郭旭 張瀚斌 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州航標(biāo)處

雷康是RACON的中文音譯，又叫雷達(dá)應(yīng)答器，是用在航標(biāo)上面供船舶識(shí)別定位的助航設(shè)備。當(dāng)雷康收到船載雷達(dá)的脈沖信號(hào)時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)回識(shí)別信號(hào)并在船載雷達(dá)顯示器上顯示。雷康的應(yīng)答信號(hào)中包括距離、方位和識(shí)別信息。目前大多數(shù)雷康都工作在X波段，使用莫爾斯編碼進(jìn)行應(yīng)答識(shí)別。船舶駕駛員根據(jù)顯示的回波信號(hào)特征確定當(dāng)前所在位置，起到導(dǎo)航助航作用。在雷康的實(shí)際應(yīng)用中，通常標(biāo)識(shí)初見(jiàn)陸地、標(biāo)示危險(xiǎn)物、可航行區(qū)域和沒(méi)有明顯特征的海岸線等位置。

航標(biāo)管理部門(mén)對(duì)雷康的日常維護(hù)巡檢中，需要現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)記錄工作電壓、電流，發(fā)射、警戒、靜默時(shí)間，通過(guò)上述參數(shù)估測(cè)雷康工作狀態(tài)。有船舶條件時(shí)，可以利用船載雷達(dá)進(jìn)行識(shí)別碼的核對(duì)和作用距離的拉測(cè)。拉測(cè)內(nèi)容通常包括識(shí)別碼的顯示、顯示距離、保留時(shí)間、信號(hào)間隔等，并與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)。航標(biāo)維護(hù)人員隨船測(cè)試時(shí)，通常會(huì)按照航標(biāo)表中的雷康經(jīng)緯度，在約5海里遠(yuǎn)處開(kāi)始測(cè)試。測(cè)試時(shí)肉眼觀察船載雷達(dá)顯示器上的顯示內(nèi)容并記錄，直至行駛該雷康信號(hào)結(jié)束。此測(cè)試過(guò)程僅憑借肉眼觀察并手動(dòng)記錄，勞動(dòng)量大且準(zhǔn)確率不高，亟需一種自動(dòng)化的方法進(jìn)行雷康的識(shí)別與測(cè)試。基于輪廓提取模板匹配方法的雷康自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)解決了上述問(wèn)題。

1.雷康識(shí)別碼的提取與過(guò)濾

基于輪廓提取模板匹配方法的雷康自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)按照功能，可以分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入模塊、圖像提取與過(guò)濾模塊、目標(biāo)定位模塊、圖像識(shí)別模塊與數(shù)據(jù)輸出模塊。

對(duì)雷康目標(biāo)回波特征的自動(dòng)提取是雷康自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)人工觀察方法中，雷達(dá)操作手根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行目標(biāo)的搜索、測(cè)量、判別和跟蹤目標(biāo)。通過(guò)工作中的不斷積累，有經(jīng)驗(yàn)的雷達(dá)操作手對(duì)常見(jiàn)目標(biāo)的判別準(zhǔn)確率能夠達(dá)到較高水平。但經(jīng)驗(yàn)較少的操作人員判別的效率和準(zhǔn)確率則大大降低。本系統(tǒng)中基于雷康回波的圖像自動(dòng)提取，建立了判決推理規(guī)則庫(kù)模型，推理規(guī)則庫(kù)模型的參數(shù)包括目標(biāo)類(lèi)型、目標(biāo)第一次被發(fā)現(xiàn)或目標(biāo)消失時(shí)的距離、目標(biāo)大小、目標(biāo)回波幾何形狀、回波穩(wěn)定性、由于目標(biāo)材料和結(jié)構(gòu)差異而形成的不同波內(nèi)組織等。結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)，將船載雷達(dá)接收到的所有回波圖像數(shù)字化，并把回波圖像內(nèi)的所有點(diǎn)值(x,y)的像素矩陣變換為二次函數(shù)。二次函數(shù)中包含了圖像輪廓數(shù)據(jù)與輪廓內(nèi)部數(shù)據(jù)。將轉(zhuǎn)換分析后的圖像數(shù)據(jù)和判決推理規(guī)則庫(kù)內(nèi)的模型比較，從而提取出雷康識(shí)別碼回波，將其它各種類(lèi)型的回波過(guò)濾掉。

2.基于位置匹配的目標(biāo)定位

系統(tǒng)管理員會(huì)根據(jù)轄區(qū)雷康信息創(chuàng)建一份管理水域內(nèi)所有的雷康設(shè)備信息對(duì)照表。對(duì)照表屬性包括：航標(biāo)編號(hào)、雷康名稱(chēng)、位置（經(jīng)度、緯度）和識(shí)別碼信息。系統(tǒng)將識(shí)別到的雷康目標(biāo)定位時(shí)，根據(jù)中心點(diǎn)（本船）位置，計(jì)算雷達(dá)回波待匹配目標(biāo)物和中心點(diǎn)的距離d（單位：像素）和以及與正北方向的夾角θ。參照雷達(dá)顯示圖像的比例尺，計(jì)算出目標(biāo)物和中心點(diǎn)的實(shí)際距離D，從而得出目標(biāo)物的實(shí)際位置。以目標(biāo)物的經(jīng)緯度為中心和雷康設(shè)備信息對(duì)照表實(shí)時(shí)比對(duì)，半徑為100米（考慮到目標(biāo)物的漂移、圖像像素的誤差）內(nèi)有重疊的，判定該目標(biāo)物對(duì)應(yīng)的雷康。如果在信息對(duì)照表的經(jīng)緯度區(qū)間出現(xiàn)多個(gè)疑似雷康目標(biāo)物，則取相似度值較高的為最終目標(biāo)物。

3.雷康識(shí)別碼的識(shí)別

對(duì)雷康回波圖像的識(shí)別，可以使用精度高、方法簡(jiǎn)單的模板匹配方法。模板匹配技術(shù)中包含了模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。本系統(tǒng)的計(jì)算中分別采用以特征塊為基礎(chǔ)與特征加權(quán)為基礎(chǔ)的模板匹配模型，并在傳統(tǒng)模板匹配方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),使用了基于輪廓特征的模板匹配方法。

使用基于輪廓提取的模板匹配方法,其匹配特征為二值化圖像的輪廓特征。具體為使用二值圖像相似匹配距離函數(shù)進(jìn)行相似匹配。定義基于輪廓特征提取后用于二值圖像相似匹配的距離函數(shù)CSD。其定義如下:

式中S為源圖、T為模板,m、n為像素點(diǎn),i、j為參考點(diǎn),且1≤i，j≤N-M+1，M、N為像素點(diǎn)最大范圍值。R(S(m，n)，T(m，n))表示模板和源圖的相關(guān)函數(shù)，d(i，j)表示相似性,最佳匹配位置應(yīng)取:d(i＊，j＊)=max{d(i，j)|(i，j)∈P}。

此算法計(jì)算了圖像中具有相似性的點(diǎn)的個(gè)數(shù),同時(shí)引入圖像的邊界信息并避免了根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)參步驟。因?yàn)榘言紙D像和模板圖像處理為二值圖,每個(gè)參考點(diǎn)的值為0或1,那么對(duì)應(yīng)像點(diǎn)的差值絕對(duì)值為二值圖參考點(diǎn)的異或值。即:

表1 雷康基礎(chǔ)信息JSON格式

表2 雷康拉測(cè)信息JSON格式

圖1 鹽田港1號(hào)燈浮雷康測(cè)試記錄

因此當(dāng)d(i,j)等于0時(shí),兩圖像相似度為1。本文中的模板T和源圖S為大小相同的兩個(gè)圖像,即可以判定模板T和源圖S全局圖像匹配。使用該模板匹配方法，大大減少特征信息量，縮短了匹配時(shí)間,能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)處理，具有較強(qiáng)的魯棒性。

4.雷康的拉測(cè)

系統(tǒng)將雷康目標(biāo)圖像識(shí)別后，根據(jù)特征庫(kù)的模板自動(dòng)識(shí)別出該目標(biāo)雷康的識(shí)別碼，并將目標(biāo)雷康的位置、方位、距離等輸出。

5.結(jié)論

基于輪廓提取模板匹配方法的雷康自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，較好地解決了目前困擾航標(biāo)維護(hù)人員的雷康拉測(cè)的難題，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、識(shí)別率高。輸出的結(jié)果可以作為二次開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于航標(biāo)效能評(píng)估、設(shè)備測(cè)試的依據(jù)。隨著系統(tǒng)的完善，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷康設(shè)備的遠(yuǎn)程無(wú)人監(jiān)控作業(yè)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)雷康的定位狀態(tài)和應(yīng)答狀態(tài)，保證航標(biāo)效能，保障船舶的航行安全。