高频地波雷达提取表层海流的计算方法

高频地波雷达除其军事用途外，还可广泛用于海态遥感，如测量海流、风向、风速及海浪参数。本文提出了一种由高频地波雷达回波多普勒谱提取表层海流的计算方法，并对一组实验数据进行分析和计算，给出了雷达遥测海域海充场分布图。     

基于AIS信息校准的双频地波雷达的船只融合跟踪

高频地波雷达（HFSWR）和自动船只确认系统（AIS）是船只跟踪的重要传感器。高频地波雷达可以用来跟踪探测区域的所有船只,而AIS只能用来确认合作船只的信息。由于海杂波的干扰,使用单频率地波雷达的船只跟踪会淹没在布拉格峰值的盲区里,改变探测频率是克服这一缺点的有效手段。在这种背景下,我们提出一种基于AIS校准的双频雷达融合探测算法。因为不同频率的地波雷达测量与AIS的测量值存在系统误差,所以AIS信息可以用来估计和校准地波雷达的每个频率的系统误差。首先,将合作目标的点迹测量与地波雷达的点迹测量通过JVC分配算法进行点迹关联。从合作船只的点迹关联结果中,双频雷达的系统误差可以估计和校准。其次,基于校准的双频雷达数据,使用融合JPDA-UKF算法进行船只跟踪。通过真实探测的数据的实验结果显示所提算法可以实时跟踪船只,相比单频率跟踪可以进一步提高跟踪能力和跟踪精度。     

高频地波雷达反演海浪的海上对比验证方法研究

在介绍高频地波雷达反演海浪要素工作原理的基础上 ,利用 2 0 0 0年 10月在浙江舟山海域进行的 OSMAR2 0 0 0和 SZF1- 海上对比验证实验中所获取的资料进行系统比较分析 ,验证了OSMAR2 0 0 0探测海洋海浪要素的精度 ,并分析了 OSMAR2 0 0 0反演海浪时的误差成因     

基于GIS的高频地波雷达回波信号的表达处理与显示

高频地波雷达的“距离-多普勒”(Range-Doppler, R-D)数据与“恒虚警率”(Constant False-Alarm-Rate, CFAR)检测结果数据存在非直观性的问题, 本文针对此问题, 分析了地波雷达回波数据特点以及结果形式, 研究了采用地理信息系统(Geographic Information System, GIS)技术对回波数据进行显示分析, 对R-D 与CFAR 检测结果进行表达, 实现高频数据在GIS 环境下的表达处理与显示。本文采用GIS的栅格表达“距离-多普勒”数据, 采用矢量数据结构表达CFAR 检测结果, 实现了地波雷达检测信息的直观显示; 研究了高频地波雷达数据中特定距离一维谱信号的提取, 实现了基于距离值的目标CFAR 检测查询; 针对雷达数据量大、处理时间长的问题, 采用多线程处理机制实现了高效实时显示和分析。     

基于距离-多普勒谱的高频地波雷达的射频干扰抑制

提出一种高频地波雷达的射频干扰抑制方法。基于地波雷达的距离-多普勒(RD)频谱数据,分析了射频干扰特性。利用射频干扰在距离向的强相关性特征,选取RD谱中仅存在射频干扰的远距离单元数据构造自协方差矩阵,使用子空间投影方法实现射频干扰抑制。最后,对实测数据进行了处理,结果表明信噪比得到明显改善,验证了该算法的有效性。     

地波雷达海流观测数据验证的软件实现及初步分析

利用Matlab语言及其图形交互界面编程技术,将OSMAR高频地波雷达观测数据与现场测流数据的比对验证方法集成在软件中。利用该软件输入OSMAR地波雷达、海流计、ADP和美国CODAR雷达的试验海流数据得到了误差统计特征值,初步分析了不同比测站点和不同比测仪器对雷达数据验证工作的影响。     

基于PS-VF-TBD的地波雷达船只目标航迹起始方法

针对地波雷达低信噪比目标信号"闪烁"导致的航迹起始困难问题,本文提出了一种基于PS-VF-TBD的航迹起始方法.该方法综合利用了地波雷达回波谱中目标信号的展宽特征和运动特性,利用PS-VF-TBD方法对运动目标能量有效积累的特点,提高对疑似目标多帧信号间的关联概率,进而提高对真实目标的搜索概率和航迹起始成功率.通过地波...     

基于弧段检测的高频地波雷达特定目标航迹跟踪方法研究

本文对现有的高频地波雷达目标跟踪方法进行了概述,提出了一种地波雷达目标长时连续跟踪的方法,基本思想是:充分挖掘航迹弧段特征,基于特征对船只运动建模,并结合杂波背景进行融合决策。进一步,为了达到长时间连续跟踪的需求,借鉴深度学习的思想,利用新获取的弧段数据对算法估计结果不断递归校正,使得随着获取数据的增加跟踪越准确。该方法适用于杂波环境且在航道附近存在众多干扰船只的情况下对机动目标航迹的实时稳定跟踪,为高频地波雷达在复杂干扰环境下特定目标持续跟踪提供理论基础和方法指导,为充分发挥地波雷达在海上监视监测中的作用提供技术支撑。     

基于近海雷达与AIS探测目标融合算法研究

利用岸基雷达站的雷达传感器以及船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)所获取的目标信息,针对近岸海域目标密集的特点,提出了一种提高雷达与AIS信息融合精度的算法。该算法在将雷达基于站心球坐标系的位置信息转换成AIS基于WGS 84坐标系的位置信息实现空间配准、以及将AIS航迹的时间通过外推法与雷达航迹时间统一起来的基础上,首先采用目标位置及航速的欧氏距离判别法,剔除一部分不符合条件的目标数据,减少参与融合的数据量,然后进一步采用模糊数学中的柯西型隶属度函数及统计加权法对航迹相似度判断。研究结果表明,本文所提出的融合算法适用于目标较密集的近海海域。     

地波雷达目标检测跟踪联合处理粒子滤波方法

针对固定粒子数PF-TBD算法计算量大、复杂环境下地波雷达海上船只目标检测与跟踪性能不佳的问题,本文将粒子滤波方法应用于地波雷达船只目标检测与跟踪中,提出了基于自适应粒子滤波的地波雷达目标检测与跟踪联合处理方法。该方法结合地波雷达回波谱中目标展宽特性,充分利用了地波雷达回波谱中面目标的粒子权重信息来设置粒子自适应采样策略,提高了目标检测和跟踪联合处理的效果。通过地波雷达实测数据的目标跟踪结果及与同步AIS信息的比对分析,结果表明:提出的检测跟踪联合处理方法在对低信噪比、快速机动等复杂环境下的多目标跟踪时,可提高目标整体跟踪性能。     

船只目标SAR、HFSWR和AIS多手段融合探测的点迹关联分析

A space-borne synthetic aperture radar （SAR）, a high frequency surface wave radar （HFSWR）, and a ship automatic identification system （AIS） are the main remote sensors for vessel monitoring in a wide range. These three sensors have their own advantages and weaknesses, and they can complement each other in some situations. So it would improve the capability of vessel target detection to use multiple sensors including SAR, HFSWR, and A/S to identify non-cooperative vessel targets from the fusion results. During the fusion process of multiple sensors＇ detection results, point association is one of the key steps, and it can affect the accuracy of the data fusion and the efficiency of a non-cooperative target＇s recognition. This study investigated the point association analyses of vessel target detection under different conditions： space- borne SAR paired with AIS, as well as HFSWR, paired with AIS, and the characteristics of the SAR and the HFSWR and their capability of vessel target detection. Then a point association method of multiple sensors was proposed. Finally, the thresholds selection of key parameters in the points association （including range threshold, radial velocity threshold, and azimuth threshold） were investigated, and their influences on final association results were analyzed.     

A new CFAR ship target detection method in SAR imagery

Many ship target detection methods have been developed since it was verified that ship could be imaged with the space-based SAR systems. Most developed detection methods mostly emphasized ship detection rate but not computation time. By making use of the advantages of the K-distribution CFAR method and two-parameter CFAR method, a new CFAR ship target detection algorithm was proposed. In that new method, we use the K-distribution CFAR method to calculate a global threshold with a certain false-alarm rate. Then the threshold is applied to the whole SAR imagery to determine the possible ship target pixels, and a binary image is given as the preliminary result. Mathematical morphological filter are used to filter the binary image. After that step, we use the two-parameter CFAR method to detect the ship targets. In the step, the local sliding window only works in the possible ship target pixels of the SAR imagery. That step avoids the statistical calculation of the background pixels, so the method proposed can much improve the processing speed. In order to test the new method, two SAR imagery with different background were used, and the detection result shows that that method can work well in different background circumstances with high detection rate. Moreover, a synchronous ship detection experiment was carried out in Qingdao port in October 28, 2005 to verify the new method and one ENVISAT ASAR imagery was acquired to detect ship targets. It can be concluded from the experiment that the new method not only has high detection rate, but also is time-consuming, and is suitable for the operational ship detection system.     

基于AIS的船舶会遇局面紧迫度量化分析

近年来船舶大型化、高速化的发展以及数量的不断递增,导致船舶碰撞概率大大增加。为更好地保障船舶航行安全,提出船舶会遇局面紧迫度这一概念。该概念表征船舶在当前航行状态下由于一定范围内所有其他船舶的存在而处于的会遇局面的紧迫程度,其旨在帮助船舶驾驶员实时感知并掌握船舶在海上航行时所处会遇局面的状况,从而据此加以判断并及时采取措施规避碰撞风险。建立了船舶会遇局面紧迫度的计算模型,该模型以考虑到本船速度的动态圆形领域为空间约束条件,综合考虑其他船舶相对于本船的方位分布和距离这两个指标的影响,基于信息量量化紧迫度。利用2016年1月1日天津港AIS数据进行紧迫度的计算与分析,计算结果与实际相符,该计算模型能够准确反映船舶在航行过程中所处会遇局面的紧迫程度。利用双线性内插法建立天津港区域紧迫度二维彩色平面分布图,其表达效果优于传统热度图。     

A novel framework for regional collision risk identification based on AIS data

Identification of regional collision risk in water area is of significance for the safety of navigation. However, traditional risk identification models are subject to the limitations in accuracy, short-term identification and traffic characteristics. Herein, a framework was put forward to identify regional collision risk instantaneously based on AIS data. The vessels were clustered by using the spatial clustering method. Afterwards, the framework was divided into two steps. Firstly, collision risk of each cluster was obtained by collision risk and contribution of the vessels within the cluster. An analytical method was adopted to identify collision risk of each vessel from the perspective of vessel pairs. Contribution of each vessel was determined by using improved Shapley value method in game theory. Secondly, regional collision risk was obtained by collision risk and contribution of each cluster. Case studies were carried out based on the AIS data of Northern Yellow Sea in China to validate the validity of the proposed framework. The results show that the proposed framework can effectively identify collision risk in water area, presenting the potential for collision risk monitoring and collision risk analysis of water area.     

基于国产卫星 AIS数据的新冠疫情前后 南极考察活动变化研究

新冠疫情冲击下, 各国经济和安全都受到极大的考验。为了保障科考人员的安全, 许多国家缩减了南极科考的行程 和人员。本研究基于国产卫星海洋一号 、海洋二号搭载的A1s 传感器, 整理了2019 年 10 月至 2021 年 5 月南极主要科考国 家的考察船 A1s 数据, 并对比考察船轨迹变化, 分析疫情前后南极科考活动的变化情况。本研究发现了考察船前往南极通道 的新特点, 分析了各南极考察大国考察热点区域的变化, 总结了南极考察热点区域受疫情影响变化, 最后对我国南极考察提 出建议。“十四五”规划中, 深空、深地、深海和极地探测被列为科技前沿领域攻关项, 本研究通过分析各极地强国疫情前 后考察船的轨迹变化, 探索我国未来的考察发展方向, 以期助力极地事业高质量可持续发展。     

基于AIS和潮汐数据的航道水深利用状况研究——以天津港复式航道为例

为直观表征近岸航道水深利用状况,提出应用一定时间尺度内最低瞬时水深、平均瞬时水深与海图水深、海图水深和深度基准面L值之和间的差异分布,定性分析水深利用状况的方法;提出以AIS报文中船舶吃水字段与对应海图水深的比值作为量化指标,定量分析水深利用状况的方法。天津港复式航道计算实例结果表明,南北两侧小船航道水深利用程度高于主航道,且小船航道处于高的水深利用状态;主航道水深利用程度相对较高,且其具有较大的水深可利用空间。综合考虑,在疏浚任务中应侧重南侧小船航道的疏浚,以提升天津港复式航道区域的综合水深利用状况。     

基于时空约束和三角形迭代划分的渔船AIS与ARPA轨迹匹配

针对现有的轨迹相似度匹配算法用于渔船AIS (Automatic Identification System)与ARPA (Automatic Radar Plotting Aid)轨迹匹配时存在复杂度高、效率低等问题,本文提出基于时空约束和三角形迭代划分的渔船AIS与ARPA轨迹匹配算法TSC-TIP (Temporal and Spatial Constraint-Triangle Iterative Partitioning)。首先采用时空约束法筛选出ARPA目标时空约束范围内的AIS数据;其次采用三角形相似算法选择与AIS数据具有相似特征点的APRA轨迹数据;最后设计了子轨迹迭代划分法将每条轨迹划分为两条子轨迹并采用三角形相似法对子轨迹进行迭代筛选。为验证算法的性能,用渔船的真实AIS轨迹数据和ARPA轨迹数据进行了试验,结果表明：与基于经典距离的相似性度量方法相比,提出的TSC-TIP算法在不影响匹配准确率的前提下,匹配时间减少了95%。研究表明：TSC-TIP算法能有效匹配渔船AIS与ARPA轨迹数据,为面向AIS与ARPA的渔船轨迹数据融合研究提供了新思路。     

基于卫星高度计和漂流浮标数据间数学校验关系的黑潮流轴和流路主成分估计

由于卫星高度计数据分辨率高、观测范围广的特点,我们使用该数据开展了黑潮流的研究。在之前的研究中,卫星绝对地转流都被用于对黑潮流域的表层流场的时空变化特征进行研究,并采用了一些探测方法提取了黑潮流轴和流路。然而,海面绝对地转流是由绝对动力地形估计得到,应该被当做实际流场的地转分量,在实际应用中并不能代表真实流场。在本研究中,建立了气候态绝对地转流与网格平均的漂流浮标流场间的数学校验关系,以此对卫星绝对地转流场进行修正,即便这两种数据的性质存在些许偏差。因此,基于主成分探测法,修正后的卫星绝对地转流被用于探测黑潮流轴和流路。对比结果表明,由修正后的卫星地转流场探测得到的黑潮流轴和流路均要好于地转流和表层流估计结果。修正后的地转流有助于开展更加准确的黑潮流轴和流路的逐日探测。     

基于拓扑优化方法的船体支柱布局优化设计

船体支柱的布局影响到船舶功能性舱室的布置及相应的结构设计,而目前支柱布局多依赖母型船或者工程师设计经验,缺少基于数学优化的技术支撑。变密度的拓扑优化方法可将属于离散变量优化的支柱布局问题转化为连续变量优化问题。通过悬臂梁—支柱结构的算例,验证了该方法用于解决支柱布局优化问题的可行性。针对某型VLCC的支柱—大跨度甲板结构的支柱布局优化问题,根据布置限制条件设定了支柱优化设计域,选择了两种不同的优化目标函数进行支柱的布局优化设计,最后对优化结果进行了对比分析。结果表明,本方法具有较好的可行性,无需过多设计经验即可优化得到结构性能较好的支柱布局方案,可为此类的支柱布局优化设计提供技术支撑。     

基于无人船的水质监测及控制系统设计

针对执行水质监测任务过程中固定浮标监测站单点监测存在局限性、船载观测人员取样耗时耗力等问题,本文设计了一种搭载多点、分层自动采水取样装置的智能无人船水质监测系统,可实现目标水域的多点、分层连续水质数据测量及取样。该智能无人船具备基于快速随机树(Rapid Random Tree)算法的自主避障和快速路径规划功能,解决了现有无人船技术存在的多障碍自主路径规划难等问题。同时,本设计结合了ARM9控制芯片、M5310无线传输模块,通过可视化的显示界面和远程WEB访问的功能,大大提升了科研人员及时处理特殊情况便捷性。通过实验测试及比对分析,证明本设计具有智能高效、稳定可靠等优点,能够满足职能部门对于水质监测工作的需要。