CN109683163A - 一种防碰撞雷达报警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防碰撞雷达报警系统，包括航海雷达和防碰撞告警设备，航海雷达的发射机/接收机和显示终端通过端口适配器与所述防碰撞告警设备相连接；防碰撞告警设备包括：显示器；报警装置；测深仪；数据采集器；数据校验器；数据处理器；主控制器，接收数据处理器处理后的数据信息，预测目标运动的未来趋势，对目标危险度进行实时评估判断，控制将目标信息以图形和字符两种方式显示于显示器，并控制报警装置发出声、光报警信号。本发明能获取该区域的当前航行数据，使得船舶能够避免其他船只、岛块或漂浮物的撞击，有效提高航行的安全性。
Description
技术领域
本发明属于雷达系统技术领域，更具体的说是涉及一种防碰撞雷达报警系统。
背景技术
船用雷达主要用来发现和测定周围目标的方向和距离，正确地显示岸线、航标、其他航行船舶或其他标志物相对于雷达的坐标位置，以便本船采取正确的航行姿态。
目前基本上的中、大型民用船只大部分都采用AIS系统，AIS系统虽然兼有提供辅助信息来协助避碰的作用，但是对没有装备AIS系统的船只无效。船载VHF无线电话虽可以进行船间对话，了解他船的信息和状态，进行协商避碰，但由于操作者语言表达和沟通中存在的歧义和误解，使信息交换速度慢且不规范，往往延误时间又没有起到协商避碰的作用。除了船只间相互避碰以外，船舶搁浅或触礁也是必须避免的。
因此，如何提供一种防碰撞雷达报警系统成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种防碰撞雷达报警系统，能获取该区域的当前航行数据，使得船舶能够避免其他船只、岛块或漂浮物的撞击，有效提高航行的安全性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种防碰撞雷达报警系统，包括：航海雷达和防碰撞告警设备，所述航海雷达的发射机/接收机和显示终端通过端口适配器与所述防碰撞告警设备相连接；
其中，防碰撞告警设备包括：
显示器；
报警装置；
测深仪，测量水深数据；
数据采集器，用于从航海雷达上采集雷达探测信号、回波信号、船首信号，利用探测信号和回波信号计算目标距离和目标角度，利用船首信号判断航海雷达的扫描帧是否结束，将扫描帧数据输出给数据校验器；
数据校验器，将数据采集器采集的数据信息进行校验；
数据处理器，将校验好的雷达数据和水深数据进行处理，并将处理结果输送至主控制器；
主控制器，接收数据处理器处理后的数据信息，预测目标运动的未来趋势，对目标危险度进行实时评估判断，控制将目标信息以图形和字符两种方式显示于显示器，并控制报警装置发出声、光报警信号。
进一步，所述主控制器包括：
点迹提取模块，用于从扫描帧数据中提取目标点迹数据；
航迹相关模块，用于通过航迹关联算法进行关联，对目标航迹连续跟踪，形成目标的历史航迹；
航迹跟踪模块，用于对历史航迹采用多点求均值的平滑处理形成目标的位置与速度信息，实现航迹实时跟踪处理；
航迹预测模块，用于根据目标位置、方位、相对速度的实时计算和外推处理，对目标的未来运动趋势进行预测；
危险实时评估模块，用于提取各目标的航迹参数计算出目标的航向系数、径向速度、航路捷径点位置、到达航路捷径点的时间，按照预定的危险度参数阈值和危险判据准则，对目标危险度进行实时综合评估和逻辑判断；
告警信息显示控制模块，用于按照危险实时评估模块给出的危险判断结果自动生成目标的电子标绘图形，并控制显示器以图形和字符两种形式直观地显示目标信息，同时控制报警装置发出声、光报警信号。
进一步，数据采集器包括包括GPS定位系统、罗经和计程仪。
进一步，所述数据处理器包括周围船只信息处理单元、海浪信息处理单元和水深数据处理单元。
进一步，防碰撞告警设备还包括数据存储器，用于将数据处理器处理后的数据进行保存。
进一步，当显示器需要显示的船舶或障碍物的数量超过预先设定的规定范围时，根据预先设定的标准，仅选择性地显示对应于上述标准的船舶或障碍物的图形，或者能够放大或缩小上述图形，从而能够提高可读性。
进一步，防碰撞告警设备还包括避让信息提供单元，根据数据处理后的信息，通过制作成图形来显示对基于时间变化的各个船舶及障碍物与自身船舶之间的相对距离的变化。
进一步，所述避让信息提供单元在执行通过制作成图形来显示基于时间变化的各个船舶及障碍物的相对距离的变化的同时，还执行如下的处理：一同显示在接近地点及最接近地点中的、包括相对于自身船舶的对方船舶的相对方位角、行驶方向、接近距离、接近时间的航海信息及表示需要回避的阈值的碰撞界线，从而一目了然地就能够容易地掌握相对于各个上述船舶及上述障碍物的碰撞与否及风险性。
本发明的有益效果在于：
本发明防碰撞告警设备从雷达上采集目标原始数据，经变换和二次信息加工，使系统具有自动目标跟踪，危险目标自动识别，目标危险度实时平估和智能判断，目标信息的自动标绘，和全自动防撞告警功能。操船者接到报警信号后可以有足够的时间自主地采取相应的避碰措施规避碰撞危险。因此，本系统对保证船舶航行、作业和锚泊安全具有重要意义。另外，本发明可对船舶由于避碰、风场变化、航行过浅而需要航线改变的情况进行智能导航，能获取该区域的当前航行数据，使得船舶能够避免其他船只、岛块或漂浮物的撞击，有效提高航行的安全性。
本发明规定范围内航海中的各个船舶及障碍物的相对距离变化，并且通过一同显示各个船舶的左右位置关系，一目了然地就容易地掌握如附近航海中的船舶及桥梁等的周围障碍物的位置与交错时间及避让与否，因而有助于迅速且准确的情况判断，从而可一目了然地就容易地掌握附近航海中的船舶及障碍物的位置与交错时间及避让与否的同时，可有效地防止航海中的船舶之间发生碰撞及船舶与障碍物之间发生碰撞。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的结构框图。
图2附图为本发明防碰撞告警设备的结构框图。
图3附图为本发明主控制器的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1-3，本发明提供了一种防碰撞雷达报警系统，包括：航海雷达和防碰撞告警设备，航海雷达的发射机/接收机和显示终端通过端口适配器与防碰撞告警设备相连接；
其中，防碰撞告警设备包括：
显示器；
报警装置；
测深仪，测量水深数据；
数据采集器，用于从航海雷达上采集雷达探测信号、回波信号、船首信号，利用探测信号和回波信号计算目标距离和目标角度，利用船首信号判断航海雷达的扫描帧是否结束，将扫描帧数据输出给数据校验器。数据采集器采用低成本的FPGA电路实现，其通过电缆接收来自发射机/接收机输出的雷达信号，其中包括：视频信号、探测信号和船首信号。视频信号是雷达回波信号经检波后的输出信号，含有目标位置和角度信息，用于目标识别与位置测量；探测信号是雷达系统的距离探测脉冲，是雷达系统测距的基准；船首信号含有本船(即装备了航海雷达的船舶)的船首信息，是雷达系统测角的基准脉冲。数据采集器对这些雷达信号进行数据采集和预处理。
数据校验器，将数据采集器采集的数据信息进行校验；
数据处理器，将校验好的雷达数据和水深数据进行处理，并将处理结果输送至主控制器；
主控制器，接收数据处理器处理后的数据信息，预测目标运动的未来趋势，对目标危险度进行实时评估判断，控制将目标信息以图形和字符两种方式显示于显示器，并控制报警装置发出声、光报警信号。
主控制器包括：
点迹提取模块，用于从扫描帧数据中提取目标点迹数据。
航迹相关模块，用于通过航迹关联算法进行关联，对目标航迹连续跟踪，形成目标的历史航迹。
航迹跟踪模块，用于对历史航迹采用多点求均值的平滑处理形成目标的位置与速度信息，实现航迹实时跟踪处理。
航迹预测模块，用于根据目标位置、方位、相对速度的实时计算和外推处理，对目标的未来运动趋势进行预测。
危险实时评估模块，用于提取各目标的航迹参数计算出目标的航向系数、径向速度、航路捷径点位置、到达航路捷径点的时间，按照预定的危险度参数阈值和危险判据准则，对目标危险度进行实时综合评估和逻辑判断。
告警信息显示控制模块，用于按照危险实时评估模块给出的危险判断结果自动生成目标的电子标绘图形，并控制显示器以图形和字符两种形式直观地显示目标信息，同时控制报警装置发出声、光报警信号。
利用船首信号判断航海雷达扫描帧是否结束，从航海雷达1扫描获得目标船舶的雷达回波数据。
由数据采集器获取航海雷达的雷达回波数据进行采样、变换和预处理，形成雷达扫描帧数据输出给点迹提取模块。
点迹提取模块从雷达扫描帧数据中提取目标点迹信息，完成对目标回波的检测与预处理。
由于海杂波、雨雪杂波等杂波的影响，雷达回波数据中既有目标船舶的回波数据，又有杂波数据，因此，点迹提取模块需要通过识别算法从雷达回波中区分杂波与目标回波，实现从雷达扫描帧数据中提取目标点迹数据。
点迹提取模块提取出来的每帧中的目标点迹数据由航迹相关模块通过航迹关联算法进行关联后，完成对目标航迹的连续跟踪，形成目标的历史航迹。
关联算法包括航迹起始、点航相关(即点迹航迹相关)、航迹滤波与预测。
航迹起始指建立第一点航迹。通常可从两个相继目标回波中求得目标初始运动状态的估计值，包括目标的位置和速度。目标速度可由目标位移对雷达扫描时间的导数值算出。如果出现虚警或杂波剩余较多的情况，这种方法就不可靠。因而，需要处理较长的点迹串并把那些与预期目标特性相一致的序列作为航迹进行起始。
点航相关是指建立第一点航迹后，下一次扫描时，获得同一目标的下一个点迹数据，将其点迹数据与航迹关联起来。
航迹滤波与预测是指假定目标以一定的速度运动，则在下次扫描时，目标的位置可以利用其当前位置和速度的估计值来预测。
目标航迹队列内存储了目标在一段时间内的历史轨迹，航迹跟踪模块对航迹采用多点求均值的平滑处理形成目标的位置与速度信息，实现航迹实时跟踪处理。
航迹预测模块通过对目标位置、方位、相对速度等参数的实时计算和外推，对目标未来趋势进行预测。
危险实时评估模块提取各目标的航迹参数计算出目标的航向系数、径向速度、航路捷径点位置(距离和方位)、到达航路捷径点的时间等参数(我们将其定义为“危险度参数”)，按照预定的危险度参数阈值和危险判据准则，对目标危险度进行实时综合评估和逻辑判断，识别出危险目标，并按威胁程度的不同，将危险度自动地由低到高划分成三个等级。
三级危险目标：存在碰撞可能性，需引起注意的目标；
二级危险目标：有明显碰撞趋势，需密切关注的目标；
一级危险目标：碰撞迫在眉睫，需紧急避让的目标。
告警信息显示控制模块按照危险实时评估模块给出的危险判断结果，控制防撞告警设备的显示器和报警装置工作。由于本船和目标船都是动态的，当目标危险度变化或不再构成威胁时，告警信息显示控制模块自动发出指令，改变危险等级或撤销告警。
显示器和报警装置受告警信息显示控制模块的控制，按照告警信息显示控制模块根据危险实时评估模块得出的危险等级发出相应的控制信号，显示器以图形和字符两种形式直观的显示目标信息，而报警装置发出声、光报警信号给出听觉和视觉上的告警。
为了进一步优化上述技术方案，数据采集器包括包括GPS定位系统、罗经和计程仪。GPS定位系统采集船舶当前的位置信息、罗经采集船舶当前的航向信息、计程仪采集船舶当前的航速信息。
为了进一步优化上述技术方案，数据处理器包括周围船只信息处理单元、海浪信息处理单元和水深数据处理单元。周围船只信息处理单元滤除掉船只周围的海浪背景信息，得到周围船只相对于导航雷达的位置信息。海浪信息处理单元将周围船只相对于雷达的位置信息作为噪声滤除，得到船只周围预设范围内的船只周围的海浪背景信息，计算出船只周围的风向、风速变化。水深数据处理单元将测深仪实时探测船只的水深数据进行放大处理。
为了进一步优化上述技术方案，防碰撞告警设备还包括数据存储器，用于将数据处理器处理后的数据进行保存，以便于后续数据的调取、分析等。
当显示器需要显示的船舶或障碍物的数量超过预先设定的规定范围时，根据预先设定的标准，仅选择性地显示对应于上述标准的船舶或障碍物的图形，或者能够放大或缩小上述图形，从而能够提高可读性。当利用用于根据本发明的实施例的船舶的避碰的时间序列界面显示方法时，通过时间序列图形来显示基于时间变化的对在规定范围内航海中的各个船舶及障碍物的相对距离变化，此时，在船舶的情况下，通过一同显示各个船舶的左右位置关系，可一目了然地就容易地掌握附近航海中的船舶及障碍物的位置与交错时间及避让与否，因而有助于迅速且准确的情况判断，除此之外，在与特定船舶或障碍物之间的距离为预先设定的阈值以下的情况下，利用警报等来向具有避让义务的船舶通知避让，从而可有效地防止船舶之间发生碰撞及船舶鸡障碍物发生碰撞。
防碰撞告警设备还包括避让信息提供单元，根据数据处理后的信息，通过制作成图形来显示对基于时间变化的各个船舶及障碍物与自身船舶之间的相对距离的变化。可容易地掌握一些附近航海中的船舶及障碍物的位置与交错时间及避让与否，并且可有效地防止发生碰撞的同时，通过输入任意值，来实现对交错及避让的模拟，从而可在计划短距离中的用于避让的航线时，迅速且准确地判断避让与否。
避让信息提供单元在执行通过制作成图形来显示基于时间变化的各个船舶及障碍物的相对距离的变化的同时，还执行如下的处理：一同显示在接近地点及最接近地点中的、包括相对于自身船舶的对方船舶的相对方位角、行驶方向、接近距离、接近时间的航海信息及表示需要回避的阈值的碰撞界线，从而一目了然地就能够容易地掌握相对于各个上述船舶及上述障碍物的碰撞与否及风险性。当图形下降至界线以下时，意味着发生碰撞的风险高，因而，通过确认在图形中一同显示的如数字及标记等的信息，来掌握接近地点及最接近地点中的相对于自身船舶的对方船舶的相对方位角、行驶方向、接近距离、接近时间等，预先确定回避路线来进行回避的同时，在船舶的情况下，还向该船舶预先发出警报，从而可防止事故发生于未然。
本发明防碰撞告警设备从雷达上采集目标原始数据，经变换和二次信息加工，使系统具有自动目标跟踪，危险目标自动识别，目标危险度实时平估和智能判断，目标信息的自动标绘，和全自动防撞告警功能。操船者接到报警信号后可以有足够的时间自主地采取相应的避碰措施规避碰撞危险。因此，本系统对保证船舶航行、作业和锚泊安全具有重要意义。另外，本发明可对船舶由于避碰、风场变化、航行过浅而需要航线改变的情况进行智能导航，能获取该区域的当前航行数据，使得船舶能够避免其他船只、岛块或漂浮物的撞击，有效提高航行的安全性。
本发明规定范围内航海中的各个船舶及障碍物的相对距离变化，并且通过一同显示各个船舶的左右位置关系，一目了然地就容易地掌握如附近航海中的船舶及桥梁等的周围障碍物的位置与交错时间及避让与否，因而有助于迅速且准确的情况判断，从而可一目了然地就容易地掌握附近航海中的船舶及障碍物的位置与交错时间及避让与否的同时，可有效地防止航海中的船舶之间发生碰撞及船舶与障碍物之间发生碰撞。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种防碰撞雷达报警系统，其特征在于，包括：航海雷达和防碰撞告警设备，所述航海雷达的发射机/接收机和显示终端通过端口适配器与所述防碰撞告警设备相连接；
其中，防碰撞告警设备包括：
显示器；
报警装置；
测深仪，测量水深数据；
数据采集器，用于从航海雷达上采集雷达探测信号、回波信号、船首信号，利用探测信号和回波信号计算目标距离和目标角度，利用船首信号判断航海雷达的扫描帧是否结束，将扫描帧数据输出给数据校验器；
数据校验器，将数据采集器采集的数据信息进行校验；
数据处理器，将校验好的雷达数据和水深数据进行处理，并将处理结果输送至主控制器；
主控制器，接收数据处理器处理后的数据信息，预测目标运动的未来趋势，对目标危险度进行实时评估判断，控制将目标信息以图形和字符两种方式显示于显示器，并控制报警装置发出声、光报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种防碰撞雷达报警系统，其特征在于，所述主控制器包括：
点迹提取模块，用于从扫描帧数据中提取目标点迹数据；
航迹相关模块，用于通过航迹关联算法进行关联，对目标航迹连续跟踪，形成目标的历史航迹；
航迹跟踪模块，用于对历史航迹采用多点求均值的平滑处理形成目标的位置与速度信息，实现航迹实时跟踪处理；
航迹预测模块，用于根据目标位置、方位、相对速度的实时计算和外推处理，对目标的未来运动趋势进行预测；
危险实时评估模块，用于提取各目标的航迹参数计算出目标的航向系数、径向速度、航路捷径点位置、到达航路捷径点的时间，按照预定的危险度参数阈值和危险判据准则，对目标危险度进行实时综合评估和逻辑判断；
告警信息显示控制模块，用于按照危险实时评估模块给出的危险判断结果自动生成目标的电子标绘图形，并控制显示器以图形和字符两种形式直观地显示目标信息，同时控制报警装置发出声、光报警信号。
3.根据权利要求1所述的一种防碰撞雷达报警系统，其特征在于，数据采集器包括包括GPS定位系统、罗经和计程仪。
4.根据权利要求1或3所述的一种防碰撞雷达报警系统，其特征在于，所述数据处理器包括周围船只信息处理单元、海浪信息处理单元和水深数据处理单元。
5.根据权利要求1所述的一种防碰撞雷达报警系统，其特征在于，防碰撞告警设备还包括数据存储器，用于将数据处理器处理后的数据进行保存。
6.根据权利要求1所述的一种防碰撞雷达报警系统，其特征在于，当显示器需要显示的船舶或障碍物的数量超过预先设定的规定范围时，根据预先设定的标准，仅选择性地显示对应于上述标准的船舶或障碍物的图形，或者能够放大或缩小上述图形，从而能够提高可读性。
7.根据权利要求6所述的一种防碰撞雷达报警系统，其特征在于，防碰撞告警设备还包括避让信息提供单元，根据数据处理后的信息，通过制作成图形来显示对基于时间变化的各个船舶及障碍物与自身船舶之间的相对距离的变化。
8.根据权利要求7所述的一种防碰撞雷达报警系统，其特征在于，所述避让信息提供单元在执行通过制作成图形来显示基于时间变化的各个船舶及障碍物的相对距离的变化的同时，还执行如下的处理：一同显示在接近地点及最接近地点中的、包括相对于自身船舶的对方船舶的相对方位角、行驶方向、接近距离、接近时间的航海信息及表示需要回避的阈值的碰撞界线，从而一目了然地就能够容易地掌握相对于各个上述船舶及上述障碍物的碰撞与否及风险性。
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