趙 勇，吳 剛

(1.公安部邊防管理局， 北京100062； 2.南京電子技術(shù)研究所，南京210039)

0 引言

邊境安全是國(guó)家防務(wù)的一個(gè)重要組成部分，是維護(hù)國(guó)家安全和領(lǐng)土完整的第一道防線。邊境安全系統(tǒng)集監(jiān)視和指揮控制于一體，通過障礙設(shè)施和傳感器的配置集成，實(shí)施穿越阻滯，提供邊境監(jiān)視、威脅早期預(yù)警、探測(cè)跟蹤、目標(biāo)識(shí)別、事件分類、入侵阻截和威脅響應(yīng)的整體解決方案。

沿海邊防可視化管控系統(tǒng)為邊境安全服務(wù)，通過將原單一的雷達(dá)探測(cè)手段與其他各類傳感器信息的有效接入、深度融合，構(gòu)建多種類、多數(shù)量復(fù)合型傳感器感知系統(tǒng)，對(duì)通過敏感重要沿海邊防轄區(qū)、重要出入通道的船只進(jìn)行監(jiān)視、識(shí)別和辨認(rèn)，按威脅度進(jìn)行分級(jí)、分類，實(shí)時(shí)預(yù)警、報(bào)警，為邊境海防業(yè)務(wù)工作提供可視、可控、智能的全面感知和監(jiān)控預(yù)警支持。

1 沿海可視化智能管控系統(tǒng)

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)由部署在前端的監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感子系統(tǒng)、情報(bào)處理子系統(tǒng)和部署在指揮中心的智能管控軟件子系統(tǒng)組成。

傳感子系統(tǒng)包括雷達(dá)探測(cè)設(shè)備、智能化光紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、AIS、GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端等傳感器設(shè)備。

情報(bào)處理子系統(tǒng)通過接入監(jiān)測(cè)點(diǎn)已配置的各類傳感器，全天候不間斷對(duì)所轄海域的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，提供系統(tǒng)海面目標(biāo)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)海面異常目標(biāo)信息。智能管控軟件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)情報(bào)收集、分發(fā)，多傳感器(雷達(dá)、光電、AIS、GPS)的情報(bào)融合;實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)分析;完成對(duì)各類傳感器的指揮控制和協(xié)同探測(cè);同時(shí)提供基于GIS海圖態(tài)勢(shì)顯示的良好工作界面［1］。

系統(tǒng)組成示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意

1.1 主要任務(wù)

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)的主要任務(wù)包括:

1)海情監(jiān)控

通過有效協(xié)同雷達(dá)、光學(xué)成像設(shè)備信息，探測(cè)監(jiān)控管轄海域的艦艇、船只目標(biāo)活動(dòng)情況，提供用戶基于海圖平臺(tái)上的海情態(tài)勢(shì)信息。

2)協(xié)同探測(cè)

雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)與紅外、可見光探測(cè)設(shè)備協(xié)同工作，集成AIS/GPS/北斗信息應(yīng)用，形成綜合態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤和對(duì)目標(biāo)屬性的多重驗(yàn)證識(shí)別。

3)觀察取證

針對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)發(fā)生的各類事件和執(zhí)法行為實(shí)施視頻、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)取證，實(shí)現(xiàn)圖像、光學(xué)視頻和紅外視頻的錄像取證，并對(duì)視頻信息進(jìn)行存儲(chǔ)處理。

4)任務(wù)管理

實(shí)現(xiàn)多層級(jí)之間信息互通、接收和處理指控命令。

5)信息共享

將雷達(dá)點(diǎn)位信息、視頻圖像信息及狀態(tài)信息等逐級(jí)上報(bào)上級(jí)監(jiān)測(cè)中心和通過IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的共享能力。

1.2 工作流程

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)情報(bào)收集、分發(fā)，多傳感器(雷達(dá)、光電、AIS、GPS)的情報(bào)融合;實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)分析;完成對(duì)各類傳感器的指揮控制和協(xié)同探測(cè);提供基于海圖態(tài)勢(shì)顯示的良好工作界面。

其系統(tǒng)工作流程如下:

1)接收雷達(dá)目標(biāo)信息、AIS/GPS/北斗信息，并形成共享海域態(tài)勢(shì)情報(bào)。同時(shí)，光電傳感子系統(tǒng)將獲取的圖像及視頻信息傳輸給系統(tǒng)的信息處理終端，由終端內(nèi)的相應(yīng)軟件進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與顯示。同時(shí)，光電傳感器的云臺(tái)接受系統(tǒng)的控制指令，做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作。

2)多傳感器情報(bào)處理子系統(tǒng)將獲取的目標(biāo)點(diǎn)位信息傳輸給系統(tǒng)的信息處理終端，由終端內(nèi)的智能管控軟件子系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與顯示。同時(shí)，雷達(dá)伺服機(jī)構(gòu)云臺(tái)接受系統(tǒng)的控制指令，做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作。

雷達(dá)傳感器具有作用距離遠(yuǎn)和全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，對(duì)水面艦船目標(biāo)的探測(cè)主要通過雷達(dá)來早期發(fā)現(xiàn)、跟蹤和預(yù)警，在光電技術(shù)、AIS技術(shù)等技術(shù)手段的支持下，通過配置智能化光紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)對(duì)海域目標(biāo)進(jìn)行可視化監(jiān)視、跟蹤和識(shí)別，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像。尤其采用紅外熱像儀可以在黑暗和復(fù)雜天氣條件下，透過塵、霧和煙等障礙影響，對(duì)海岸邊境目標(biāo)進(jìn)行可視化監(jiān)視、跟蹤和識(shí)別，可進(jìn)一步提高發(fā)現(xiàn)概率和識(shí)別能力［3］。

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)控中心的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的信息互聯(lián)互通，具體內(nèi)部信息關(guān)系如圖2所示。

基于雷達(dá)探測(cè)的沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)涉及多項(xiàng)重要技術(shù)，包括雷達(dá)目標(biāo)信息處理、GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)和異類傳感器數(shù)據(jù)分析等，其中，異類多傳感器信息融合、多傳感器指揮協(xié)同探測(cè)和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的解決實(shí)現(xiàn)尤為重要。

圖2 系統(tǒng)信息關(guān)系示意

2 異類多傳感器信息融合技術(shù)

異類多傳感器信息融合是指對(duì)不同知識(shí)源和多個(gè)異類傳感器所獲得的信息進(jìn)行綜合處理，消除異類傳感器信息之間存在的冗余和矛盾，利用信息互補(bǔ)，提高系統(tǒng)可靠性和分辨率，擴(kuò)展空間觀測(cè)范圍，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信任度。

在該系統(tǒng)中，主要的目標(biāo)信息來自雷達(dá)探測(cè)、AIS獲取和紅外成像點(diǎn)目標(biāo)信息生成，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是數(shù)據(jù)融合中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其中多假設(shè)跟蹤算法被認(rèn)為是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的最優(yōu)方法，采用了基于MHT算法的點(diǎn)跡融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的數(shù)據(jù)融合［2］。

其流程圖如圖3所示。

圖3 MHT算法實(shí)施流程圖

基于MHT算法的點(diǎn)跡融合技術(shù)說明如下:

1)航跡粗相關(guān)通過對(duì)某一時(shí)刻AIS或紅外目標(biāo)點(diǎn)位信息與雷達(dá)采樣信息狀態(tài)誤差估計(jì)，并與閾值進(jìn)行比較得到一組或幾組判定為可能關(guān)聯(lián)的航跡信息，如下式描述

式(1)為誤差估算方程，式(2)為閾值方程。Gc在平穩(wěn)狀態(tài)下取值為3，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下取值為5，當(dāng)估算誤差滿足|uab(1，t)|＜e1∩|uab(2，t)|＜e2∩…|uab(n，t)|＜en時(shí)，可以說明兩組信息在此時(shí)刻是關(guān)聯(lián)的。

式中:{^xi，j表示有可行航跡 ζj濾波形成的集合;ζj、Si分別表示對(duì)應(yīng)時(shí)刻的量測(cè)殘差(新息)和殘差協(xié)方差陣。V表示監(jiān)視區(qū)域的體積。

2)航跡聚類。分別將粗關(guān)聯(lián)上的單雷達(dá)量測(cè)與以前的歷史假設(shè)(分組)進(jìn)行互聯(lián)，形成新的組。如果上輪中出現(xiàn)兩個(gè)相互獨(dú)立的組共享了共同量測(cè)，則將此兩個(gè)組合并成一個(gè)組，同時(shí)作相應(yīng)組的合并和拆分，以達(dá)到各個(gè)組之間無共享量測(cè)，組內(nèi)部的系統(tǒng)航跡間必有直接或間接的共享量測(cè)關(guān)系。對(duì)于和其他組都無共享量測(cè)的航跡生成新的組。

3)假設(shè)生成和裁剪。生成假設(shè)是MHT算法的核心，對(duì)于每個(gè)形成的假設(shè)必須滿足如下條件:(1)每個(gè)量測(cè)要么僅包含在一條航跡中要么屬于一個(gè)虛警;(2)每條航跡要么有且僅有一個(gè)新量測(cè)，要么沒有量測(cè)更新。在形成假設(shè)的同時(shí)完成假設(shè)分?jǐn)?shù)的計(jì)算，假設(shè)分?jǐn)?shù)是組成假設(shè)的各航跡的分?jǐn)?shù)總和。

4)航跡更新與合并。對(duì)由前期處理得出的系統(tǒng)航跡和單站點(diǎn)、航跡的一對(duì)一匹配關(guān)系，由航跡優(yōu)化模塊對(duì)該系統(tǒng)航跡作平滑優(yōu)化處理。對(duì)那些共享量測(cè)與類型狀態(tài)向量的航跡作合并處理，一旦兩條航跡被認(rèn)為是相似的，則具有更高后驗(yàn)概率的航跡被保留，另一條航跡被刪除。

3 多傳感器指揮協(xié)同探測(cè)

系統(tǒng)中同時(shí)應(yīng)用多種雷達(dá)傳感器、光電傳感器、輔助類傳感器及多傳感器綜合探測(cè)平臺(tái)。各種傳感器應(yīng)用氣候環(huán)境、作用距離、目標(biāo)識(shí)別能力均不同，需要多種傳感器協(xié)同工作。多傳感器協(xié)同探測(cè)包括不同種類傳感器的接力和不同站點(diǎn)同種傳感器的探測(cè)接力。

通過建立所有監(jiān)控中心和監(jiān)控站以及傳感器位置信息數(shù)據(jù)庫，根據(jù)各類傳感器探測(cè)距離建立協(xié)同接力策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器自動(dòng)化管理系統(tǒng)，并借鑒已有自動(dòng)跟蹤技術(shù)，經(jīng)過改良應(yīng)用在光學(xué)傳感器上，結(jié)合已開發(fā)系統(tǒng)對(duì)時(shí)軟件和誤差補(bǔ)償算法，從而實(shí)現(xiàn)和完善多傳感器指揮協(xié)同探測(cè)技術(shù)能力。

4 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)

通過以雷達(dá)為主導(dǎo)的復(fù)合監(jiān)視識(shí)別技術(shù)研究和紅外可見光跟蹤和目標(biāo)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)ATR，結(jié)合目標(biāo)本身的姿態(tài)變化、缺省、遮擋以及目標(biāo)所處背景的復(fù)雜性，有針對(duì)復(fù)雜海洋背景和天氣狀況下的檢測(cè)、分類和識(shí)別目標(biāo)的能力。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)基于雷達(dá)探測(cè)的沿海邊防可視化管控系統(tǒng)，提供了該類型系統(tǒng)組成、能力、工作流程和相關(guān)技術(shù)解決方案，特別對(duì)基于雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)手段結(jié)合光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化目標(biāo)管控提供了技術(shù)解決思路，對(duì)今后在實(shí)際應(yīng)用中如何提高可視化系統(tǒng)效能將提供一定的幫助。

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