CN115752465A - 一种雷达视频与海图叠加方法及系统 - Google Patents

一种雷达视频与海图叠加方法及系统 Download PDF

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周轲瑞
胡硕
郭浩
万凯
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Abstract

本发明提供了一种雷达视频与海图叠加方法及系统，属于雷达视频与海图的叠加技术领域，系统具体为：包括相连的雷达视频处理模块和电子海图处理模块；电子海图处理模块用于将本船位置信息通过墨卡托投影到电子海图对应位置，将电子海图经过坐标变换获取电子海图的显示屏幕坐标；雷达视频处理模块用于调取墨卡托直角坐标进行坐标转换，并对坐标转换后的雷达原始数据进行纬度渐长处理，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频；根据电子海图的显示屏幕坐标和具有墨卡托投影特性的雷达视频显示屏幕坐标，在显示屏幕上将雷达视频叠加到电子海图上；本发明可以实现雷达视频与电子海图的精准叠加。

Description

一种雷达视频与海图叠加方法及系统
技术领域
本发明属于雷达视频与海图的叠加技术领域，更具体地，涉及一种雷达视频与海图叠加方法及系统。
背景技术
电子海图和导航雷达是在船舶航行时为航海人员显示海上安全信息的系统。雷达视频与电子海图叠加显示能在航行水域海图信息的基础上提供本船、本船周围的静态目标与动态目标三者之间的位置关系，可实时监测船舶周围信息的变化，预测船舶当前的风险状态，避免事故的发生。
专利201210539779.5(名称：基于电子海图的雷达视频图像叠加方法)公开了一种基于电子海图的雷达视频图像叠加方法，采用统一的投影方式建立坐标系，根据投影参数建立雷达视频缓冲区，将实时雷达视频图像数据填入雷达视频缓冲区中，将雷达视频缓冲区内的数据绘制在电子海图数据上等步骤和方法，将雷达视频图像数据与电子海图数据相融合，作为船舶航行过程中的避碰手段。这种方法是通过软件作图方法将电子海图和雷达视频融合叠加，不涉及两种视频的精确叠加，随着雷达作用距离和纬度的变化，雷达视频中的目标信息与电子海图中的对应标识在距离上会出现较大偏离。
专利201310583005.7(名称：电子海图与雷达回波叠加显示系统)通过若干个功能模块将S57海图依次转换成自定义的SENC海图数据和电子海图矢量数据，并最终绘制在雷达PPI显示圆区，以实现电子海图的动态显示并与雷达视频信息的叠加显示。这种方法没有对电子海图数据和雷达视频数据的叠加精度做出要求和实现说明，只能在小量程和低纬度应用场景下使用。
由于电子海图一般采用墨卡托投影方法绘制，墨卡托投影是等角正圆柱投影，存在纬度渐长现象，使得纬度长度随着纬度升高而逐渐增长，从而使纬度间隔相等的纬线间距不相等。在工程实践中，直接把电子海图、雷达视频及二次目标分层显示时并不能实现精确叠加，在某些区域存在较大的误差。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种雷达视频与海图叠加方法及系统，旨在解决现有的在工程实践中直接把电子海图和雷达视频显示时不能实现精确叠加，导致某些区域存在较大误差的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种雷达视频与海图叠加系统，包括相连的雷达视频处理模块和电子海图处理模块；
所述电子海图处理模块用于将本船位置信息通过墨卡托投影到电子海图对应位置，将电子海图经过坐标变换获取电子海图的显示屏幕坐标；其中，本船位置信息包括本船经纬度信息；
所述雷达视频处理模块用于根据经纬度信息获取墨卡托直角坐标值；结合雷达方位和量程进行比例换算获取雷达视频显示屏幕坐标；根据相同比例对纬度渐长数据进行重采样处理，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频；根据电子海图的显示屏幕坐标和具有墨卡托投影特性的雷达视频的显示屏幕坐标，将雷达视频叠加到电子海图上。
进一步优选地，电子海图处理模块包括：顺次相连的GPS信号接口单元、电子海图单元、电子海图坐标转化单元和电子海图屏幕坐标单元；
所述GPS信号接口单元用于获取本船位置信息；
所述电子海图单元用于将本船位置信息经过墨卡托投影到电子海图对应位置；
所述电子海图坐标转化单元用于将存在本船位置信息的电子海图坐标转换为电子海图的显示屏幕坐标。
进一步优选地，雷达视频处理模块包括顺次相连的雷达视频单元、雷达视频经纬度坐标转化单元、雷达视频屏幕坐标转换单元、雷达视频纬度渐长计算单元、图像叠加单元和显示输出单元；
雷达视频单元用于雷达原始数据；雷达原始数据包含本船位置信息；
雷达视频经纬度坐标转化单元用于将雷达原始数据从经纬度坐标系转换到墨卡托直角坐标系下；
雷达视频屏幕坐标转换单元用于根据雷达方位、量程进行比例换算将墨卡托直角坐标转换为显示屏幕坐标；
雷达视频纬度渐长处理单元用于根据墨卡托直角坐标和显示屏幕坐标换算比例对纬度渐长数据进行重采样，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频；
图像叠加单元用于将具有墨卡托投影特性的雷达视频叠加到电子海图上；
显示输出单元用于将叠加后的雷达视频和电子海图输出到屏幕上显示。
进一步优选地，墨卡托投影方法为：
Figure BDA0003921041600000031
Figure BDA0003921041600000032
Figure BDA0003921041600000033
其中，x、y为墨卡托直角坐标；γ和
Figure BDA0003921041600000034
为地球坐标系的经度和纬度；a为地球椭球长半径；e为地球的第一偏心率；
Figure BDA0003921041600000035
为基准纬度；q为等量纬度；r0为基准纬度圈的半径。
另一方面，本发明提供了一种雷达视频与海图叠加方法，包括以下步骤：
S1：将本船位置信息通过墨卡托投影到电子海图对应位置，将电子海图经过坐标变换获取电子海图的显示屏幕坐标；
S2：根据雷达视频经纬度信息读取墨卡托直角坐标信息，将墨卡托直角坐标信息由雷达方位、量程进行比例换算得到雷达视频的显示屏幕坐标；
S3：并根据相同比例对纬度渐长数据进行重采样处理，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频；
S4：根据电子海图的显示屏幕坐标和具有墨卡托投影特性的雷达视频的显示屏幕坐标，在显示屏幕上将雷达视频叠加到电子海图上。
进一步优选地，墨卡托投影方法为：
Figure BDA0003921041600000041
Figure BDA0003921041600000042
Figure BDA0003921041600000043
其中，x、y为墨卡托直角坐标；γ和
Figure BDA0003921041600000044
为地球坐标系的经度和纬度；a为地球椭球长半径；e为地球的第一偏心率；
Figure BDA0003921041600000045
为基准纬度；q为等量纬度；r0为基准纬度圈的半径。
进一步优选地，雷达视频处理模块设置在FPGA芯片上，所述墨卡托直角坐标信息以查找表的形式存储在eeprom芯片中；对坐标转换后的雷达原始数据进行纬度渐长处理的具体方法为：
FPGA根据雷达视频数据的经纬度信息从eeprom芯片中读取墨卡托直角坐标信息，并将墨卡托直角坐标信息由雷达方位、量程进行比例换算得到雷达视频的显示屏幕坐标；根据相同的比例对纬度渐长数据进行重采样处理，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明所提供的一种雷达视频与海图叠加方法及系统，由于墨卡托投影获得的电子海图存在纬度渐长现象，纬度长度随着纬度升高而逐渐增长，从而使纬度间隔相等的纬线间距不相等；直接把电子海图、雷达视频及二次目标分层显示时并不能实现精确叠加，在某些区域存在较大的误差，因此本发明先根据经纬度信息读取墨卡托直角坐标信息，再转换为屏幕显示坐标，由两种坐标的比例换算对纬度渐长数据进行重采样处理得到具有墨卡托投影特性的雷达视频数据；此时在显示屏幕上将具有墨卡托投影特性雷达视频叠加到电子海图上，可以实现雷达视频与电子海图的精准叠加。
在实际应用中本发明结合了FPGA芯片的强实时特性与软件浮点计算优势对雷达视频进行纬度渐长处理，在不同的纬度时通过软件浮点计算并将数据更新到FPGA中进行墨卡托直角坐标换算，利用FPGA强实时特性与查找表降低计算量的特性快速完成对墨卡托坐标变换的处理，进而对纬度渐长数据进行处理，可消除传统雷达与海图叠加时的纬度渐长现象，实现了雷达视频与电子海图的精确叠加，提高了船舶的态势感知和风险预警能力，可广泛应用于船舶的航行预警系统。
本发明将软件计算的不同纬度坐标信息参数以查找表形式储存于eeprom中，其特征是更新eeprom中数据时采用在线加载方式，在纬度变化较大时，通过上位机软件计算墨卡托直角坐标信息，更新eeprom中查找表数据，利用eeprom器件的高速读写能力，提高墨卡托直角坐标信息的访问速度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的软硬件协同叠加雷达视频与海图示意框图；
图2是本发明实施例提供的纬度渐长计算示意框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明提供了一种雷达视频与海图叠加系统，包括GPS信号接口单元、电子海图单元、电子海图坐标转化单元、电子海图屏幕坐标单元、雷达视频单元、第一雷达视频坐标转化单元、第二雷达视频坐标转化单元、雷达视频纬度渐长计算单元、图像叠加单元和显示输出单元；
GPS信号接口单元用于获取本船位置信息，包括经纬度信息；
电子海图单元用于将本船位置信息经过墨卡托投影到电子海图对应位置；
电子海图坐标转化单元用于将电子海图坐标转换为电子海图的显示屏幕坐标；
墨卡托投影获得的电子海图存在纬度渐长现象，纬度长度随着纬度升高而逐渐增长，从而使纬度间隔相等的纬线间距不相等；直接把电子海图、雷达视频及二次目标分层显示时并不能实现精确叠加，在某些区域存在较大的误差，因此需要对原始雷达视频做计算处理；
雷达视频单元用于获取雷达原始数据；
第一雷达视频坐标转化单元用于将雷达原始数据从经纬度坐标系转换到墨卡托直角坐标系下。
第二雷达视频坐标转化单元用于根据雷达方位、量程进行比例换算将墨卡托直角坐标转换为显示屏幕坐标。
雷达视频纬度渐长处理单元用于根据墨卡托直角坐标和显示屏幕坐标换算比例对纬度渐长数据进行重采样，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频；
在FPGA内部处理时提前将换算好的墨卡托直角坐标值写入eeprom中；根据雷达视频的经纬度坐标信息，从eeprom中读取对应的墨卡托直角坐标值，采用eeprom的方式规避在FPGA内部进行复杂计算的过程，其中，墨卡托投影变换公式如下：
Figure BDA0003921041600000061
Figure BDA0003921041600000062
Figure BDA0003921041600000063
其中，x、y为墨卡托直角坐标；γ和
Figure BDA0003921041600000064
为地球坐标系的经度和纬度；a为地球椭球长半径；e为地球的第一偏心率；
Figure BDA0003921041600000065
为基准纬度；q为等量纬度；r0为基准纬度圈的半径；
图像叠加单元用于将坐标转换后的雷达视频叠加到电子海图上，实现精确叠加；
显示输出单元用于将叠加后的雷达视频和电子海图输出到屏幕上显示。
另一方面，本发明提供了一种雷达视频与海图叠加方法，包括以下步骤：
S1：确定本船所在位置在屏幕中的电子海图中的位置；
1a.GPS接收本船位置信息；
1b.将该本船位置信息经墨卡托投影转换成对应电子海图的对应位置；
1c.电子海图坐标与屏幕坐标变换，得到本船所在位置在屏幕中的电子海图中的位置；
S2：确定本船所在位置雷达视频在屏幕中的电子海图中的位置；
2a.GPS接收本船位置信息；
2b.将雷达视频的二维经纬度坐标转换为墨卡托直角坐标；
2c.根据雷达方位、量程进行比例换算将墨卡托直角坐标转换为显示屏幕坐标；
2d.雷达视频纬度渐长处理单元根据墨卡托直角坐标和显示屏幕坐标换算比例对纬度渐长数据进行重采样，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频。
2e.将具有墨卡托投影特性的雷达视频和电子海图叠加处理。
S3：将叠加后的图像输出至显示单元显示。
如图2所示为纬度渐长计算示意框图；雷达视频处理模块为FPGA平台，FPGA芯片将经纬度坐标系的雷达视频转化为墨卡托直角坐标，再转为屏幕对应坐标，再将转换坐标后的雷达视频进行纬度渐长数据处理，在eeprom芯片中存储有墨卡托直角坐标对应查找表，通过计算机软件计算不同经纬度的墨卡托直角坐标，以查找表的形式存储在eeprom芯片中，FPGA在进行纬度渐长处理时，根据墨卡托直角坐标和屏幕坐标对应系数，对纬度渐长数据进行重采样处理得到具有墨卡托特性的雷达视频数据。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种雷达视频与海图叠加系统，其特征在于，包括相连的雷达视频处理模块和电子海图处理模块；
所述电子海图处理模块用于将本船位置信息通过墨卡托投影到电子海图对应位置，将电子海图经过坐标变换获取电子海图的显示屏幕坐标；其中，本船位置信息包括本船经纬度信息；
所述雷达视频处理模块用于根据经纬度信息获取墨卡托直角坐标；结合雷达方位和量程进行比例换算获取雷达视频显示屏幕坐标；根据相同比例对纬度渐长数据进行重采样处理，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频；根据电子海图的显示屏幕坐标和具有墨卡托投影特性的雷达视频的显示屏幕坐标，将雷达视频叠加到电子海图上。
2.根据权利要求1所述的雷达视频与海图叠加系统，其特征在于，所述电子海图处理模块包括：顺次相连的GPS信号接口单元、电子海图单元、电子海图坐标转化单元和电子海图屏幕坐标单元；
所述GPS信号接口单元用于获取本船位置信息；
所述电子海图单元用于将本船位置信息经过墨卡托投影到电子海图对应位置；
所述电子海图坐标转化单元用于将存在本船位置信息的电子海图坐标转换为电子海图的显示屏幕坐标。
3.根据权利要求1或2所述的雷达视频与海图叠加系统，其特征在于，雷达视频处理模块包括顺次相连的雷达视频单元、雷达视频经纬度坐标转化单元、雷达视频屏幕坐标转换单元、雷达视频纬度渐长计算单元、图像叠加单元和显示输出单元；
雷达视频单元用于雷达原始数据；雷达原始数据包含本船位置信息；
雷达视频经纬度坐标转化单元用于根据雷达原始数据中的经纬度信息获取墨卡托直角坐标；
雷达视频屏幕坐标转换单元用于根据雷达方位和量程进行比例换算将墨卡托直角坐标转换为显示屏幕坐标；
雷达视频纬度渐长处理单元用于根据墨卡托直角坐标和显示屏幕坐标换算比例对纬度渐长数据进行重采样，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频；
图像叠加单元用于将具有墨卡托投影特性的雷达视频叠加到电子海图上；
显示输出单元用于将叠加后的雷达视频和电子海图输出到屏幕上显示。
4.根据权利要求1或2所述的雷达视频与海图叠加系统，其特征在于，墨卡托投影方法为：
Figure FDA0003921041590000021
Figure FDA0003921041590000022
Figure FDA0003921041590000023
其中，x、y为墨卡托直角坐标；γ和
Figure FDA0003921041590000024
为地球坐标系的经度和纬度；a为地球椭球长半径；e为地球的第一偏心率；
Figure FDA0003921041590000025
为基准纬度；q为等量纬度；r0为基准纬度圈的半径。
5.一种雷达视频与海图叠加方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将本船位置信息通过墨卡托投影到电子海图对应位置，将电子海图经过坐标变换获取电子海图的显示屏幕坐标；
S2：根据雷达视频经纬度信息读取墨卡托直角坐标信息，将墨卡托直角坐标信息由雷达方位、量程进行比例换算得到雷达视频的显示屏幕坐标；
S3：并根据相同比例对纬度渐长数据进行重采样处理，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频；
S4：根据电子海图的显示屏幕坐标和具有墨卡托投影特性的雷达视频的显示屏幕坐标，在显示屏幕上将雷达视频叠加到电子海图上。
6.根据权利要求5所述的雷达视频与海图叠加方法，其特征在于，墨卡托投影方法为：
Figure FDA0003921041590000031
Figure FDA0003921041590000032
Figure FDA0003921041590000033
其中，x、y为墨卡托直角坐标；γ和
Figure FDA0003921041590000034
为地球坐标系的经度和纬度；a为地球椭球长半径；e为地球的第一偏心率；
Figure FDA0003921041590000035
为基准纬度；q为等量纬度；r0为基准纬度圈的半径。
7.根据权利要求5或6所述的雷达视频与海图叠加方法，其特征在于，所述雷达视频处理模块设置在FPGA芯片上，所述墨卡托直角坐标信息以查找表的形式存储在eeprom芯片中；对原始雷达数据进行纬度渐长处理的具体方法为：
FPGA根据经纬度信息从eeprom芯片中读取墨卡托直角坐标信息，并将墨卡托直角坐标信息由雷达方位、量程进行比例换算得到雷达视频的显示屏幕坐标；根据相同的比例对纬度渐长数据进行重采样处理，获取具有墨卡托投影特性的雷达视频。
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CN117573796A (zh) * 2024-01-17 2024-02-20 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 一种根据航线自动筛选纸海图的方法及系统

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