達視頻圖像是以極坐標方式進(jìn)行顯示的，通過(guò)極坐標系和屏幕直角坐標系轉換方程，處理數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換示意圖

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

(2)

其中xc，yc為顯示中心值，這樣就能實(shí)現雷達圖像和電子海圖坐標系的統一[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(diǎn)，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(jìn)行合理的比例調整，實(shí)現雷達和電子海圖圖像的比例尺匹配。

雷達的探測半徑為R，屏幕顯示區域半徑為a，則雷達圖像的比例尺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，則雷達圖像的縮放比參數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(jìn)行旋轉變換。用下面的仿射變換矩陣進(jìn)行坐標轉換[6]，對圖像進(jìn)行縮放和旋轉處理，實(shí)現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(guò)幾何變形如縮放、旋轉等，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：

旋轉的仿射矩陣T2為：，對應的坐標方程為：

3試驗及結果分析

采用上述方法進(jìn)行試驗，試驗地點(diǎn)為：天津市塘沽區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。

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(jìn)行數字化處理，得到數字化的雷達視頻信息，通過(guò)式(2)對數字化的雷達視頻進(jìn)行坐標轉換，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(lái)，圖5是模糊一片的狀態(tài)，元法對目標進(jìn)行辨識和分析。而我們通過(guò)圖6可以對船舶周?chē)沫h(huán)境一目了然，監視船舶周?chē)膭?dòng)態(tài)目標，其中E即為可以明顯分辨的動(dòng)態(tài)目標。試驗中使用的電子海圖如圖7所示，通過(guò)圖6和圖7的比對，可以分辨出圖6的A區域所掃描到的為海河大橋，而B區域為海河大橋附近的海岸線(xiàn)輪廓，C區域為海岸碼頭，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數值

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(guò)式(4)對表1參數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(guò)式(5)對雷達圖像進(jìn)行縮放和角度調整，實(shí)現雷達圖像和電子海圖的匹配。根據雷達的位置即經(jīng)緯度信息，以電子海圖為底圖，實(shí)現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(xiàn)輪廓和電子海圖是基本一致的，關(guān)于A、B和C區域的分析是吻合的，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目標對船舶運動(dòng)的影響，而運動(dòng)目標E也能實(shí)時(shí)顯示。相對于圖6和圖7而言，圖8更加直觀(guān)明確。試驗結果表明雷達和電子海圖圖像是匹配的，能夠進(jìn)一步提高駕駛員對船舶周?chē)h(huán)境的監控能力，提高船舶航行過(guò)程中的避碰能力。

4結論

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。根據雷達和電子海圖的顯示特點(diǎn)，對采集的雷達模擬視頻信號、方位信號和觸發(fā)脈沖進(jìn)行數字化、坐標轉換和圖像轉換等處理，實(shí)現雷達圖像和電子海圖的匹配，以電子海圖為底圖，實(shí)現雷達和電子海圖的疊加。試驗結果表明，較好的實(shí)現了雷達和電子海圖信息的融合，提高了駕駛員對船舶周?chē)h(huán)境的監控能力，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(jià)值。

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作者：鄧康全 于浩 竇玉寶  來(lái)源：天津航海