船舶交通管理系统VTS4(130823)

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）≤0.088º（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：±15m或±0.1%；测方位：±0.25º（2）运动数据航速：±10%或0.25kn；航向：±1.5º；CPA：0.1nmile；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Rd1Rd2Rd3LAN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3~4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）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SystemtracksActionsontracksAlarms报警记录I/FMgt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RS232（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VHFDF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：75Ω；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：75Ω。3）方位信号：增量脉冲（TTL/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A/D视频屏蔽合并÷266MHz/75MHz/80MHz采样时钟模拟视频8bit波束宽度脉冲宽度量程数字视频杂波处理目标检测合并与数据格式化地图数据式中，ΔR为距离量化单元，R为距离，Δθ为方位量化单元。例如，ΔR=2.25m，Δθ=0.044˚180RRΔRΔθ雷达探测范围的距离量化单元和方位量化单元R)m(044.0180m52.22RS四、杂波抑制处理1、STC处理-0.500.000.501.001.502.002.503.003.50-97622213805396988571016117513341493165218111970212922882447260627652924308332423401356037193878403741964355STC曲线1STC曲线2)(/)()(tLtutustcio)()()(tLtutustciorangeSTCgain100%800m40000m90%70%2000m2、OTC处理0)()(,00)()()()()(tOtutOtutOtutuOTCiOTCiOTCio，)()()(tOtutuOTCiorangeOTC255800m502000m30100m3、恒虚警处理-0.500.000.501.001.502.002.503.003.50-976222138053969885710161175133414931652181119702129228824472606276529243083324234013560371938784037419643550.000.200.400.600.801.001.201.40-97622213805396988571016117513341493165218111970212922882447260627652924308332423401356037193878403741964355)()()(tktutuio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/2CFAR处理器y门限判决-取大值GO-CFAR；取小值SO-CFAR；取秩值OS-CFAR；greatestofCFARsmallestofCFARorder-statisticsCFAREXCACFARdiscardslargesamplesexceedingthepredeterminedexcisionthreshold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)0200400600800100000.10.20.30.40.50.60.70.8参考单元数：16雷达回波参考单元均值电平均值以上的回波幅值0200400600800100000.10.20.30.40.50.60.70.8参考单元数：64雷达回波参考单元均值电平均值以上的回波幅值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16~20之间选取）。0200400600800100000.10.20.30.40.50.60.70.8参考单元数：16雷达回波参考单元均值电平均值以上的回波幅值C-FAR有如下处理方式：E=E0+½(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+½(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)=IfA=E，ThenA，Else0偏置处理:C-FAR(A)=IfA=E，ThenA–E，Else0这里，A为雷达视频信号幅度。式中，A(ρ,φ)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；F*most为A(ρ,φ)的动态偏移量，取决于雷达视频峰峰值；Cost(ρ,φ)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)。φ-1φ+1φρ+3ρΡ-4),(),(),(ostosthCmFAT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：是减少信息的重复，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4.5×4=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）均值准则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。字节数数据内容和长度1距离（range，lowbyte）2距离（range，highbyte），视频幅度（amplitude,4bit）3方位（azimuthbyte[方位合并尺度]）4方位（azimuth,higher5bit）5距离尺度（rangesizebyte[2.25m]）,方位尺度（azimuthsizebyte[0.044deg]）6ID（高字节）7ID（低字节）六、原始数字视频在网上发送*数字视频通过数字化单元的CPU组织成目标报告电文，通过一定的通信协议（如UDP/IP）格式送往系统局域网。雷达站的识别通过目标报告电文中数字化单元的识别码实现。在数字化单元，为了防止数据流量超限，应包含有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