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基于激光雷达成像和目标追踪技术

以提高安全性和效率为目的的

短距离船舶导航系统

摘要 本文介绍了一种新型的基于激光测距扫描仪的海上导航系统，该系统的目的是为了避障和精确操纵。这项工作的主要新颖之处在于将已知的激光测距和目标追踪算法技术适应和实施到一个已在不同的自然海和内地的导航场景中测试过的实际运作的系统。本文详细描述了该系统的主要组成部分，即：1）激光测距仪，2）扫描单元，3）数据处理及显示单元。作为图像捕捉相关特写和快速框架构建之间的折衷方案，激光雷达图像看起来水平密集垂直稀疏。图像会经过加工以去除范围内的异常值，而且显著可观察到的样本也会被选取出来。多目标追踪问题通过采用对每个检测到的观察值进行连续追踪的鲁棒卡尔曼滤波技术得到了解决。我们尽量减少不可靠的追踪初始值并对暂时误测的删除保持追踪。这个系统在公海和内河航道的评估结果良好，使该系统适用于精确控制，流畅导航，以及事故缓解。对于重要的对象，从小船到大船，都会进行检测和鲁棒追踪；码头和闸室草图是可靠的；桥高度估计是精确的；狭窄的航道（河两岸和桥柱）也会被正确检测到。传统的基于雷达的技术在精确的短距离的探索无法完全有效，而这个开发原型可以看做这项技术非常有价值的补充装置，以此来提高船舶作业效率和安全性。

关键词 高效智能导航，图像处理和去噪，整合全球定位系统（GPS）/电子海图显示与信息系统（ECDIS），激光探测和测距（LADAR），卡尔曼滤波，海运和内河航运，多目标追踪（MTT），观察追踪结合，安全和碰撞规避。

1. 引言

现代船舶配备先进的助航设备，这些设备主要是致力于船舶定位，高效通讯，与环境探索。定位装置确定船舶在地图上的位置和方向，它们包括全球定位系统（GPS）、远距离无线电导航系统、和电子海图显示与信息系统（ECDIS）。通讯系统比如全球海上遇险和安全系统（GMDSS）或自动识别系统（AIS）在与船舶交通管理系统（VTS）或与其他相邻的船只进行沟通时是有用的。探测设备，如无线电探测和测距（雷达）和测深仪用于探测船的周围。

如今，在船舶密度高的港口，船舶协调是通过VTS管理，它分配给每个船一段时隙并给予安全航行的指导。然而，在某些情况下，计划之外或未经许可的到港船可以进入VTS无线电控制区，在种情况下现有的辅助设备可能无法有效避免碰撞。在内河航道（河流和运河）中，那些在狭窄且被许多小实体环绕的通道中航行的船舶的密度，和执行不同策略的需求，创造了一个危险的、海上雷达无法探测意外和碰撞的场景。

安全和效率问题出现在许多精确航行操作中，比如进入/离开港口，海上作业中的码头靠泊/清空，在狭窄通道中超过慢船，从桥梁的柱子间穿过，从一座临界高度的桥下通过，快速进入/离开闸室，或与其他船只耦合。图1对这些情况进行了插图说明。这些操作进行的缓慢而低效，同时船员还要密切监督以避免碰撞。

1. 进入港口靠泊码头； （b）河流航行穿过狭窄的桥柱。

图1 两种导航辅助工具有用的普通的情况。

欧洲统计表明，内河航道，所有事故中船舶与船舶或船舶与固定对象的碰撞占近50%，令人惊讶的是，他们往往发生在能见度好的时候。此外，在35%的事故中，船舶的危险情况被注意到时已经太晚了，其中有40%的案例，危险并未被察觉到直至事故发生。虽然大多数现有的数据只考虑大船只，但一些研究已经显示更多事故发生在小船只和空闲的高速船只中。这些事故的后果，即人类伤亡、环境灾害和经济损失，是对现有导航辅助进行发展和改善的强大动力。

在海上航行时，雷达是探测障碍物或船的标准传感器，它通过测量无线电信号从一艘船发射到障碍物并反射回来所耗费的时间实现探测目的。大多数障碍产生强烈的雷达信号的反射，依此可估计其方位和距离。根据应用需求，选择不同的无线电频率，依此产生不同的波长、发射模式和横向分辨率。HF波段（3-30MHz）适用于沿海雷达系统，L波段（1-2 GHz）用于远程空中交通控制，X波段（8-12GHz）用于海洋雷达和导弹制导，W波段（75-110GHz，波长4mm）用于自动汽车的高分辨率传感器。

固定波束雷达的横向分辨率，或机械扫描天线，受限于射束发散性（即波束宽度），对于目前海上开槽波导天线的904GHz，水平方向发散宽度通常在1°（500m距离下光斑直径10m），而因为竖直发散宽度太大（20°以上），目前没有获取相关数据。电子扫描成相阵列有较高的纵向和横向分辨率，且没有机械运动，但是视场有限而成本太高。

航海雷达的典型测量范围在0.3到5公里。短距离雷达（范围从几米到150米）的设计运用了脉冲压缩技术，这在保持恒定发射能级的同时增加传统雷达的轴向分辨率。这些短距离雷达已被用于工作在77 GHz的W频段或24 GHz的E波段的自动巡航控制（ACC）汽车。然而，尽管增加了轴向分辨率，它的横向分辨率却较差，横向辐射模式小于15◦，对于海上应用还是太窄。

对于事故的缓解和精确的操纵，一个像雷达探测一样的仪器是需要的，这个仪器需要能够在短距离（0到500米）工作，具有良好的轴向和横向分辨率，对杂波有较好的鲁棒性，有一个宽阔的、自适应的视场。现有的雷达技术不能用于近距离避障和精确机动，因为它不符合上述要求。

光探测和测距（激光雷达）是一种类似于雷达技术的测距技术，它利用光代替无线电。因为光源是一个典型的激光，激光雷达也被称为激光探测和测距（LADAR）或在军事方面的误解术语——激光雷达。由于激光的光束发散角是与波长/发射直径成正比，激光雷达比射频（RF）雷达（德典型激光光束发散角约1mrad）更准确。此外，激光的发射谱通常是高斯无旁瓣光束。因此，一个非常高的横向分辨率可以实现，大多反射面的轴向分辨率可以高达1毫米。因此，对任何材料（除了镜面状的表面或漆成黑色的对象）任何对象（即使是减少的尺寸）进行成像是可能的，而这其中许多在雷达频率是不可见的。

目前激光雷达技术的缺点是图像的完成所需的时间；在实际操作中，必须在更新速率和分辨率（每帧扫描的线数量）之间进行取舍。下一代激光雷达将减少这个时间，通过采用无扫描焦点平面阵列（FPA）。与射频相比，激光辐射是由气溶胶和云粒子散射，借此可限制其工作范围。信号处理技术已经开发出来，以在能见度差时检测目标对象。

激光雷达的典型应用包括检测大气中的颗粒和污染物、卫星距离测量、在高度密集的条件下的交通快速指挥，或利用激光雷达成像的坦克识别。新的激光雷达应用包括提高道路交通安全研究项目和自主引导地面车辆。一个有名的例子是美国国防高级研究计划局大挑战辩论。

本文讲述了一个用于河流、运河、海高效和安全航行的新的近程雷达跟踪系统的发展和测试。本文将解决激光扫描仪系统的设计和以下任务：图像采集、模式识别、障碍追踪。在公海和内陆水域的雏形试验的结果也将给出。

1. 目标和系统要求

该激光雷达系统的目标是作为辅助导航设备服务于更有效的水上运输和避免事故（通过触发警报或自动控制）。它必须能在近距离（0-500m）操作，要有足够高的横向和纵向分辨率，还需要在常见的近距离机动中有宽阔的动态视场。它还应能够每天24小时运行，甚至在恶劣的天气条件下（雾或雨）工作。该系统设计还必须与其他已存在于船舶上的设备（全球定位系统，雷达等）有足够的整体性。

表1给出了在常规操作中，一个精确的测距导航传感器应满足的定量要求，无论是在公海和内陆航行。这些要求包括最大测量范围，视场，和测距精度。此表是基于一个德国船舶技术和运输系统发展中心（DST）做过的一项研究，并将作为我们这个系统设计指南。

我们限制我们的传感器的工作范围为500米，其中包括所有的内陆航行作业和靠近码头的海上演习。对于这些操作，测距精度为0.1米是足够的。雷达应该有一个全景的水平视场（覆盖至少180◦在船的前面）和90◦垂直视图（在5◦地平线以上和85◦向下）然而，这个视野应该是在操作过程中可配置以便为了优化每一个在表中列出的船舶操作模式的捕获时间。

根据DST ，对于表1中的大部分动作所需要的更新频率为1 Hz。这项评估要考虑到船长的反应时间、船舶动态以及障碍物的距离。然而，其他关键的短程操作，

如船舶停靠/离开码头、与其它船只连锁或结合，需要的更新频率高达10赫兹，特别是如果必须实现自动机动。

原始雷达数据进行处理识别出障碍物或物体（如码头，墙上的其他船舶，等）。这些对象使用基于卡尔曼滤波的多目标跟踪（MTT）技术追踪，以不断更新自己的姿势和航向信息，这可以用来通过数字和图形显示提供一个定量和符号化的表示。

表1各种船舶操纵的传感器要求

雷达导航系统

本文提出的激光雷达系统的基本组成主要内容如下：

1. 激光雷达成像系统（包括激光测距仪和扫描仪
2. 带有人–机界面（MMI）的跟踪处理单元目标（见图2）。

通过国家海洋电子协会（NMEA）多路复用器实现外部设备与处理单元进行通信。

图2短程雷达系统框图

1. 测距模块

测距模块是激光雷达系统的中心元件，它由一个Nalolase提供的Nd:YAG二极管泵浦红外激光发射器组成，这个激光的波长lambda;= 1.064mu;m，持续时间1.5 ns高斯脉冲的形状，脉冲重复为15 kHz 。激光束剖面对应于基本遍历（高斯）模式，扩展通过准直透镜的发射器出现在后，有一个14.5毫米和1.5 mrad的

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