摘要：雷达和电子海图是船舶重要助航设备。为了提高船舶航行中的避碰能力，文章提出了一种雷达模拟视频和电子海图图像叠加方法。采集雷达的模拟视频信号、方位信号和触发脉冲，通过A/D转换，利用极坐标与直角坐标变换模型和图像匹配模型，实现雷达和电子海图图像的叠加。试验结果表明，雷达和电子海图图像叠加是辅助船舶安全航行的有效方法，电子海图的海岸轮廓和雷达扫描到的图像能够较好的匹配融合，可以在电子海图底图上实时显示雷达捕获到的目标，提高对船舶周围环境的监控能力。

关键词：电子海图 坐标转换 雷达图像 叠加方法

电子海图系统可显示来自系统电子导航海图的选定信息和导航传感器的导航信息，以辅助驾驶员进行航线设计和航行监视。以电子海图为航行信息核心，实现与雷达、GPS、计程仪、测深仪、AIS等各种设备的信息融合，是电子海图信息系统的发展趋势。船载导航雷达可以测量水上目标及运动目标的距离和方位，并可以预测和判断运动目标下一步的运动态势，对本船与周围运动目标会遇态势下可能发生的碰撞危险进行判断和评估，辅助拟定本船的最佳避让策略，从而增强避碰辅助决策能力[1]。

电子海图与雷达的匹配定位导航，可在航行水域海图信息的基础上提供本船、本船周围的静态目标与动态目标三者之间的位置关系。实现了雷达视频数据的共享以及综合航行态势图的实时生成和显示，允许操作人员在同一个显示器上观察本船周围的全部态势，能集中精力判断并采取适当的行动，可以提高船舶避碰能力，这对船舶的航行，特别是大雾天气中的近海航行具有重要的意义[2]。目前国外部分产品已经实现了雷达和电子海图图像叠加的功能，而国内在这方面的研究比较少。本文提出并试验了一种雷达模拟视频和电子海图图像叠加方法，采集雷达的模拟视频信号、触发脉冲和方位信号，通过A/D转换、坐标系转换和图像处理，实现雷达和电子海图图像的匹配，完成雷达和电子海图的叠加。

1雷达模拟信号和电子海图图像叠加

通过雷达获取三种信号：雷达模拟视频信号、方位信号和触发脉冲。雷达模拟视频信号是目标的回波信号为模拟信号；方位信号是雷达天线扫描的方位信息，为模拟信号；触发脉冲是雷达的周期频率脉冲，用来实现图像处理与雷达发射脉冲周期的同步[3]。通过A/D转换模块，把采集到的模拟信号数字化，按照方位信息对雷达目标进行标绘，并与雷达的触发脉冲同步，形成极坐标形式的数字化视频信息，将其传递给图像处理模块。在图像处理模块中，极坐标形式的数字化视频信息转换为屏幕直角坐标形式的数字视频信息，对雷达视频图像在比例尺和显示方式上进行处理，实现雷达和电子海图图像匹配，根据雷达收发机的位置信息，以电子海图为底图，完成雷达和电子海图的叠加显示，基本流程如图1。

图l雷达模拟视频与电子海图图像叠加流程图

2雷达模拟视频和电子海图图像叠加模型

2.1雷达模拟视频数字化模型

采集的方位信号为模拟信号，通过幅度分层和时间量化转换为数字信号。雷达模拟视频信号通过时间量化和幅度分层转换为数字信号，然后存储这些信号，利用目标回波的幅度、个数和相关信息做累计判定，以确定目标的有元。其中幅度分层设置第一检测门限，累计判定设置第二检测门限。

图2雷达模拟视频数字化处理框图

时间量化即距离量化，以雷达触发脉冲前沿为起点，将距离扫描的全程时间分成若干相等的时间单元，即将雷达探测的距离全程分成若干相等的距离单元△r，两者的对应关系如式(1)所示。幅度分层即幅度量化，在距离量化间隔任一处，信号幅度大于相对门限V，就产生“1”。累计判定是一种雷达信号检测系统，通过设定门限K，对目标回波信息进行累计判定，确定目标有无。

(1)

式中：c-光速，c=3×108m/s。

2.2极坐标转换为直角坐标

初步处理后的数字雷达视频图像是以极坐标方式进行显示的，通过极坐标系和屏幕直角坐标系转换方程，处理数字化的雷达视频图像，使雷达视频图像和电子海图的坐标系一致。极坐标系和屏幕直角坐标系的对应关系如图3所示。

图3极坐标系和屏幕直角坐标系转换示意图

以O′点为原点的极坐标系和以O点为原点的屏幕直角坐标系的转换关系为：

(2)

其中xc，yc为显示中心值，这样就能实现雷达图像和电子海图坐标系的统一[4]。

2.3雷达图像匹配模型

电子海图基本上具有任意缩放的特点，而雷达的量程是有限的，因此，基于电子海图的缩放变化，对雷达图像进行合理的比例调整，实现雷达和电子海图图像的比例尺匹配。

雷达的探测半径为R，屏幕显示区域半径为a，则雷达图像的比例尺l/Sr可以简单的表示为：

(3)

电子海图的原始比例尺为：1/S0，则雷达图像的缩放比参数z为[5]：

(4)

雷达和电子海图的显示方式不同，雷达存在北向上、船艏向上和航向向上等显示方式，而电子海图一般都是北向上的显示方式。因此，基于电子海图的显示方式，对雷达图像进行旋转变换。用下面的仿射变换矩阵进行坐标转换[6]，对图像进行缩放和旋转处理，实现雷达和电子海图的图像匹配。

一幅定义在直角坐标系(w，z)的图像f经过几何变形如缩放、旋转等，产生了定义在直角坐标系(x，y)上的图像g，如图4所示。

图4 图像的空间变换

(5)

缩放的仿射矩阵T1为：，对应的坐标方程为：

旋转的仿射矩阵T2为：，对应的坐标方程为：

3试验及结果分析

采用上述方法进行试验，试验地点为：天津市塘沽区交通部北海救助局天津基地。经纬度即雷达的位置为：N38°59.2807′，E117°42.874′。试验所用雷达收发机为美国SPERRY公司的RACAL-DECCA雷达，后端为自行设计的雷达模拟视频和电子海图图像叠加系统。

采集到的雷达模拟视频图像如图5所示。原始的雷达模拟视频进行数字化处理，得到数字化的雷达视频信息，通过式(2)对数字化的雷达视频进行坐标转换，得到了如图6所示的雷达视频图像。由图5和图6的比较可以看出来，图5是模糊一片的状态，元法对目标进行辨识和分析。而我们通过图6可以对船舶周围的环境一目了然，监视船舶周围的动态目标，其中E即为可以明显分辨的动态目标。试验中使用的电子海图如图7所示，通过图6和图7的比对，可以分辨出图6的A区域所扫描到的为海河大桥，而B区域为海河大桥附近的海岸线轮廓，C区域为海岸码头，具有较多的目标存在，雷达和电子海图图像叠加后，这些区域应该是匹配的。

图5 采集的原始视频图像

图6 处理后的雷达图像

图7 电子海图

表1雷达视频和电子海图初始参数数值

由表1可以看出雷达和电子海图在显示方式和相应的比例尺上存在差异，基于电子海图的比例尺，通过式(4)对表1参数的解算求得雷达图像的缩放比为 1.089。雷达图像和电子海图的显示方法不同，通过式(5)对雷达图像进行缩放和角度调整，实现雷达图像和电子海图的匹配。根据雷达的位置即经纬度信息，以电子海图为底图，实现雷达图像和电子海图的叠加，如图8所示。

图8图像叠加效果图

从图8可以看出，雷达扫描到的目标及海岸线轮廓和电子海图是基本一致的，关于A、B和C区域的分析是吻合的，由于航海雷达对于陆地目标的探测能力较差，所以D区域附近的杂波比较多，可以以电子海图为参考，在航行过程中不考虑这部分雷达目标对船舶运动的影响，而运动目标E也能实时显示。相对于图6和图7而言，图8更加直观明确。试验结果表明雷达和电子海图图像是匹配的，能够进一步提高驾驶员对船舶周围环境的监控能力，提高船舶航行过程中的避碰能力。

4结论

本文提出并试验了一种雷达模拟视频和电子海图图像叠加的方法。根据雷达和电子海图的显示特点，对采集的雷达模拟视频信号、方位信号和触发脉冲进行数字化、坐标转换和图像转换等处理，实现雷达图像和电子海图的匹配，以电子海图为底图，实现雷达和电子海图的叠加。试验结果表明，较好的实现了雷达和电子海图信息的融合，提高了驾驶员对船舶周围环境的监控能力，本文提出的雷达模拟视频和电子海图图像叠加方法是可行的，对于船舶安全航行具有一定的应用价值。

参考文献

[1]Lavender，S．Electronic chart systems - A bonus or a curse [J]．The Hydrographic Journal，2001，102，39-52

[2]Bohdan Pillich，Gert Buttgenbach．ECIDS - the intelligent heart of the hazard and collision avoidance system [J]．Intelligent Transportation System，200l，1116-1119

[3]Geraldin A．Rolfe．Radar Image Overlay On An ECDIS System-An Overview [J].Position Location and Navigation Sysposium，1996．130-136

[4]Nickolai Kolev，Chavdar Alexandrov，Ancho Draganov．Superim-position of Radar Images on Electronic Chart Display [J]．Dep．of Radar and Acoustic Engineering．1996，2：1945-1948

[5]徐关勇，曹万华．电子海图与雷达图像及目标的精确叠加显示研究[C]//．电子技术学术委员会．电子技术学术论文集．2006，328-331

[6]J．L．Leva．Recursive Estimation of Radar Biases Using Electronic Charts [J]．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems．2004．40：725-734

作者：邓康全 于浩 窦玉宝  来源：天津航海