CN108254748A - 基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统及方法，所述系统包括安装于河岸两边桥梁临界高度处的激光测距装置、监管雷达、报警装置。激光测距装置：用于采集激光发射端与障碍物之间的距离S；监管雷达：用于采集河道的雷达图像。数据处理中心：用于根据激光发射端与障碍物之间的距离S和河道宽度W的差值判断是否有超高船舶通过，并根据雷达图像确定是否超高船舶通过，确定时发出报警信号。报警装置用于根据报警信号发出声光警报。本发明提供的船舶超高检测方法可以准确的判断出船舶高度是否超限，同时也可以有效地避免飞鸟、雨水或其它干扰物遮挡激光束而发生的误报警，对提高内河船舶的通航安全有重要意义。

Description

基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶工程技术领域，具体地讲是一种基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统及方法。

背景技术

内陆河流在我国航运业占有举足轻重的地位。桥梁作为跨江的陆路交通建筑物，对改善道路交通条件，保障我国公、铁道路畅通有着极大的促进作用，对公路、铁路交通有很大的经济效益。但与此同时，桥梁对航道而言是水上障碍物，给船舶安全航行增加了难度与风险。随着水运交通的发展，在航船舶、桥梁建设都在不断增长，船舶大型化趋势也日趋明显，大型船舶过桥难度也日益加大，一旦船舶高度超过桥区警戒高度，往往会导致非常严重的船桥碰撞事件，严重威胁人民的生命财产安全。中国专利一种内河通航船舶超高检测预警系统及其工作方法(公开号：CN 104064055 A)提出了一种船舶超高检测预警的技术方案，其利用AIS设备，获得通航环境位置信息，利用标定物的空间信息采用图像处理算法，实现离船无损检测。该技术方案依赖CCD成像设备实现，对其安装位置、角度需要严密设计，需要测量的船舶高度信息以CCD成像设备的坐标系为基准点，设备在使用过程中如果发生位置偏移不容易被发现，从而无法准确测量船舶高度，造成误判，严重时可能发生桥船碰撞的事故。

因此，将激光引入船舶超高检测领域可以克服安装CCD成像设备造成的缺陷，激光检测的基本原理是以激光束是否被船舶遮挡作为船舶超高的判据。激光线可视为船舶高度警戒线，若船舶水上部分高于该警戒线，则当其航行到激光检测区时会遮挡住激光束，从而导致激光检测数据的明显变化。

但是在实际应用中，激光束易发生偏差导致接收器接收信号中断引起误报，而且飞鸟、雨水等障碍物也可能会对激光束产生遮断造成误报，相对而言虚警率较高。

发明内容

针对上述现有技术的不足之处，本发明提出一种基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统及方法，识别精确度高，为其他目标识别划定范围做铺垫，有效降低雷达目标识别的错误率。

为实现上述目的，本发明所设计的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统，其特殊之处在于，包括安装于河岸两边桥梁临界高度处的激光测距装置、与所述激光测距装置连接数据处理中心以及与所述数据处理中心连接的监管雷达、报警装置；

所述激光测距装置：用于采集激光发射端与障碍物之间的距离S；

所述监管雷达：用于采集河道的雷达图像；

所述数据处理中心：用于根据激光发射端与障碍物之间的距离S和河道宽度W的差值判断是否有超高船舶通过，并根据雷达图像确定是否超高船舶通过，确定时发出报警信号；

所述报警装置用于根据报警信号发出声光警报。

进一步地，河道宽度小于500m时，所述激光测距装置通过激光对射遮断报警器实现，河道宽度大于500m时，所述激光测距装置通过激光测距仪实现，激光测距仪的激光发射端和激光反射装置设置于河岸两边，位于同一水平线上。

更进一步地，还包括用于采集视频数据的视频监控设备。

一种基于上述基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统的工作方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

1)数据处理中心将根据激光测距装置采集的激光发射端与障碍物之间的距离S判断是否有障碍物遮挡激光束；

2)数据处理中心将根据监管雷达采集的雷达图像获取河道中通航物体，判断是否为在航船舶；

3)数据处理中心将激光发射端与障碍物之间的距离S和雷达图像综合判断，确定是否有超高船舶通过，是则发出报警信号；

4)报警装置根据报警信号发出声光警报。

优选地，所述步骤1)中激光发射端与障碍物之间的距离S的计算方法为：

其中，c为激光在大气中的传播速度，t₁-t₂是激光在传输过程中往返的时间差，S是激光发射端到障碍物的距离。

优选地，所述步骤1)中数据控制中心对采集的激光发射端与障碍物之间的距离S用小波去噪阈值函数算法进行去噪处理。

优选地，所述步骤2)中对雷达图像的处理过程包括：

2.1)对雷达图像进行灰度变换，将彩色图像转换为8为灰度图像；

2.2)对雷达灰度图像进行中值滤波处理，提取雷达监测中的背景影像；

2.3)对经过中值滤波去噪的雷达影像进行边缘提取处理；

2.4)采用目标连通域识别算法提取雷达图像中的船舶目标。

优选地，所述中值滤波处理的过程为：

2.2.1)将雷达图像分为3*3像素点的窗口；

2.2.2)对每一个窗口的每一行像素点计算最大值、中值和最小值；

Maxi＝max[Mi1,Mi2,Mi3]

Med i＝med[Mi1,Mi2,Mi3]

Min i＝min[Mi1,Mi2,Mi3]

其中，i表示第i行，i＝1，2，3，max表示取最大值，med表示取中值，min表示取最小值。

2.2.3)分别对最大值取最小值，中值取中值，最小值取最大值得三个最大值中的最小值Min_of_Max，三个中值的中值Med_of_Med，三个最小值的最大值Max_of_Min：

Min_of_Max＝min[Max1,Max2,Max3]

Med_of_Med＝med[Med1,Med2,Med3]

Max_of_Min＝max[Min1,Min2,Min3]

2.2.4)对三个最大值中的最小值、三个中值中的中值，三个最小值中的最大值取中值，得到滤波结果：

Med_of_nine＝med[Min_of_Max,Med_of_Med,Max_of_Min]。

优选地，所述目标连通域识别算法的处理过程为：

2.4.1)逐行扫描图像，把每一行中连续的高亮度白色像素组成一个序列，称之为一个域，并记下域的起点、终点以及其所在的行号；

2.4.2)对于除了第一行外的所有行里的域，如果它与上一行中的所有域都没有重合区域，则给它一个新的域号；如果它仅与上一行中一个域有重合区域，则将上一行的域的域号赋给它；如果它与上一行两个以上的域重叠区域，则选取所有相连域中最小的域号，赋给当前域，并将上一行的相连域的域号写入等价对，说明它们属于同一个更大的域；

2.4.3)将等价对转换为等价序列，每一个序列都赋给相同的序列号，以表明该序列是等价的；

2.4.4)遍历所有的域，查找等价序列，给予新的域号；

2.4.5)将每个域的域号填入所标记的图像中；

2.4.6)统计所有域的面积，与船舶标准阈值进行比较，若当前域的面积超过船舶标准阈值，则判断雷达图像中有船舶，并提取雷达图像中的船舶目标，船舶标准阈值的设定受雷达位置影响，雷达距离监测航道越近，阈值越大，阈值的具体数值需要通过实地测试来确定；若当前域的面积没有超过船舶标准阈值，则作为噪声滤除。

本发明具有的有益效果包括：

1.本发明提出的一种基于激光测距检测和雷达图像处理的内河船舶超高检测、报警系统，将激光测距仪安装高度为内河船舶通航的警戒高度，具体高度值主要受航道中桥梁高度的影响，与之相配合的激光反射装置应保证与激光测距仪安装在同一高度上，以便在没有船舶通过时激光测距仪发出的激光能经反射装置反射回激光测距仪，从而测得河道的宽度值作为激光检测的原始数据。

2.由于本系统主要依据激光束的光路是否被超高船舶遮挡来判断船舶是否超高，因此，一旦在激光束的光路中有其他物体进入往往会导致误报警。针对这一问题，本系统引入了一台监管雷达对激光检测区域的航道进行目标检测，判断是否有船舶经过，如此便可对偶然经过激光束光路的遮挡物，包括飞鸟、雨水等进行筛选，防止障碍物对激光束形成遮挡从而造成的误判。

3.本系统中的监管雷达与激光测距仪都安装在河岸同一侧的船舶超高检测卡口上，监管雷达采集到的雷达图像及激光测距仪采集到的距离信息分别经网口和串口传输到数据处理中心，对数据进行实时处理，若确定船舶超高则启动报警装置，阻止超高船舶通行。

4.本系统可以辅助安装视频监控设备，用于对超高检测卡口通行的船舶进行录像，尤其是对于超高船舶，需要拍照留证。

5.本发明提出的船舶超高检测方法可以准确的判断出船舶高度是否超限，同时也可以有效地避免飞鸟、雨水或其它干扰物遮挡激光束而发生的误报警，对提高内河船舶的通航安全有重要意义。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明系统在内河道超高检测卡口的布置示意图。

图3是激光测距装置的水上高度测量示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明提出的一种基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统，包括安装于河岸两边桥梁临界高度处的激光测距装置、与激光测距装置连接数据处理中心以及与数据处理中心连接的监管雷达、报警装置，以及与数据处理中心连接的视频监控设备。

激光测距装置：用于采集激光发射端与障碍物之间的距离S；

监管雷达：用于采集河道的雷达图像。

数据处理中心：用于根据激光发射端与障碍物之间的距离S和河道宽度W的差值判断是否有超高船舶通过，并根据雷达图像确定是否超高船舶通过，确定时发出报警信号。

报警装置用于根据报警信号发出声光警报。

视频监控设备用于采集视频数据。

基于上述激光测距检测和雷达图像处理的内河船舶超高检测、报警系统，本发明还提出一种工作方法，如图1所示，包括如下步骤：

a)正确连接激光测距仪和雷达

a.1)连接激光测距装置的电源线和数据线，打开激光测距装置数据读取软件。如图2所示，将云台放置在堤岸上，将激光测距装置固定在云台顶端，调节云台使激光测距装置处于水平状态。此时激光指向江对岸，距离显示为稳定读数。

a.2)连接监管雷达的电源线与数据线，打开雷达管理软件。调节监管雷达方向使雷达图像与实际环境基本匹配；调节监管雷达量程，使江面的船舶目标运动状态能清晰显示在计算机屏幕上。

b)测量激光距离水面高度

将激光测距装置及监管雷达都假设到船舶限高卡口处，调节激光测距装置倾斜角，使激光打到激光测距装置所在岸边的岸水交接处，读取距离数据和激光测距装置倾斜角度即可计算得到激光测距装置距离水面的高度。调整两岸的激光测距装置距离水面的高度，以实现两者位于同一水平线上。测量示意图如图3所示，激光测距仪水上高度计算公式如下：

h＝L×sinα

c)船舶超高检测

将激光测距仪及监管雷达都架设到超高检测卡口处，以激光所在水平高度为船舶限高进行检测，激光采集频率设置为4Hz，观察江面在航船舶情况、船舶在雷达图像中的显示情况以及激光测距仪读数情况。如果激光测距仪读数发生突变，则拍摄照片记录船舶情况、截屏记录激光测距仪读数变化情况以及雷达图像显示情况。

具体步骤包括：

1)数据处理中心将根据激光测距装置采集的激光发射端与障碍物之间的距离S判断是否有障碍物遮挡激光束；

1.1)对于公路桥、隧道等场合，其作用距离一般不超过几百米，架设高度也只有几米，因此可以选择简单的激光对射遮断报警器进行超高检测。但是对于中大型水面桥梁，水面开阔，河道宽度较大，通常可达2～3km，架设高度可达20～30m。由于架设在高处，强风会引起的激光发射基座轻微晃动，导致激光光束偏离，此种条件下，简单的激光对射难以对准，可能因为接收器接收信号中断导致误报，测量误差较大，误报率较高。因此，可将激光对射装置采用为激光测距仪。激光测距仪工作要求低，测量距离大，测量精度也比简单激光对射装置高。

1.2)激光对射装置安装在船舶可安全通过桥梁的临界高度处，并在对岸相应高度处设置有激光反射端，保证两者基本安装在同一水平线上，通过两者配合可测出从激光测距仪至激光反射装置之间的距离，即河道宽度W。

1.3)激光对射装置工作状态下应与报警装置相连接，当激光对射装置数据发生突变(尤其是测得的距离数据突然减小)，同时观测监管雷达影像判断是否有船舶通航。只有当激光对射装置数据突变同时监管雷达检测到有船舶通航时再启动与激光对射装置相连的报警预警装置，减少飞鸟等障碍物遮挡激光造成的误报。

1.4)激光对射装置利用激光器发射的激光通过目标障碍物反射回来到达接收器的时间间隔来进行测距。其测距公式如下：

其中，c为激光在大气中的传播速度，t₁-t₂是激光在传输过程中往返的时间差，S是激光器到测量目标的距离。

光速误差与测量时的大气质量有关，因此影响测距精度的主要因素就是往返时间差。在大气条件下，激光在大气传播中，由于环境因素影响，很容易产生很多的环境噪声，因此，当回波信号较弱时，很容易造成信号淹没在噪声信号中。因此，对回波信号进行滤波去噪是非常必要的。

本发明选用小波去噪阈值函数算法对回波信号进行滤波去噪。

假设有一信号f(k)表达式为：

f(k)＝s(k)+e(k)

其中f(k)为含噪声信号，s(k)为纯净有用信号，e(k)为噪声信号。其小波变换为：

w(k)＝θ(k)+z(k)

其中，w，θ，z分别为信号、纯净信号和噪声小波系数。

小波阈值去噪思想是：利用门限阈值对噪声信号小波系数进行处理，去掉这些由噪声产生的系数，然后对信号进行小波反变换得到重构信号，就可以达到去噪目的。对于门限阈值函数，依据先验经验选择硬阈值函数：

其中，λ是阈值，w_ab是小波系数，是经过阈值处理后的小波系数。

通过以上小波阈值滤波便可对激光回波信号进行去噪处理，从而提高激光测距仪测距精度。

2)数据处理中心将根据监管雷达采集的雷达图像获取河道中通航物体，判断是否为在航船舶。数据处理中心对雷达影像经过中值滤波、边缘提取、目标连通域识别等图像处理技术，从而实现通航船舶判断。

2.1)对雷达图像进行灰度变换，将彩色图像转换为8为灰度图像；

2.2)对雷达灰度图像进行中值滤波处理，提取雷达监测中的背景影像；雷达一般采集的是经过超高检测卡口的通航船舶、飞鸟落叶等障碍物的影像信息，与通航船舶相比，飞鸟落叶等体积很小，在雷达图像中是一个噪声点，因此采用中值滤波，可以将飞鸟落叶等噪声点排除，从而降低干扰。

中值滤波算法很多，但通常数据排序量较大，算法速度较慢，不利于图像处理实效性，为此，本发明采用窗口大小3*3的快速排序算法。为便于说明，将3*3窗口内各个像素分别定义为M11,M12,M13,M21,M22,M23,M31,M32,M33。

为了确定9个像素中的中值像素点，首先分别对窗口的每一行计算最大值、中值和最小值，分别得到9个数值，其中包括3个最大值，3个中值，3个最小值:

Maxi＝max[Mi1,Mi2,Mi3]

Med i＝med[Mi1,Mi2,Mi3]

Min i＝min[Mi1,Mi2,Mi3]

其中，i表示第i行，i＝1，2，3，max表示取最大值，med表示取中值，min表示取最小值。

然后对最大值取最小值，中值取中值，最小值取最大值得3个最大值中的最小值Min_of_Max，3个中值的中值Med_of_Med，3个最小值的最大值Max_of_Min：

Min_of_Max＝min[Max1,Max2,Max3]

Med_of_Med＝med[Med1,Med2,Med3]

Max_of_Min＝max[Min1,Min2,Min3]

最后对上一步得到的三个值取中值，可得最后滤波结果：

Med_of_nine＝med[Min_of_Max,Med_of_Med,Max_of_Min]

利用这种排序法非中值滤波可大大提高滤波速度，同时能基本保持画面清晰度；

2.3)对雷达影像进行中值滤波去噪之后，通过边缘检测算法对图像进行边缘提取处理，当有通航船舶经过检测卡口时，船舶障碍物船身亮度与周围形成明显对比，因此，可以提取出船舶的明显边界曲线。

2.4)最后，需借助目标连通域识别算法提取雷达图像中的船舶目标，该算法描述如下：

2.4.1)逐行扫描图像，把每一行中连续的高亮度白色像素组成一个序列，称之为一个域，并记下它的起点、终点以及它所在的行号；

2.4.2)对于除了第一行外的所有行里的域，如果它与上一行中的所有域都没有重合区域，则给它一个新的域号；如果它仅与上一行中一个域有重合区域，则将上一行的那个域的域号赋给它；如果它与上一行两个以上的域重叠区域，则选取所有相连域中最小的域号，赋给当前域，并将上一行的这几个相连域的域号写入等价对，说明它们属于同一个更大的域；

2.4.3)将等价对转换为等价序列，每一个序列都赋给相同的序列号，以表面它们是等价的；

2.4.4)遍历所有的域，查找等价序列，给予它们新的域号

2.4.5)将每个域的域号填入所标记的图像中；

2.4.6)统计所有域的面积，与船舶标准阈值进行比较，若当前域的面积超过阈值，则认为这是某条船舶的成像，并提取雷达图像中的船舶目标，否则就当成噪声滤除，船舶标准阈值的设定受雷达位置影响，雷达距离监测航道越近，阈值越大，阈值的具体数值需要通过实地测试来确定；

2.4.7)结束。

3)数据处理中心将激光发射端与障碍物之间的距离S和雷达图像综合判断，确定是否有超高船舶通过，是则发出报警信号，当雷达图像显示有通航船舶经过，同时激光测距装置测得的距离数据大大减小，则说明该通航船舶超高，此时向报警装置发出报警信号。

4)报警装置根据报警信号启动声光警报。

本领域的技术人员应当理解，此处所述的具体实施方案仅用解释本发明专利，并不用于限制本发明专利。在本发明专利的精神和原则之内作出的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统，其特征在于：包括安装于河岸两边桥梁临界高度处的激光测距装置、与所述激光测距装置连接数据处理中心以及与所述数据处理中心连接的监管雷达、报警装置；

所述激光测距装置：用于采集激光发射端与障碍物之间的距离S；

所述监管雷达：用于采集河道的雷达图像；

所述数据处理中心：用于根据激光发射端与障碍物之间的距离S和河道宽度W的差值判断是否有超高船舶通过，并根据雷达图像确定是否超高船舶通过，确定时发出报警信号；

所述报警装置用于根据报警信号发出声光警报。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统，其特征在于：河道宽度小于500m时，所述激光测距装置通过激光对射遮断报警器实现，河道宽度大于500m是，所述激光测距装置通过激光测距仪实现，激光测距仪的激光发射端和激光反射装置设置于河岸两边，位于同一水平线上。

3.根据权利要求1所述的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统，其特征在于：还包括用于采集视频数据的视频监控设备。

4.一种根据权利要求1～3中任一项所述的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统的工作方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)数据处理中心将根据激光测距装置采集的激光发射端与障碍物之间的距离S判断是否有障碍物遮挡激光束；

2)数据处理中心将根据监管雷达采集的雷达图像获取河道中通航物体，判断是否为在航船舶；

3)数据处理中心将激光发射端与障碍物之间的距离S和雷达图像综合判断，确定是否有超高船舶通过，是则发出报警信号；

4)报警装置根据报警信号发出声光警报。

5.根据权利要求4所述的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统的工作方法，其特征在于：所述步骤1)中激光发射端与障碍物之间的距离S的计算方法为：

其中，c为激光在大气中的传播速度，t₁-t₂是激光在传输过程中往返的时间差，S是激光发射端到障碍物的距离。

6.根据权利要求5所述的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统的工作方法，其特征在于：所述步骤1)中数据控制中心对采集的激光发射端与障碍物之间的距离S用小波去噪阈值函数算法进行去噪处理。

7.根据权利要求4所述的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统的工作方法，其特征在于：所述步骤2)中对雷达图像的处理过程包括：

2.1)对雷达图像进行灰度变换，将彩色图像转换为8为灰度图像；

2.2)对雷达灰度图像进行中值滤波处理，提取雷达监测中的背景影像；

2.3)对经过中值滤波去噪的雷达影像进行边缘提取处理；

2.4)采用目标连通域识别算法提取雷达图像中的船舶目标。

8.根据权利要求7所述的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统的工作方法，其特征在于：所述中值滤波处理的过程为：

2.2.1)将雷达图像分为3*3像素点的窗口；

2.2.2)对每一个窗口的每一行像素点计算最大值、中值和最小值；

Maxi＝max[Mi1,Mi2,Mi3]

Med i＝med[Mi1,Mi2,Mi3]

Min i＝min[Mi1,Mi2,Mi3]

其中，i表示第i行，i＝1，2，3，max表示取最大值，med表示取中值，min表示取最小值。

2.2.3)分别对最大值取最小值，中值取中值，最小值取最大值得三个最大值中的最小值Min_of_Max，三个中值的中值Med_of_Med，三个最小值的最大值Max_of_Min：

Min_of_Max＝min[Max1,Max2,Max3]

Med_of_Med＝med[Med1,Med2,Med3]

Max_of_Min＝max[Min1,Min2,Min3]

2.2.4)对三个最大值中的最小值、三个中值中的中值，三个最小值中的最大值取中值，得到滤波结果：

Med_of_nine＝med[Min_of_Max,Med_of_Med,Max_of_Min]。

9.根据权利要求7所述的基于激光测距和雷达图像的内河船舶超高报警系统的工作方法，其特征在于：所述目标连通域识别算法的处理过程为：

2.4.1)逐行扫描图像，把每一行中连续的高亮度白色像素组成一个序列，称之为一个域，并依次记下域的起点、终点以及其所在的行号；

2.4.2)对于除了第一行外的所有行里的域，如果它与上一行中的所有域都没有重合区域，则给它一个新的域号；如果它仅与上一行中一个域有重合区域，则将上一行的域的域号赋给它；如果它与上一行两个以上的域重叠区域，则选取所有相连域中最小的域号，赋给当前域，并将上一行的相连域的域号写入等价对，说明它们属于同一个更大的域；

2.4.3)将等价对转换为等价序列，每一个序列都赋给相同的序列号，以表明该序列是等价的；

2.4.4)遍历所有的域，查找等价序列，给予新的域号；

2.4.5)将每个域的域号填入所标记的图像中；

2.4.6)统计所有域的面积，与船舶标准阈值进行比较，若当前域的面积超过船舶标准阈值，则判断雷达图像中有船舶，并提取雷达图像中的船舶目标，船舶标准阈值的设定受雷达位置影响，雷达距离监测航道越近，阈值越大，阈值的具体数值需要通过实地测试来确定；若当前域的面积没有超过船舶标准阈值，则作为噪声滤除。