極地航行中海冰目標的雷達圖像識別方法研究

倪漢健 吳建華

（中國衛(wèi)星海上測控部1） 江陰 214000） （武漢理工大學航運學院2） 武漢 430063）

0 引 言

受全球變暖的影響，每10年極地的冰層就會減少3%.按照這樣的速度，未來不久，這些冰層就將完全消失，通往極地的航路也將自然打通，極地航行可以縮短航程、提高營運效益，北冰洋航路就是連接大西洋和太平洋以及俄羅斯歐亞2部分的最短路線［1－4］.然而在北極和南極地區(qū)航行的船舶面臨著許多極地地區(qū)特有的風險，惡劣的天氣條件，缺少良好海圖、通信系統(tǒng)以及其他導航輔助設備等情況都是海員不得不面對的挑戰(zhàn).特別是當船舶駛?cè)胗斜虮絽^(qū)域時，由于陰暗、涌浪、霧和冰推力等因素影響船舶航行安全，極易發(fā)生船冰碰撞而導致船舶破損、沉沒事件，因此，極地航行中盡早發(fā)現(xiàn)海冰，避免船冰碰撞是航海技術(shù)人員亟待解決的研究課題.因為在普通船用雷達上很難直接識別海冰圖像，所以研究人員已經(jīng)在開發(fā)探測海冰的專用雷達.但是采用另外配置獨立的探冰雷達既增加船東的經(jīng)濟負擔，又不符合現(xiàn)代航海儀器設備集成化發(fā)展的方向.本文旨在探索根據(jù)海冰的類型特征、海冰反射雷達波的特點，利用雷達回波處理技術(shù)綜合分析冰山、冰面以及小塊流冰的雷達回波圖像，挖掘船用雷達現(xiàn)有的功能，達到識別、探測發(fā)現(xiàn)海冰從而避免船冰碰撞的研究方法.

1 海冰的類型特征

冰山是流到海上的陸冰，通常高數(shù)十米，長百余米.冰山經(jīng)常是連續(xù)出現(xiàn)、而且伴隨著浮冰群.剛剛離體的冰山，四面陡峭，回波比較強，發(fā)現(xiàn)距離可達20nmile以外.一般南極的冰山表面多陡峭，發(fā)現(xiàn)距離可在10nmile左右；而北極的冰山表明多傾斜，回波比較弱，若隱若現(xiàn)，有的發(fā)現(xiàn)距離甚至不足3nmile.有的冰山表面平坦，也有的冰山呈尖塔形，這些形狀都不利于反射雷達電磁波.尖塔形冰山的吃水深度約為水面高度的1～2倍，而其水上和水下部分的 體積比例，視其對海水的密度而定，由式（1）可以計算出其水上和水下比例.

式中：di為冰山相對密度；ds為海水相對密度；V為冰山體積；u為水上體積.

例如，di＝0.9，ds＝1.03；則0.9V＝1.03（V－u），V＝8u.

分析可知，冰山水上和水下體積分別約為其總體積的1／8和7／8，水下部分遠大于水上部分.隨著時間的推移，海冰逐步融化，特別是水面上的海冰，其形狀也隨著海冰的融化變?yōu)榇竺娣e的冰面冰塊，其高度逐漸降低，導致雷達探測距離變小.海冰進一步融化、分解后形成大片流冰，更容易被海浪分割，使得海冰回波被海浪雜波淹沒，難以探測.

2 海冰反射雷達波的特點

冰區(qū)航行，可以使用雷達觀測流冰接近的情況，雷達探測冰情的能力，取決于兩者之間的距離、冰塊的大小以及冰塊反射面的傾斜角度.小塊流冰和在平靜海面上高度小于0.3m的冰塊，較難被雷達發(fā)現(xiàn).有風浪時，海浪干擾回波與冰塊的回波也極不易辨別.所以不能因為雷達探測不到冰情而錯誤地認為船舶周圍沒有險冰的存在.

雷達觀測有時可以發(fā)現(xiàn)冰山，但是由于冰山的形狀、反射電磁波的性能等原因，小冰山也不容易發(fā)現(xiàn)，甚至200m長，高50～60m的較平坦冰山，有時在3nmile內(nèi)才被雷達發(fā)現(xiàn)［5－6］.

最危險的是融化剩余的殘碎冰山，水面以上不大，但水下的體積巨大.雷達只能發(fā)現(xiàn)水面上的目標，所以發(fā)現(xiàn)殘碎冰山困難.

平整的大面積冰面，大片浮冰在雷達上看不到回波，但能夠看到冰與海水交界線的回波.

不平整的冰面會產(chǎn)生冰面雜波的干擾、干擾雜波一般較弱、不均勻，但在屏幕上較穩(wěn)定，邊界明顯.

3 海冰雷達圖像識別綜合方法

根據(jù)上述海冰在生存期間所具有的不同類型特征、以及海冰反射雷達波的特點，針對冰山、冰塊、小塊流冰的雷達圖像，運用雷達回波處理理論知識分析，探索綜合使用雷達擴展功能解決雷達圖像中正確發(fā)現(xiàn)、識別海冰回波的方法［7－10］.

3.1 使用ECHO STRETCH和TRAILS功能識別冰山回波

由于殘碎冰山在水面上的體積較小，雷達正常觀測較難發(fā)現(xiàn)該回波，但是雷達探測不到的殘碎冰山在水面下體積巨大，所以殘碎冰山對船舶航行是一個很大的安全隱患.針對殘碎冰山的特點，可以使用雷達的ES回波拉伸功能，放大目標圖像.ES有3種設置，ES1對遠距離的回波在方位（橫向）上進行放大；ES2在距離方向上進行放大；ES3在方位及距離上均進行放大.在對雷達圖像進行放大之后，再使用TRAILS尾跡功能，如圖1所示，尾跡功能通常是用來觀測目標運動狀況的，在此既可以估算冰山的漂移方向，還可以使點狀小回波擴大成面狀大回波，增加發(fā)現(xiàn)殘碎冰山的概率.

因為殘碎冰山的區(qū)域很大，主要是隨風漂流、也受潮流和海流的影響，在北半球，其移動方向約在下風側(cè)偏右30°～40°之間，所以可以進一步使用真尾跡功能得出回波的移動方向（圖1使用EBL OFFSET將其標出），結(jié)合水域的風流壓差方向來對比判斷識別殘碎冰山的雷達回波.

如果船舶所在區(qū)域的羅經(jīng)可以使用的話，很容易根據(jù)本船的船首向和航跡向判斷出風流壓差的方向，但是在極地航行，由于緯度太高，陀螺羅經(jīng)失去指向作用，地磁水平分力減小導致磁羅經(jīng)指向能力減弱.在羅經(jīng)無法使用的情況下使用風速風向儀、海流計依然可以得到風流壓差的方向，見圖1.

圖1 風況、潮汐及回波尾跡比對圖

3.2 使用雨雪干擾抑制（FTC）識別冰面回波

雨雪反射雷達回波產(chǎn)生干擾，在雷達中為了抑制雨雪干擾回波，設置有雨雪干擾抑制（FTC）功能，其信號處理的工作原理是針對目標回波，有比較明顯邊緣，從無到有，變化陡峭；雨雪回波變化平緩、無明顯邊緣的特征采用微分電路，在邊界處產(chǎn)生尖脈沖輸出，而平緩處信號削弱的技術(shù)抑制雨雪雜波、顯示目標回波，見圖2.

圖2 FTC處理雷達回波原理圖

對于平整的大面積冰面，因為能夠看到冰與海水交界線的邊界回波，所以在晴天通過適當調(diào)整使用“FTC”旋鈕，適當減小“增益”旋鈕有望發(fā)現(xiàn)大面積平整冰面的邊界范圍回波，通過改變“量程”旋鈕，在雷達屏幕上冰面邊界回波形成的封閉曲線圖形形狀不變、大小變化的特點加以識別.

而對于不平整的冰面因其回波在屏幕上較穩(wěn)定，邊界明顯，所以使用“FTC”結(jié)合“增益”旋鈕更加容易識別冰面回波.

3.3 使用ECHO AVERAGE，WIPER功能識別小塊流冰回波

ECHO AVERAGE（回波平均）使用“掃描到掃描”（scan－to－scan）信號相關技術(shù)，該技術(shù)依據(jù)的是每個目標相對地面的真運動.天線每旋轉(zhuǎn)一周，來自穩(wěn)定目標（例如海冰）的回波將顯示在屏幕的同一位置.另一方面，不穩(wěn)定的回波（例如海浪雜波）則會隨機顯示在任意位置.為了將穩(wěn)定的目標回波與海浪回波區(qū)分開來，回波會平均分布在連續(xù)的圖像幀上.分布在連續(xù)幀上的穩(wěn)固回波會以正常強度顯示，而海浪雜波則會在連續(xù)掃描中平均分布，并且亮度降低，因此應該能區(qū)分真實海冰目標回波和海浪雜波.

對于小塊流冰和在平靜海面上高度小于0.3m的冰塊雷達圖像，采用通常的雷達觀測方法較難以被識別發(fā)現(xiàn)，有風浪時，海浪干擾回波與冰塊的回波也極不易辨別.如果使用回波平均功能可以有效抑制隨機回波（例如海浪雜波）并顯示靜止（低速）的小目標（例如流冰等）.但在探測相對地面高速運動的小目標方面，回波平均處理并不那么有效.

要想正確使用回波平均功能識別小塊流冰，建議首先使用A／C SEA控制按鈕抑制海浪雜波，然后執(zhí)行以下ECHO AVERAGE操作.

1）ECHO AVERAGE1 從海浪干擾中區(qū)別目標，減小不穩(wěn)定的回波亮度.

2）ECHO AVERAGE2 區(qū)分出小的固定目標，如流冰.

3）ECHO AVERAGE3 穩(wěn)定顯示遠距離回波.

為了更好地從海浪雜波中分辨出小塊流冰回波，在使用ECHO AVERAGE功能時可以和WIPER（擦除器）功能配合使用，WIPER的信號處理原理是用信號乘以擦除系數(shù)，信號幅度漸漸減小.信號幅度越小，擦除系數(shù)就越小，因此弱信號要比強信號更快地消失，如圖3.

擦除特性可以自動地改變?nèi)跣盘柕娘@示強度，以有利于圖像的觀測.因此雷達上的擦除器功能可以自動抑制微弱信號（噪訊、海浪雜波、雨滴雜波等等）以及多余信號（例如雷達干擾信號）的亮度以實現(xiàn)清除畫面上多余的回波.它的觀測效果取決于使用的擦除器設置和是否打開或關閉平均功能，見表1.

圖3 WIPER的信號處理原理圖

表1 擦除器設置和平均功能關系表

1）狀況A 減少多余的微弱回波（例如噪訊、海浪雜波和雨滴雜波）亮度以清除畫面.擦除器設置“1”和“2”之間的區(qū)別在于“2”的亮度下降更緩慢.

2）狀況B 打開擦除器功能時，回波平均自動開啟，可以通過回波平均的開關迅速查看畫面如何受到影響，如圖4.

圖4 回波平均off和on狀態(tài)比較圖

4 結(jié)束語

本文針對大面積冰山的移動特點，采用回波尾跡與風流壓差比對的方法進行識別；冰面與海水邊界明顯的特征，使用FTC微分處理后辨識；流冰被海水淹沒的現(xiàn)象利用相關技術(shù)和擦除技術(shù)加以甄別，通過雷達信號處理的理論研究得出的結(jié)論將運用到今后的極地航行中，接受實踐的檢驗，并進一步的修改完善.

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