陰啟玉 韓昱

0 引言

無人艇(USV,Unmanned Surface Vehicles)的發(fā)展歷史最早可追溯到1898年,當時著名的發(fā)明家尼古拉·特拉斯發(fā)明了名為“無線機器人”的遙控艇.它在二戰(zhàn)時期首次被應用于實戰(zhàn),主要用以清除破浪帶的水雷和障礙物.之后其應用模式不斷拓展,被應用于取樣、欺騙、評估、掃雷、自殺撞擊等領域.因受限于技術水平發(fā)展,它們均采用遙控或預設航路的方式.美國海軍從20世紀90年代開始研究無人水面艇[1].2007年,美國海軍發(fā)布《海軍無人水面艇主計劃》,為無人水面艇賦予了7項任務(反水雷戰(zhàn)(MCM)、反潛作戰(zhàn)(ASW)、海上安全(MS)、水面作戰(zhàn)(SUW)、支持特種部隊作戰(zhàn)(SOF)、電子戰(zhàn)(EW)、支持海上攔截作戰(zhàn)(MIO)),同時還界定了無人水面艇的船型、尺寸和標準等要素,標志著美國無人水面艇的發(fā)展走上正規(guī)[1].近年來,隨著機器學習等人工智能技術的發(fā)展及在無人艇領域的應用,無人艇逐漸實現自主化和智能化,可以自主組織傳感器進行周邊態(tài)勢感知、智能化態(tài)勢分析和行動決策,自主任務執(zhí)行和航行避碰,逐漸擺脫人的參與,能夠長周期自主執(zhí)行任務,從而為軍事應用打開了廣闊的前景.以色列的“保護者”是世界第一型察打一體無人艇,配備有機槍或艦炮、自動榴彈發(fā)射器和小型導彈.美國是無人艇裝備類型和數量最多、技術最先進的國家,最近發(fā)布的“海上獵人”無人艇主要用于偵察和跟蹤潛艇,能獨立持續(xù)工作2～3個月.俄羅斯、日本、德國等國家投入了大量人力物力推進自主無人艇項目,我國也緊隨其后,加快了無人艇的技術研究[2].2017年7月,國務院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，將指揮決策、軍事推演及裝備研制的智能化統(tǒng)籌納入軍民融合建設格局,催生了智能無人作戰(zhàn)系統(tǒng).我國軍用無人艇還處于起步階段[3].最近報道的我國JARI-USV多功能無人作戰(zhàn)艇集成了最小的相控陣雷達,首次裝備垂發(fā)導彈,具備對空、對海和反潛作戰(zhàn)能力,它以其載荷模塊化、決策智能化、控制自動化、航行自主化等特點令人矚目.

雷達具有探測距離遠、不受天氣影響、探測精度高等特點,是現代作戰(zhàn)艦艇必備傳感器之一,是保障船舶航行安全,目標搜索、定位的重要設備[4]．隨著雷達信號處理技術的發(fā)展,已能實現對目標的自動建航和跟蹤,但高漏情和誤警仍然是現代雷達無法避免的問題.因此，需向用戶實時顯示雷達原始視頻,以便環(huán)境監(jiān)視和信息處理過程干預．根據雷達視頻,船舶駕駛員可以實時掌握本船周圍的態(tài)勢,作出相應的決策,進而保障船舶航行安全,作戰(zhàn)指揮員可以根據雷達視頻發(fā)現并確認目標,人工或自動建立目標航跡,供武器打擊使用．對無人作戰(zhàn)艇而言,導航雷達視頻具有同等重要性,如何將無人艇雷達載荷生成的視頻信息通過通信系統(tǒng)完整、低時延地傳輸到岸基控制站并顯示,是無人作戰(zhàn)艇指揮控制系統(tǒng)必須解決的問題.

無人艇雷達載荷為有源探測傳感器,主動發(fā)射電磁波,接收目標散射或反射的電磁波,進行信號處理后輸出該方位目標回波信息,一個天線周期輸出2 048線視頻信息,數據量約4 MB．若不加處理直接傳輸,將極大地占用岸艇無線信道資源,影響其他重要信息的傳輸[5].為減少雷達視頻對帶寬的持續(xù)占用,降低視頻數據傳輸時延,本文設計了雷達視頻數據傳輸流程.如圖1所示,其中視頻編碼壓縮模塊主要提取視頻有效數據進行重新編碼,岸端處理主要接收視頻編碼數據進行視頻可視化繪制[6].本文主要針對無人艇雷達載荷構建了雷達視頻數字化表示方法、編碼壓縮算法和解析顯示算法.

1 視頻壓縮方法

視頻壓縮可分為有損壓縮和無損壓縮.一般而言,有損壓縮通過犧牲圖像細節(jié)而提升壓縮比,通常得到原始數據的近似數據;而無損壓縮則注重數據的可復原性,壓縮率一般較低．無人艇雷達視頻是提供岸基操作人員對自動建航、自主跟蹤時的虛情、漏情的補充處理和確認,需在盡可能小時延的情況下完整復原無人艇雷達視頻細節(jié),從而需要選用無損壓縮算法.

從國內外無損壓縮技術研究看,無損壓縮大致可分為基于變換的方法和基于預測的方法,主要有JBIG[7]、JPEG-LS[8]中基于MED預測的LOCO-I算法、基于小波變換的JPEG2000[9]、基于上下文預測編碼CALIC[10]和微軟的JPEG-XR[11]等.通過分析上述壓縮算法,圖像壓縮基本可分為三個步驟,即去相關、量化、熵編碼,三步相互聯系又互相制約,進而構成不同壓縮方法達到不同的壓縮效果[12-13]．本項目雷達采用邊探測邊發(fā)送回波的模式,圖像數據是離散發(fā)送,如果采用上述壓縮算法,需先緩存一個天線周期的圖像數據,再構建圖像,進而壓縮處理,該方式勢必增加處理時間和等待時間,增加圖像時延．本文主要構建一種邊接收邊處理的壓縮編碼算法,滿足無人艇雷達視頻圖像完整、低帶寬占用、低時延的傳輸和顯示需求.

2 雷達視頻數字化

雷達回波是由雷達波照射到物體表面反射到雷達接收機,經信號處理后得到的信息.通過回波,可以得到目標相對于本艇的方位、距離信息.回波點的灰度值表示回波的強弱．受雷達探測原理的啟發(fā),雷達視頻可視作由致密射線組成,進而實現雷達視頻的去相關、數字化、離散化．雷達探測時,接收到回波信號后,進行恒虛警和去噪等預處理后立即向外部系統(tǒng)輸出方位區(qū)間內的回波信息,較有人值守雷達節(jié)約了雷達圖像構建與顯示處理時間．故雷達視頻數字化可采用以本艇為中心的射線表示某個方位的視頻數據,即第i個方位的視頻Vi表示為

Vi=(Ai,Hi,Pi0,Pi1,Pi2,…,Pin),

其中i表示視頻方位編號,Ai=δ×i為雷達方位分辨率與方位編號的乘積,Hi為實時艏向,Pij表示i方位上第j處的回波強度,用4 bit表示回波強度,范圍為[0,15],15表示回波最強,n為方位采樣點數．因此一個回波射線數據長度為:(n/2+4) B.

進而雷達視頻可數字化表示為

其中m為雷達視頻方位線總數.數字化后,單幀視頻大小為m(n/2+4) B.

針對無人艇選用的雷達載荷,n=1 023,m=2 047,雷達掃描一周產生的視頻信息經數字化后大小約為1 MB,相對于原始4 MB每幀的圖像來說,已有約75%的壓縮量.

3 視頻壓縮與編碼

無人艇雷達載荷的使用場景主要用于海面目標的探測和定位,雷達視頻圖像主要是以海面回波為背景,疊加少量高灰度值的真實目標回波信號,海面回波的灰度值大部分集中于0灰度值附近,從而,數字化視頻V可視作一個稀疏矩陣,若直接傳輸將持續(xù)占用超過1 MB的無線信道資源,而其中絕大部分為0灰度值的無效信息,造成有限信道資源的極大浪費.

通過上述分析,針對單幀雷達視頻設計一種輕量級可逆的數據壓縮編碼算法,提取V中有效數據進行編碼壓縮并組包傳輸,處理流程如圖2所示．算法需適用于在時間尺度上離散接收的視頻線,盡可能地減少無效數據,處理時延低,數據可完全復原.

有效數據提取處理流程如下:

1)將視頻線轉換到大地穩(wěn)定坐標系：

2)遍歷回波數據,提取并組合相鄰兩個回波數據:

δ為回波閾值,用于海面回波抑制.

3)提取有效數據并編碼:

Pj=[j,Wj],Wj≠φ.

4)方位i的雷達回波壓縮后為

m為方位i上有效數據對個數．m=0時,V′i=φ.

如圖3所示為采集的雷達載荷視頻數據節(jié)選,視頻數據范圍為Pi0到Pi511,有效數據占比17.58%,選取回波閾值δ=0.圖4為編碼壓縮后數據,節(jié)約數據量的69.14%．編碼壓縮過程中,動態(tài)監(jiān)視壓縮率,當壓縮率低時,可調整δ.

發(fā)送條件設置為

其中，L為有效數據長度.當L+l(V′i)≥ψ或i=m時,發(fā)送數據[V′j,V′j+1…,V′n],其中V′i≠φ．ψ與無線通信系統(tǒng)特性有關,為可發(fā)送單包數據最大長度.

4 視頻繪制顯示

在無人艇岸基控制站,雷達視頻采用相對位置的方式在1 024×1 024區(qū)域進行繪制,視頻中心為(x,y),定義每個回波為一個控件:Ii=[xi,yi,gi],其中xi,yi表示回波點相對于中心點的位置,gi表示回波強度.

當前探測量程為R,顯示量程為R′,則:

gi為t個更新周期的回波強度平均值,t可調.

視頻繪制時,用xi,yi定位回波位置,gi為該位置回波點的亮度,通過該方式繪制的回波不連續(xù),由離散點組成,在視覺效果上不夠美觀,對目標回波顯示也不夠明顯,需要進一步修正繪制要素,根據回波點與中心點的偏離值,設置回波點膨脹系數,如圖5所示.

在繪制回波點時,采用半徑為θ個像素的填充圓標示,增強了回波的連續(xù)性,提升了顯示效果.

5 應用效果

該技術已應用于某型無人艇控制系統(tǒng)中,用于傳輸導航雷達、相控陣雷達和聲納等視頻信息至岸基控制站并顯示,取δ=0,數字編碼后圖像原始數據為1 MB．本文定義回波占比為有效數據占原始數據的百分比,定義壓縮比為壓縮前后的數據量比值,壓縮比越大,效果越好．通過調節(jié)雷達雜波抑制,控制回波占比,測試壓縮比．時延主要由兩部分組成,分別是艇端的收集、編碼、壓縮處理時延和岸端的解碼顯示時延,其中處理時延為一個天線周期處理耗時總和,不含等待時間，顯示時延為一幀圖像解碼并轉換為顯示數據的處理耗時總和,不含等待時間,顯示刷新采用周期刷新的模式．測試結果如表1所示.

表1 不同回波占比情況下的壓縮比及時延測試結果Table 1 Test results of compression ratio and time delay under different radar echo wave ratios

從表1數據可以發(fā)現,當回波占比達到約75%時,編碼壓縮輸出數據開始膨脹.為保證壓縮效果,當壓縮比低于2時,通過改變δ,過濾低灰度值數據,可有效避免數據膨脹現象．在壓縮比大于2時,可保證對視頻編碼壓縮和解碼轉換顯示時延在2 ms以內．排除通信系統(tǒng)誤碼影響,算法可保證視頻數據還原率100%．在無人艇控制系統(tǒng)實際顯示效果如圖6所示,可有效復原艇載雷達回波,支持操作人員在岸基控制站完成無人艇航行監(jiān)視和目標確認.

6 結束語

本文針對無人艇雷達載荷視頻傳輸需求,設計了一種數據編碼壓縮算法和顯示方法．該算法通過閾值控制視頻壓縮比,采用移動平均消除無線傳輸丟包對顯示效果的影響,保證了雷達視頻數據的低時延無損壓縮,有效降低了雷達視頻傳輸對無線鏈路帶寬的占用．使用效果表明,無人艇岸基控制站雷達視頻顯示完整、刷新流暢,能夠支持岸基控制站操作人員基于雷達視頻的操作和應用.