CN102426804A - 基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明的基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，属于桥梁防撞预警技术领域。包括中控电脑、安装于桥梁上的远红外摄像机和警示系统；所述远红外摄像机至少为2台，对桥梁一侧水域进行监视，并与中控电脑连接，所述中控电脑控制警示系统。该系统采用了远红外热成像技术，能在夜间、雾天及雨雪等恶劣气候中正常工作，当发现船舶偏离航道进入禁航区，及时用强烈的音响、灯光等信号向船舶操控者和大桥管理者报警，尽快采取措施避免船撞事故发生。可广泛用于各种桥梁的防撞预警技术措施中。

Description

基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统

技术领域

本发明涉及一种预警系统，具体来说，尤其是涉及一种桥梁防撞预警系统。

背景技术

随着河海航运量加大与船舶吨位和航速的增加，以及河海桥梁的大量兴建，船舶碰撞桥梁的几率越来越大。一旦船桥相撞，严重时将造成船毁人亡，桥梁倒塌等重大事故，经济损失巨大；而且还可能由于船体破损泄漏，引起灾难性环境污染。近年来，仅我国就发生了多次此类事故。对船撞桥事故的调查分析表明，大部分事故的原因都是由船舶操纵者的失误或不认真，如瞌睡、眩晕、醉酒、看电视、聊天，以及操作失误、看错助航标志等失误导致的。例如，平潭海峡大桥在施工期间，已经发生了7次船舶撞击事故，这些事故都是由于操作失误或看错助航标志引起的。所以预警设施作为桥梁防撞体系的第一道防线，及时警示船舶操控者以及相关人员，避免危害性船撞事故的发生是十分必要的。

自上世纪八十年代初，国际上对船撞桥以及相应防护问题的研究开始得到关注，八十年代中后期国际上根据船桥碰撞的动能或动量原理，提出了桥梁设计的新标准，1991年美国各州公路和运输官员协会(AASHTO)出版了《船舶碰撞公路桥梁设计指南》成为桥梁的抵抗船舶碰撞设计基础。

在国内，直到本世纪开始，船撞桥的研究才受到较广泛关注，但至今各种船撞桥的设计规范还存在许多问题有待解决。特别是2007年广东九江大桥引桥受到运沙船的撞击而倒塌的事故发生之后，船撞桥的研究才真正得到了相关部门的重视，各种桥梁的抗船撞设计得到了发展。然而，桥梁抗船撞装置技术研究绝大部分集中于研究采用工程结构的方法防御船舶的撞击，即采用什么样的结构形式来阻挡、或阻止船舶对桥梁的撞击，或采用什么样的方法来吸收或转化来撞船舶的巨大动能，即采用接触式防护方法保护大桥的安全，研究较少涉及“非接触”(也称为“主动”)桥梁防船撞方法。但是由于船舶的巨大动能，这类接触式防护方法总是会造成桥梁或(和)防撞装置，以及船舶的损坏，因此应设法尽可能避免船舶与结构的接触与碰撞。目前主要的“非接触”(“主动”)防撞措施有：1)设置导航标，施行船舶航行定线制，设置船舶航行警戒区，对特殊船舶实行引航措施；2)加强桥区水上船舶航行安全的监测管理，严格执行水上交通规则；3)监控预警系统：船舶安装AIS导航系统，桥区设置船舶交通管理系统(VTS)，视频图象处理技术等。但是这些措施会受到气候、昼夜的影响，并且有些措施(AIS和VTS)当船舶操纵者处于瞌睡、眩晕、醉酒等状态时，可能无法避免船撞桥事故的发生。另外，VTS系统使得船舶操纵者失去自由度，当发生事故时的责任归属是一个非常麻烦的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明基于桥梁防船撞图象处理技术方法，采用远红外热成像技术研制了一种桥梁防船撞预警系统，该技术能在夜间、雾天及雨雪等恶劣气候中正常工作，当发现船舶偏离航道进入禁航区，及时用强烈的音响、灯光等信号向船舶操控者和大桥管理者报警，尽快采取措施避免船撞事故发生。

本发明通过以下技术手段实现：基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，包括中控电脑、安装于桥梁上的远红外摄像机和警示系统；所述远红外摄像机至少为2台，对桥梁一侧水域进行监视，并与中控电脑连接，所述中控电脑控制警示系统。

所述远红外摄像机以固定的时间间隔，如1秒，拍摄水面的远红外热像图片。这些图片传送至监控室的中控电脑中进行综合处理，自动识别出水面的船舶目标，并计算出船舶的大小、坐标位置、航速和航向等参数。所述中控电脑中预存有桥区的地理和水域平面图，管理人员可在该平面图上设定“禁航区域”范围以及“危险条件”等参数，当中控电脑根据计算出的船舶参数判定桥区水域中的船舶进入“禁航区域”或符合“危险条件”时，中控电脑将发出报警指令传送至警示系统，警示系统提醒桥梁管理人员或船舶操作人员作出反应，达到预警的目的。

本发明还可做以下改进：

所述远红外摄像机是像素至少为320×240像元的远红外摄像机，以获得更加精准的船舶参数。

采用单个相机可对桥区海面目标船舶进行坐标定位。当需要监视的水域距离桥梁的最远和最近距离分别为S_max和S_min，摄像机架设位置距水面高度为H，摄像机垂直方向的视场角度为2β，安装俯仰角为α，则α和β应分别满足以下关系：

$\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\arccos \frac{H^2+S_{\min }{S}_{\max }}{{\left[(H^2+{S^2}_{\min })(H^2+{S^2}_{\max })\right]}^{1/2}}---\left(1\right)$

α＝β+arctan(H/S_max)                                            (2)

此时若摄像机的水平视场角度为2θ，则在最近处和最远处所能覆盖的水域宽度分别为：

D_min＝2[H sinα+S_min cosα]tanθ                                 (3)

D_max＝2[Hsinα+S_maxcosα]tanθ                                    (4)

摄像机拍摄到的矩形画面投影到海平面上呈一个近窄远宽的梯形区域。只要摄像机的图像分辨率足够高，就可以根据目标在矩形图像画面中的位置就可以点对点地确定其在水面上的坐标位置。

所述数字图像画面中的位置与水面坐标位置之间的转换方式如下：

根据光学成像原理和三维投影关系，假定摄像机的镜头焦距为f，则画面(远红外热成像照片)中的船舶坐标(x，y)与水面上的船舶坐标(X，Y)(船舶所在桥区水域的实际方位)之间的映射关系为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\mathrm{fX}}{Y\cos \mathrm{\α}+H\sin \mathrm{\α}}\\ y=\frac{f(Y\sin \mathrm{\α}-H\cos \mathrm{\α})}{Y\cos \mathrm{\α}+H\sin \mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

或者

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{\mathrm{xH}}{f\sin \mathrm{\α}-y\cos \mathrm{\α}}\\ Y=\frac{\mathrm{yH}(f\cos \mathrm{\α}+y\sin \mathrm{\α})}{f\sin \mathrm{\α}-y\cos \mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据连续监测的时间间隔以及前后测算结果，可以求得目标船舶的航速和航向，即：船舶的速度分别在X和Y方向的分量v_X和v_Y分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_X=\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}\\ v_Y=\frac{\mathrm{dY}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

所述远红外摄像机为摇头拍摄式，可以拍摄到更多角度的图像画面。

所述每台远红外摄像机之间水平方向上至少相隔1000米。

当采用单个远红外摄像机对目标船舶进行坐标定位时，影响定位精度的最主要原因是图片的像素密度，像素越高，其测量精度也越高。然而，由于技术方面的限制，商用远红外摄像头的像素数通常只能做到320x240像元。假定要求横桥向的监控范围为100-2000米，摄像机的像素单元尺寸为40μm，摄像机安装位置距水面高度为50m，则由式(1)和式(2)得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\arccos \frac{H^2+S_{\min }{S}_{\max }}{{\left[(H^2+{S^2}_{\min })(H^2+{S^2}_{\max })\right]}^{1/2}}{13}^0\\ \mathrm{\α}=\mathrm{\β}+\arctan (H/S_{\max })={14.5}^0\end{array}\right.---\left(8\right)$

所以为了提高竖向分辨精度，可以将摄像机的图像传感器竖装(尽量利用长边的像素)，使得其像场总高度一般可到达12.8mm。根据上述环境参量，由式(5)计算得到所需要的镜头焦距为：

$f=\frac{12.8}{2}\tan \mathrm{\β}=28\mathrm{mm}---\left(9\right)$

通过X、Y坐标的映射关系式(6)可以得出每个像素所代表的水域面积：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}=\frac{\mathrm{\Δp}(Y\cos \mathrm{\α}+H\sin \mathrm{\α})}{f}\\ \mathrm{\ΔY}=\frac{\mathrm{\Δp}{(Y\cos \mathrm{\α}+H\sin \mathrm{\α})}^2}{\mathrm{fH}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中Δp为像素宽度(等于40μm)。式(10)可见，不同的观测距离下，每个象素所映射的水域平面X、Y方向的尺度也不一样，距离桥梁越远，像素所代表的水域面积越大，则判定船舶位置的精度越低。表1是目标(船舶)距桥梁不同距离时的定位精度：

表1：单个远红外摄像机对目标船舶进行坐标定位的精度：

Y坐标距离	X方向测距精度	Y方向测距精度
			100米	0.16米	0.33米
200米	0.30米	1.18米
			400米	0.58米	4.47米
600米	0.86米	9.86米
			800米	1.14米	17.36米
1000米	1.42米	26.97米
			1500米	2.12米	60.19米
2000米	2.83米	106.59米

可见，采用单远红外摄像机定位近距离(500米以内)目标，其定位精度大约数米，但对远距离目标坐标的定位误差超过100米，其精度较低，需要改进。

根据投影关系可知，每一个正方形的图像像素映射到水面也是呈“近小远大”的梯形。从表1也可看出，随着水平距离的增加，每个像素投影区域的长宽比也将成倍增加，从而使远处的距离分辨率大大降低。采用双远红外摄像机交叉成像定位可弥补这一缺陷。

双远红外摄像机定位是利用空间目标三维位置交会测量原理来实现的。两台像机之间保持一定的距离同步扫描拍摄，后台软件通过空间几何关系计算来确定目标的距离，这样可以在远处得到较高的点目标坐标计算精度。

假设两台远红外摄像机的安装位置坐标分别为(0，0)和(D，0)，目标点在两幅画面上的偏离角度分别为θ₁和θ₂，则分析可知目标的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{D\tan {\mathrm{\θ}}_1}{\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_2}\\ Y=\frac{D}{\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_2}\end{array}\right.---\left(11\right)$

该方法对于远处目标测量精度的误差主要来自于远红外摄像机角分辨率的误差。假设两台摄像机的角分辨误差都是Δθ，则可推出以下误差公式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}=\mathrm{D\Δ\θ}\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_1/{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2-\tan {\mathrm{\θ}}_2/{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}{{[\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_2]}^2}=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{Y}(Y^2-X^2+\mathrm{XD})\\ \mathrm{\ΔY}=\mathrm{D\Δ\θ}\frac{1/{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2-1/{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}{{[\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_2]}^2}=\mathrm{\Δ\θ}(D-2X)\end{array}\right.---\left(12\right)$

若远红外热成像摄像机的像素数仍为320x240像元，像素间隔40μm，镜头焦距为28毫米，则单台相机的测角精度为Δθ＝±0.71毫弧度。若两台远红外热成像摄像机相隔1000米，则在横桥向2000米远处的目标定位精度误差不超过3米。可见采用双台远红外热成像摄像机对目标定位可大幅提高定位精度。

所述警示系统包括发声设备和发光设备，能发出强烈的灯光和声响讯号，提醒船舶操作人员作出反应，达到预警的目的。

还包括自动测量水位高度装置，该装置与中控电脑连接。这是由于，如式(10)和式(6)还表明，由于水面高度对于船舶的坐标计算也有影响，因此对于桥区水域的水位存在变化的桥梁(如涨落潮等)，在该防船撞预警系统中需要加入自动测量水位高度的装置，即要能够实时水面到摄像机的距离H，并将测得的H数值与远红外热成像照片一同传输到中控电脑进行计算分析，以矫正由于水位变化而导致的定位误差。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1)本发明所采用的远红外摄像机，具有热成像功能，可接收到船体自身热辐射的能量，常规远红外热成像技术探测目标物的温度分辨率可达1℃，同时，远红外热辐射波段又具有较强的穿透能力，能适应高、低温以及雨、雪、浓雾等各种天气状况，不会受到气候、昼夜等外界因素的影响，能时刻保持正常工作状态。

2)本发明的工作过程完全是被动接收，在监测过程中不发出任何声波等信号，对环境没有任何干扰，具有绿色、安全的特点。

3)通常，摄像机拍摄到的画面投影后为扇形，本发明将摄像机拍摄到的矩形画面投影到海平面后，由扇形转换为一个近窄远宽的梯形区域，从而可以进行更为精确的坐标地位。

4)本发明对目标船舶采用交叉成像坐标定位技术，使得其定位精度得到大幅提高。对于目标处于横桥向2000米的船舶，其坐标定位误差仅在3米之内。

附图说明

图1为本发明各部件连接关系示意图；

图2为本发明对船舶的监视范围；

图中：a为监视范围侧视图；b为监视范围俯视图；

图3为数字图像画面中的位置与水面坐标位置之间的转换映射示意图；

图中：1.远红外摄像机；

图4为两台远红外摄像机定位原理图；

图中：2.目标物；

图5为图像拼接示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，包括中控电脑、安装于桥梁上的远红外摄像机和警示系统，如图1所示；如图2所示，所述远红外摄像机为2台，对桥梁一侧水域进行监视，并与中控电脑连接，所述中控电脑控制警示系统。

所述远红外摄像机以固定的时间间隔，如1秒，拍摄水面的远红外热像图片。这些图片传送至监控室的中控电脑中进行综合处理，自动识别出水面的船舶目标，并计算出船舶的大小、坐标位置、航速和航向等参数。所述中控电脑中预存有桥区的地理和水域平面图，管理人员可在该平面图上设定“禁航区域”范围以及“危险条件”等参数，当中控电脑根据计算出的船舶参数判定桥区水域中的船舶进入“禁航区域”或符合“危险条件”时，中控电脑将发出报警指令传送至警示系统，警示系统提醒桥梁管理人员作出反应，达到预警的目的。

实施例2

基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，包括中控电脑、安装于桥梁上的远红外摄像机和警示系统，如图1所示；如图2所示，所述远红外摄像机为2台，对桥梁一侧水域进行监视，并与中控电脑连接，所述中控电脑控制警示系统。

所述远红外摄像机以固定的时间间隔，如1秒，拍摄水面的远红外热像图片。这些图片传送至监控室的中控电脑中进行综合处理，自动识别出水面的船舶目标，并依据下述方法计算出船舶的大小、坐标位置、航速和航向等参数。

采用单个相机可对桥区海面目标船舶进行坐标定位。当需要监视的水域距离桥梁的最远和最近距离分别为S_max和S_min，摄像机架设位置距水面高度为H，摄像机垂直方向的视场角度为23，安装俯仰角为α，则α和β应分别满足以下关系：

$\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\arccos \frac{H^2+S_{\min }{S}_{\max }}{{\left[(H^2+{S^2}_{\min })(H^2+{S^2}_{\max })\right]}^{1/2}}---\left(1\right)$

α＝β+arctan(H/S_max)                                             (2)

此时若摄像机的水平视场角度为2θ，则在最近处和最远处所能覆盖的水域宽度分别为：

D_min＝2[H sin α+S_mincosα]tanθ                                  (3)

D_max＝2[H sin α+S_maxcosα]tanθ                                  (4)

摄像机拍摄到的矩形画面投影到海平面上呈一个近窄远宽的梯形区域。只要摄像机的图像分辨率足够高，就可以根据目标在矩形图像画面中的位置就可以点对点地确定其在水面上的坐标位置。

所述数字图像画面中的位置与水面坐标位置之间的转换方式如下：

如图3所示，根据光学成像原理和三维投影关系，假定摄像机的镜头焦距为f，则画面(远红外热成像照片)中的船舶坐标(x，y)与水面上的船舶坐标(X，Y)(船舶所在桥区水域的实际方位)之间的映射关系为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\mathrm{fX}}{Y\cos \mathrm{\α}+H\sin \mathrm{\α}}\\ y=\frac{f(Y\sin \mathrm{\α}-H\cos \mathrm{\α})}{Y\cos \mathrm{\α}+H\sin \mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

或者

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{\mathrm{xH}}{f\sin \mathrm{\α}-y\cos \mathrm{\α}}\\ Y=\frac{\mathrm{yH}(f\cos \mathrm{\α}+y\sin \mathrm{\α})}{f\sin \mathrm{\α}-y\cos \mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据连续监测的时间间隔以及前后测算结果，可以求得目标船舶的航速和航向，即：船舶的速度分别在X和Y方向的分量v_X和v_Y分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_X=\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}\\ v_Y=\frac{\mathrm{dY}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

所述每台远红外摄像机之间水平方向上相隔1000米。

单台摄像机的定位精度较差，如实施例1采用单个远红外摄像机对目标船舶进行坐标定位时，影响定位精度的最主要原因是图片的像素密度，像素越高，其测量精度也越高。然而，由于技术方面的限制，商用远红外摄像头的像素数通常只能做到320x240像元。假定要求横桥向的监控范围为100-2000米，摄像机的像素单元尺寸为40μm，摄像机安装位置距水面高度为50m，则由式(1)和式(2)得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\arccos \frac{H^2+S_{\min }{S}_{\max }}{{\left[(H^2+{S^2}_{\min })(H^2+{S^2}_{\max })\right]}^{1/2}}{13}^0\\ \mathrm{\α}=\mathrm{\β}+\arctan (H/S_{\max })={14.5}^0\end{array}\right.---\left(8\right)$

所以为了提高竖向分辨精度，可以将摄像机的图像传感器竖装(尽量利用长边的像素)，使得其像场总高度一般可到达12.8mm。根据上述环境参量，由式(5)计算得到所需要的镜头焦距为：

$f=\frac{12.8}{2}\tan \mathrm{\β}=28\mathrm{mm}---\left(9\right)$

通过X、Y坐标的映射关系式(6)可以得出每个像素所代表的水域面积：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}=\frac{\mathrm{\Δp}(Y\cos \mathrm{\α}+H\sin \mathrm{\α})}{f}\\ \mathrm{\ΔY}=\frac{\mathrm{\Δp}{(Y\cos \mathrm{\α}+H\sin \mathrm{\α})}^2}{\mathrm{fH}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中Δp为像素宽度(等于40μm)。式(10)可见，不同的观测距离下，每个象素所映射的水域平面X、Y方向的尺度也不一样，距离桥梁越远，像素所代表的水域面积越大，则判定船舶位置的精度越低。表1是目标(船舶)距桥梁不同距离时的定位精度：

表1：单个远红外摄像机对目标船舶进行坐标定位的精度：

Y坐标距离	X方向测距精度	Y方向测距精度
			100米	0.16米	0.33米
200米	0.30米	1.18米
			400米	0.58米	4.47米
600米	0.86米	9.86米
			800米	1.14米	17.36米
1000米	1.42米	26.97米
			1500米	2.12米	60.19米
2000米	2.83米	106.59米

可见，采用单远红外摄像机定位近距离(500米以内)目标，其定位精度大约数米，但对远距离目标坐标的定位误差超过100米，其精度较低，需要改进。

根据投影关系可知，每一个正方形的图像像素映射到水面也是呈“近小远大”的梯形。从表1也可看出，随着水平距离的增加，每个像素投影区域的长宽比也将成倍增加，从而使远处的距离分辨率大大降低。采用双远红外摄像机交叉成像定位可弥补这一缺陷。

双远红外摄像机定位是利用空间目标三维位置交会测量原理来实现的。两台像机之间保持一定的距离同步扫描拍摄，后台软件通过空间几何关系计算来确定目标的距离，这样可以在远处得到较高的点目标坐标计算精度。

假设两台远红外摄像机的安装位置坐标分别为(0，0)和(D，0)，目标点在两幅画面上的偏离角度分别为θ₁和θ₂，，如图4所示，则分析可知目标的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{D\tan {\mathrm{\θ}}_1}{\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_2}\\ Y=\frac{D}{\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_2}\end{array}\right.---\left(11\right)$

该方法对于远处目标测量精度的误差主要来自于远红外摄像机角分辨率的误差。假设两台摄像机的角分辨误差都是Δθ，则可推出以下误差公式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}=\mathrm{D\Δ\θ}\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_1/{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2-\tan {\mathrm{\θ}}_2/{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}{{[\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_2]}^2}=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{Y}(Y^2-X^2+\mathrm{XD})\\ \mathrm{\ΔY}=\mathrm{D\Δ\θ}\frac{1/{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2-1/{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}{{[\tan {\mathrm{\θ}}_1-\tan {\mathrm{\θ}}_2]}^2}=\mathrm{\Δ\θ}(D-2X)\end{array}\right.---\left(12\right)$

若远红外热成像摄像机的像素数仍为320x240像元，像素间隔40μm，镜头焦距为28毫米，则单台相机的测角精度为Δθ＝±0.71毫弧度。若两台远红外热成像摄像机相隔1000米，则在横桥向2000米远处的目标定位精度误差不超过3米。可见采用双台远红外热成像摄像机对目标定位可大幅提高定位精度。

所述警示系统包括发声设备和发光设备，能发出强烈的灯光和声响讯号，提醒船舶操作人员作出反应，达到预警的目的。

还包括自动测量水位高度装置，该装置与中控电脑连接。这是由于，如式(10)和式(6)还表明，由于水面高度对于船舶的坐标计算也有影响，因此对于桥区水域的水位存在变化的桥梁(如涨落潮等)，在该防船撞预警系统中需要加入自动测量水位高度的装置，即要能够实时水面到摄像机的距离H，并将测得的H数值与远红外热成像照片一同传输到中控电脑进行计算分析，以矫正由于水位变化而导致的定位误差。

依据上述计算出船舶的大小、坐标位置、航速和航向等参数。当中控电脑根据计算出的船舶参数判定桥区水域中的船舶进入“禁航区域”或符合“危险条件”时，中控电脑将发出报警指令传送至警示系统，警示系统能发出强烈的灯光和声响讯号，提醒船舶操作人员作出反应，达到预警的目的。

实施例3

基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，包括中控电脑、安装于桥梁上的远红外摄像机和警示系统，如图1所示；如图2所示，所述远红外摄像机为3台，对桥梁一侧水域进行监视，并与中控电脑连接，所述中控电脑控制警示系统。

需要监视的水域距离桥梁的最远和最近距离分别为S_max和S_min，摄像机架设位置距水面高度为H，摄像机垂直方向的视场角度为2β，安装俯仰角为α，则α和β应分别满足以下关系：

$\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\arccos \frac{H^2+S_{\min }{S}_{\max }}{{\left[(H^2+{S^2}_{\min })(H^2+{S^2}_{\max })\right]}^{1/2}}---\left(1\right)$

α＝β+arctan(H/S_max)                                              (2)

此时若摄像机的水平视场角度为2θ，则在最近处和最远处所能覆盖的水域宽度分别为：

D_min＝2[Hsin α+S_mincosα]tanθ                                    (3)

D_max＝2[Hsin α+S_maxcosα]tanθ                                    (4)

所述远红外摄像机以固定的时间间隔，如1秒，拍摄水面的远红外热像图片。这些图片传送至监控室的中控电脑中进行综合处理，自动识别出水面的船舶目标，并可依据实施例2中的方法计算出船舶的大小、坐标位置、航速和航向等参数。

所述远红外摄像机为摇头拍摄式。

桥梁每侧安装的远红外摄像机在一定的范围内摇头拍摄一组照片，送至后台电脑进行图片拼接(如图5所示)，从而获得该水域完整图像，然后再与相邻远红外相机的图像一起进行三维空间重建处理，从而获得精确的水域平面船舶目标热图像。

所述警示系统包括发声设备和发光设备，能发出强烈的灯光和声响讯号，提醒船舶操作人员作出反应，达到预警的目的。

还包括自动测量水位高度装置，该装置与中控电脑连接，安装于桥梁上。这是由于，如式(10)和式(6)还表明，由于水面高度对于船舶的坐标计算也有影响，因此对于桥区水域的水位存在变化的桥梁(如涨落潮等)，在该防船撞预警系统中需要加入自动测量水位高度的装置，即要能够实时水面到摄像机的距离H，并将测得的H数值与远红外热成像照片一同传输到中控电脑进行计算分析，以矫正由于水位变化而导致的定位误差。

依据上述计算出船舶的大小、坐标位置、航速和航向等参数。当中控电脑根据计算出的船舶参数判定桥区水域中的船舶进入“禁航区域”或符合“危险条件”时，中控电脑将发出报警指令传送至警示系统，警示系统能发出强烈的灯光和声响讯号，提醒船舶操作人员作出反应，达到预警的目的。

上述的实施例仅为本发明的优选实施例，不能以此来限定本发明的权利范围，因此，依本发明申请专利范围所作的等同变化仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，其特征在于：包括中控电脑、安装于桥梁上的远红外摄像机和警示系统；所述远红外摄像机至少为2台，对桥梁一侧水域进行监视，并与中控电脑连接，所述中控电脑控制警示系统。

2.根据权利要求1所述的基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，其特征在于：所述远红外摄像机是像素至少为320×240像元的远红外摄像机。

3.根据权利要求2所述的基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，其特征在于：当需要监视的水域距离桥梁的最远和最近距离分别为S_max和S_min，摄像机架设位置距水面高度为H，摄像机垂直方向的视场角度为2β，安装俯仰角为α，则α和β应分别满足以下关系：

$\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\arccos \frac{H^2+S_{\min }{S}_{\max }}{{\left[(H^2+{S^2}_{\min })(H^2+{S^2}_{\max })\right]}^{1/2}}$

α＝β+arctan(H/S_max)

4.根据权利要求1或2或3所述的基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，其特征在于：所述远红外摄像机为摇头拍摄式。

5.根据权利要求4所述的基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，其特征在于：所述每台远红外摄像机之间水平方向上至少相隔1000米。

6.根据权利要求5中任一项所述的基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，其特征在于：所述警示系统包括发声设备和发光设备。

7.根据权利要求6所述的基于远红外交叉热成像的桥梁防船撞预警系统，其特征在于：还包括自动测量水位高度装置，该装置与中控电脑连接。

Images