CN201532463U - 用于船舶的防碰撞告警雷达系统及设备 - Google Patents

Abstract

一种用于船舶的防碰撞告警雷达系统，具有：航海雷达；防碰撞告警设备；将航海雷达的发射机/接收机与显示终端和防碰撞告警设备连接起来的3端口适配器；其中，防碰撞告警设备包括：显示器；报警装置；数据采集板，用于从雷达上采集探测信号、回波信号、船首信号，计算出目标距离和角度，将雷达扫描形成的帧数据送给计算机板；计算机板，用于从帧数据中提取目标点迹数据，通过航迹关联算法关联和平滑处理，预测目标运动的未来趋势，并对目标危险度进行实时评估判断，然后控制显示器和报警装置，进行信息显示和发出报警信号。本实用新型还公开了一种用于船舶的防碰撞告警雷达设备。本实用新型实现成本较低，对保证船舶航行安全具有重要意义。

Description

用于船舶的防碰撞告警雷达系统及设备

技术领域

本实用新型涉及一种雷达系统，尤其是涉及一种用于船舶的全自动智能化防碰撞告警雷达系统。

背景技术

据统计，我国目前从事近海捕捞的渔业船舶多达28万艘，加上近海运输船总数达40余万艘；且两类船舶又多集中在商船航道及其附近海域，导致在近海海域船只密集，撞船事故频发。特别是渔船，由于吨位小所以在碰撞事故中自然地成为最大的受害者，经常是船毁人亡损失惨重。据全国2007年渔船碰撞事故统计，共发生撞船事故318起，沉船210艘，死亡319人。尽管大部分渔船都装备了航海雷达设备，但这些雷达都是经济型航海雷达既没有目标跟踪能力也没有自动防撞告警功能，故撞船事故仍居高不下。

目前国内外应用的与船舶防撞相关的设备产品有两种。

1、ARPA(Automatic Radar Plotting Aid，自动雷达标绘仪)雷达。ARPA雷达是一种高性能航海雷达，兼有避碰告警功能。可人工选定20个以上跟踪目标，设定本船和目标最近会遇点距离(CPA)和到达最近会遇点的时间(TCPA)界限。当目标的CPA和TCPA小于设定界限时，会自动报警，提醒驾驶人员采取避让措施。ARPA雷达价格昂贵，操作使用复杂。一般只在大型商船和远洋渔轮上装备，近海渔船一般很少使用这种雷达。

2、AIS(Automatic Identification System，自动识别系统)。

AIS系统由AIS陆上基站、AIS船台、船载GPS、通信系统、AIS数据链、计算机网络和信息系统组成。是一个大管理系统，主要用于海上目标识别，交通信息管理，也能对装有AIS船台的船舶提供一些协助避碰的辅助信息。国际海事组织(IMO)规定了在从事国际航运的大型船舶上，强制安装AIS船台的要求，但考虑到成本太高，对总吨位小于500吨的中小型渔船和近海运输船并不要求装备。AIS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。

所以，以上两种系统都不适于近海渔船，主要原因是系统复杂、价格昂贵。目前，能与中小型船舶使用的经济型航海雷达配套的专业自动防撞告警设备还属于空白。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种用于船舶的全自动智能化防碰撞告警系统及设备，用来将目前中小型船舶使用的经济型航海雷达改造成具有自动目标跟踪、危险目标识别、危险等级判断和和自动防撞告警的新雷达系统。

本实用新型采用如下技术方案来达成上述目的：一种用于船舶的防碰撞告警雷达系统，具有：船舶上已装备的或新购的经济型航海雷达；防碰撞告警设备；将航海雷达的发射机/接收机与显示终端、防碰撞告警设连接起来的3端口的适配器；

其中，防碰撞告警设备包括：

数据采集板，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，且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计算机板；

计算机板，用于从扫描帧数据中提取目标点迹数据，对目标点迹数据通过航迹关联算法关联和平滑处理，从而预测目标运动的未来趋势，并对目标危险度进行实时评估判断，控制显示器显示判断结果，同时控制报警装置发出报警信号；

显示器，以图形和数据两种形式显示目标信息特别是危险目标信息。

报警装置，以声、光两种方式发出危险目标报警信号。

其中，所述数据采集板包括：

同步整形电路，对输入的探测信号和船首信号进行整形处理；

信号展宽放大电路，用于展宽雷达回波信号的脉冲宽度、放大雷达回波信号的信号幅度；

门限电路，用于根据输入的门限设定值判断从信号展宽放大电路输出的雷达回波信号前沿超过门限且满足一定信号宽度时，输出一个计数控制信号到串接的第一、第二计数器；

第一计数器，用于根据计数控制信号进行计数，且在计数达到宽度限定值之前，如果有新的计数控制信号输入，则第一计数器重新开始计数，但不向第二计数器输出计数控制信号；

第二计数器，用于由探测信号控制，根据计数控制信号进行计数，获得对应目标距离的计数结果；

同步器，用于将探测信号的前沿取出作为距离起始信号，控制第二计数器开始计数，且将下一探测信号的前沿取出作为本次探测的距离结束信号，并作为中断信号向计算机板请求中断；

第三计数器，用于以船首信号为基准，对探测信号进行计数，获得对应每一个目标的角度信息的计数结果。

其中，所述分别对应目标距离和角度信息的计数结果保存在缓存单元，形成扫描帧数据，且通过中断将扫描帧数据输出至计算机板。

其中，所述第一、第二计数器的计数基准频率为5MHz。

其中，所述计算机板包括：

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电子标绘图形，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。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的核心是提出了一个全自动，智能化的防碰撞告警设备。该设备与船用经济型航海雷达配合使用构成一个新的防碰撞告警雷达系统，航海雷达既可以是船舶上已装备的，也可以是新购置的。通过专门设计的3端口适配器，防碰撞告警设备可以和任何型号的经济型航海雷达匹配连接。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，使新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。

附图说明

图1是本实用新型的防撞告警设备与现有经济型航海雷达的连接示意图；

图2是图1中防撞告警设备的电路模块示意图；

图3是本实用新型实现目标的流程示意图；

图4是本实用新型生成的电子标绘图形的定义示意图；

图5是本实用新型的显示器全景目标显示模式下的显示示意图；

图6是本实用新型的显示器在危险目标显示模式下的显示示意图。

具体实施方式

如图1所示。本实用新型提出了一种基于航海雷达的全自动智能化的专业船舶防碰撞告警雷达系统。该雷达系统包括：船用经济型的航海雷达1，其中包括雷达天线11、发射机/接收机12、显示终端13；与航海雷达1连接的防碰撞告警设备2，该防碰撞告警设备2具有独立的显示器和报警装置，用于从航海雷达1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、危险目标识别、危险等级判断和和自动防撞告警功能；一个3端口的适配器，将航海雷达1的发射机/接收机12与显示终端13连接，同时将发射机/接收机12连接防碰撞告警设备2。

当操船者接到防碰撞告警设备2发出的报警信号后，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。

结合图2所示，进一步对防碰撞告警设备主机2的结构和工作原理详细说明。

数据采集板21通过适配器3从航海雷达1上采集雷达信号、并将采集的雷达信号进行预处理；计算机板22对数据采集板21输出的信号进行二次信息加工处理。

数据采集板21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12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1的船舶)的船首信息，是雷达系统测角的基准脉冲。数据采集板21对这些雷达信号进行数据采集和预处理。

输入的视频信号为未经任何处理的雷达回波信号，由于航海雷达1发射的探测脉冲宽度为0.8μs，实际目标的雷达回波信号的视频脉冲宽度在1～2μs之间(由接收机的通带特性和目标纵深尺寸决定)，为保证抽样不漏信号，须通过信号展宽放大电路211将视频信号展宽到2μs以上，同时输入视频信号的幅度在0.5V左右，还需通过信号展宽放大电路211将信号进行放大处理(至3V左右)；将经过信号展宽放大电路211作了展宽与放大后的视频信号送到门限电路212，门限电路212根据输入的门限设定值(预设可调量)判断输入视频信号前沿超过门限而且满足一定宽度(1μs，预设可调量)时，输出一个计数控制信号到第一计数器213，第一计数器213将计数控制信号输出到第二计数器214，同时第一计数器213开始计数，计数频率为5MHz。在第一计数器213计数达到宽度限定值(预设可调量)之前，如果有新的计数控制信号输入，则第一计数器213重新开始计数，但不向第二计数器214输出计数控制信号，其目的是把在距离上分离但相近的多个雷达回波信号压缩为一个信号前沿对应的单个信号。同步整形电路215对输入的探测信号和船首信号进行整形，使其幅度、宽度、脉冲形状复合后级处理要求。同步器216将探测信号的前沿取出作为“距离起始”信号，控制第二计数器214开始计数，同时同步器216将下一探测信号的前沿取出作为本次探测的“距离结束”信号，并作为中断信号向计算机板22请求中断。

“距离起始”就是探测脉冲发射的时刻，“距离结束”是相对本次探测而言，下一次探测的开始时刻，即下一个探测脉冲发射的前沿。“帧起始标志”为船首信号的前沿，也即目标角度的计数基准。“帧起始标志”将第三计数器218清零，并对探测信号进行计数。每个探测信号到来时，“距离起始”信号对第二计数器214清零，同时第二计数器214开始对5MHZ信号进行计数，即可得到目标的距离信息。以船首信号为基准，由第三计数器218对探测信号进行计数，根据计数结果即可换算出每一个探测信号对应的角度，即为每一个目标的角度信息。

缓存单元217为2K×8容量的双端口存储器，雷达天线11扫描到目标时，通常可以在该目标相邻的若干距离采样单元及角度采样单元内形成一定范围的过门限信号，过门限信号通过门限电路212之后，相应的，在帧数据二维数组中相邻的行和列将记录下相应的采样数据，即该目标点迹信息。当雷达天线11扫描一周，360°范围内所有目标的点迹信息(包括距离、角度等)均存于缓存单元217中，形成一帧数据，帧数据采用二维数组的方式对扫描信息进行记录。一帧结束后，由数据采集板21将雷达扫描帧数据输出给计算机板22。

计算机板22采用嵌入式系统作为硬件支撑平台，主要完成各项数据处理、方程解算和逻辑判断等任务。在计算机板22上运行的软件系统主要包括：点迹提取模块221、航迹相关模块222、航迹跟踪模块223、航迹预测模块224、危险实时评估模块225和告警信息显示控制模块226。

结合图3所示，对在计算机板22上运行的各软件模块进一步详细说明。

步骤S301：利用船首信号判断航海雷达1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。

步骤S302：由数据采集板21获取航海雷达1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221。

步骤S303：点迹提取模块221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221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。

步骤S304：点迹提取模块221提取出来的每帧中的目标点迹数据由航迹相关模块222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。

步骤S305：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223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。

步骤S306：航迹预测模块224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。

步骤S307：危险实时评估模块225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。

步骤S308：告警信息显示控制模块226按照危险实时评估模块225给出的危险判断结果，控制防撞告警设备2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226自动发出指令，改变危险等级或撤销告警。

步骤S309：显示器和报警装置受告警信息显示控制模块226的控制，按照告警信息显示控制模块226根据危险实时评估模块225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。

目标信息显示和危险目标报警；

其中，防碰撞告警设备2中的单独显示器采用液晶彩色平面位置显示器，船首向上显示方式，且设有控制键，可以通过控制键调节显示范围和显示模式：

(1)显示范围档位控制

显示范围档位采用人工按键控制，设有3、6、12海里三档，可通过防撞告警设备主机2前面板上的量程“+”、“-”开关键控制。

(2)目标信息显示

以电子标绘图形与数据方式对目标信息进行显示，当出现危险目标时，显示屏上同时显示该目标的电子标绘图形符号与相关参数。电子标绘图形的定义如图4所示。危险目标数据包括：目标当前距离、方位、接近速度；预测的目标最近点距离、方位、以及到达最近点的时间等，采用不同的标绘图形颜色和数据颜色控制的方式区分威胁等级。

显示器提供两种显示模式：

全景目标显示模式：显示所有被捕获和跟踪的目标包括安全目标和危险目标如图5所示，适合于一般观察的场合；危险目标显示模式：屏蔽安全目标，只显示危险目标如图6所示，适合于重点关注危险目标和实施自主避碰的场合。通过防碰撞告警设备2面板上设置的屏幕刷新控制按键可以控制两种显示模式之间的切换。

本实用新型的报警装置由防撞告警设备的内置蜂鸣器，黄、橙、红三色告警灯和外置的高音喇叭、高亮度红灯组成。当危险实时评估模块225自动识别出危险目标并判断出其威胁程度后，告警信息显示控制模块226立即自动地分三个碰撞危险等级发出声、光报警控制信号。

三级危险目标告警：黄灯闪亮；

二级危险目标告警：蜂鸣器鸣响，橙灯闪亮；

一级危险目标告警：高音喇叭鸣响，高亮度红灯闪亮。

通过主机前面板上设置的报警控制开关，可以允许/禁止外置报警的信息输出，同时，该开关的关断与开启在显示屏上有相应的“外置声光告警器已接通”和“外置声光告警器已关闭”的提示信息。

Claims (9)

1.一种用于船舶的防碰撞告警雷达系统，其特征在于，包括：航海雷达；防碰撞告警设备；将航海雷达的发射机/接收机、显示终端和防碰撞告警设备连接起来的3端口适配器；

其中，防碰撞告警设备包括：

显示器；

报警装置；

数据采集板，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计算机板；

计算机板，用于从扫描帧数据中提取目标点迹数据，对目标点迹数据通过航迹关联算法关联和平滑处理，从而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所述的用于船舶的防碰撞告警雷达系统，其特征在于，所述数据采集板包括：

同步整形电路，对输入的探测信号和船首信号进行整形处理；

信号展宽放大电路，用于展宽雷达回波信号的脉冲宽度、放大雷达回波信号的信号幅度；

门限电路，用于根据输入的门限设定值判断从信号展宽放大电路输出的雷达回波信号前沿超过门限且满足一定信号宽度时，输出一个计数控制信号到串接的第一、第二计数器；

第一计数器，用于根据计数控制信号进行计数，且在计数达到宽度限定值之前，如果有新的计数控制信号输入，则第一计数器重新开始计数，但不向第二计数器输出计数控制信号；

第二计数器，用于由探测信号控制，根据计数控制信号进行计数，获得对应目标距离的计数结果；

同步器，用于将探测信号的前沿取出作为距离起始信号，控制第二计数器开始计数，且将下一探测信号的前沿取出作为本次探测的距离结束信号，并作为中断信号向计算机板请求中断；

第三计数器，用于以船首信号为基准，对探测信号进行计数，获得对应每一个目标的角度信息的计数结果。

3.根据权利要求2所述的用于船舶的防碰撞告警雷达系统，其特征在于，所述分别对应目标距离和角度信息的计数结果保存在缓存单元，形成扫描帧数据，且通过中断将扫描帧数据输出至计算机板。

4.根据权利要求2所述的用于船舶的防碰撞告警雷达系统，其特征在于，所述第一、第二计数器的计数基准频率为5MHz。

5.根据权利要求1所述的用于船舶的防碰撞告警雷达系统，其特征在于，所述计算机板包括：

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。

6.一种用于船舶的防碰撞告警雷达设备，与航海雷达配合使用，其特征在于，包括：

显示器；

报警装置；

数据采集板，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计算机板；

计算机板，用于从扫描帧数据中提取目标点迹数据，对目标点迹数据通过航迹关联算法关联和平滑处理，从而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。

7.根据权利要求6所述的用于船舶的防碰撞告警雷达设备，其特征在于，所述数据采集板包括：

同步整形电路，对输入的探测信号和船首信号进行整形处理；

信号展宽放大电路，用于展宽雷达回波信号的脉冲宽度、放大雷达回波信号的信号幅度；

门限电路，用于根据输入的门限设定值判断从信号展宽放大电路输出的雷达回波信号前沿超过门限且满足一定信号宽度时，输出一个计数控制信号到串接的第一、第二计数器；

第一计数器，用于根据计数控制信号进行计数，且在计数达到宽度限定值之前，如果有新的计数控制信号输入，则第一计数器重新开始计数，但不向第二计数器输出计数控制信号；

第二计数器，用于由探测信号控制，根据计数控制信号进行计数，获得对应目标距离的计数结果；

同步器，用于将探测信号的前沿取出作为距离起始信号，控制第二计数器开始计数，且将下一探测信号的前沿取出作为本次探测的距离结束信号，并作为中断信号向计算机板请求中断；

第三计数器，用于以船首信号为基准，对探测信号进行计数，获得对应每一个目标的角度信息的计数结果。

8.根据权利要求7所述的用于船舶的防碰撞告警雷达设备，其特征在于，所述分别对应目标距离和角度信息的计数结果保存在缓存单元，形成扫描帧数据，且通过中断将扫描帧数据输出至计算机板。

9.根据权利要求6所述的用于船舶的防碰撞告警雷达设备，其特征在于，所述计算机板包括：

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。

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