多元联合智能水域监测系统

胡从宜 崔宁豪 陈思宇

摘 要：随着水上交通的日益发展，水域监测日益成为海上交通安全中的重要一部分。本文构建一种通过雷达、摄像机等设备，对水域船舶的交通进行管制，实时提供船舶交通组织、助航和信息服务的监视系统。本项目基于互联网+理念，将雷达、船舶自识别系统AIS和摄像机三者数据相关联，构造一种水域监测多元联合感知系统。通过对结果分析，该系统能自动跟踪目标物体，有效监测水域情况。

关键词：水域监测；互联网+；多元联合感知；自动跟踪

1 绪论

我国有辽阔的海岸线，并有大量湖泊、河流，对水域进行监控具有重要意义。传统的摄像头，只能对目标区域或者目标区域周围进行监控，在复杂水域环境下无法实现小目标的检测识别和跟踪、数据的融合记录和回放以及自动跟踪报警的功能。其缺陷是范围较大，无法直接发现异常现象，且不能对目标物体进行针检查对跟踪。所以急需一个能够自动跟踪异常现象的监控系统来进行水域监视，当发现异常现象后能够发生报警，同时控制机构通过控制转台来旋转摄像头进行追踪。转台不仅要达到功能和技术指标要求，而且要求结构上简单、性能可靠和方便运输。[1]

2 项目总体方案

本水域监视系统为了将传统分立的雷达系统、AIS系统及摄像机三者关联，共四个模块：伺服转台对CCD摄像头的光学引导模块、数据传输模块、图像传输及处理模块、多目标综合处理及显示模块。

3 模块具体功能

（1）雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。本雷达系统采用目标物体检测与识别一体化处理，可以有效辨别目标类型，减少干扰等。“目标识别是利用了多个方面的特征信息，从多个角度去分析雷达观测回波，分辨出更多的目标类型，因此，识别是更精细化的检测。”[2]

（2）船舶自动识别系统，是指一种应用于船岸、船舶之间的海事安全与通信的新型助航系统，常由VHF通信机、GPS定位仪和与船载显示器及传感器等相连接的通信控制器组成。“AIS采用专用的国际频道，按规定的通信方式和运行模式，在其信号覆盖（VHF）区域内，自动向邻近的岸台和其他船舶播发本船的呼号和船名、船长和船宽、船舶与货物类型、船位、航向和航速等航行状态及安全信息。”[3]

（3）系统主要采用STM32作为控制器，完成电机驱动及图像采集和图像处理。采集图像并供给 STM32 完成图像的处理，确定目标质心当前位置，然后由是STM32向电机发送控制量，让双轴电动云台带动摄像头。

（4）采集部分主要包括 LM1881N 发送的同步脉冲信的捕获、TLC5510 转换信息的存储等。为了保证系统的实时性，用双数组交替进行图像存储和供给图像处理，而上一次采集图像的数组则再进行图像处理。为了能够保证整个采集部分的程序能够稳定运行，就要不断的修改两个数组的标志位，从而实时采集所需的图像。为消除混叠，可采用低通滤波器滤掉视频图像频谱的高频成分，使采样频率高于信号最高频率的两倍。[4]

（5）目标捕获是为了捕捉到与背景中相异的部分，分割灰度值跳跃较大的区域。具体方法有很多，用得较多的有帧差法、光流法、背景减除等。[5]本文选用自适应背景减除法，第 k 幀灰度图像中的数值 I（k，x，y）和实时背景更新的灰度图像中的数值B（k，x，y）的差值，是一个二值差分函数M（k，x，y），δ是背景和跟踪目标之间灰度值之差的临界值，在本文中 B（k，x，y）为固定值。M（k，x，y）=1 时称为活动区域，M（k，x，y）=0 称为非活动区域。

（6）运动跟踪即不断的提取目标在背景中轮廓边缘位置，并预测和更改机动目标质心在所采集的当前帧图像中的坐标位置，得以稳定准确的跟踪上目标。以目标的质心作为跟踪的主要参数，能够避免因为目标运动过快，造成部分区域出现空洞的现象，而影响质心的检测。选用中值滤波算法对当前帧图像进行滤波，去除坏点的影响，修正目标质心坐标。

4 项目特色与创新

多目标综合处理与显示模块综合雷达系统、船舶自识别系统AIS、光学引导CCD摄像头三种数据，实现了水域监测系统对小目标的检测识别和跟踪、数据的融合记录和回收以及自动跟踪报警的多重功能，通过对结果分析，该系统能有效监测水域情况。

参考文献：

[1]孙久荣，王大明，李寒.基于STM32的FOD雷达转台控制系统的设计[J].计算机与数字工程，2015，43（12）：2288-2290.

[2]李明.雷达目标识别技术研究进展及发展趋势分析[J].现代雷达，2010，32（10）：2-8.

[3]谷溪，李军.船舶自动识别系统（AIS）的研究和应用[J].南通航运职业技术学院学报，2003，2（1）：25-30.

[4]李洪霞，潘伟，迟学芬，吴伟刚.TMS320DM642对视频图像欠采样压缩处理的实现[J].吉林大学学报（信息科学版），2008（02）：147-151.

[5]吴永浩，华云松，尚亮.基于OpenCV的运动目标跟踪系统研究[J].电子测试，2010（08）：21-25.

作者简介：胡从宜（1986-），男，安徽安庆人，工学学士，助理工程师，研究方向：伺服控制；陈思宇（1996-），女，安徽滁州人，安徽大学电气工程与自动化学院在读本科生。

通讯作者：崔宁豪（1993-），男，河南周口人，安徽大学电气工程与自动化学院在读研究生，研究方向：伺服系统控制。