多目標(biāo)雷達(dá)、視頻融合技術(shù)與人工智能在周界安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊茜 張西平 張?jiān)诩?張軍科

摘要：近幾年，“平安城市”“雪亮工程”、“智慧磐石”等一系列重大工程項(xiàng)目的開(kāi)展，周界安防預(yù)警系統(tǒng)的需求越來(lái)越迫切。隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展和多媒體手段的不斷演進(jìn)，傳統(tǒng)的監(jiān)控方式已不能滿足日常管控的需要。為解決傳統(tǒng)周界安防誤報(bào)率高、受天氣光線影響大、易翻越等難題，將多目標(biāo)雷達(dá)與云臺(tái)攝像機(jī)通過(guò)人工智能AI算法進(jìn)行戰(zhàn)略性組合，完美融合了雷達(dá)技術(shù)的主動(dòng)探測(cè)性、高靈敏度與視頻的可視性，極大的提升了該系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的檢測(cè)率。

關(guān)鍵詞：周界安防;多目標(biāo)雷達(dá);視頻融合;人工智能

1 引言

常說(shuō)的周界安全防范系統(tǒng)有三防：“人防、物防、技防”。傳統(tǒng)的“人防”是指在安全防范工作中人的自然能力的展現(xiàn)。物防是指用于安全防范目的、能延遲風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的各種實(shí)體手段。技防是指利用各種電子信息設(shè)備組成系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)以提高探測(cè)、延遲、反應(yīng)能力和防護(hù)功能的安全防范手段。對(duì)于目前現(xiàn)有的監(jiān)控技術(shù)，單一的周界安防預(yù)警系統(tǒng)都各有其優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，一個(gè)完善的安全防范系統(tǒng)不是依靠一個(gè)技術(shù)防范可以解決的。所以多維數(shù)據(jù)融合勢(shì)在必行。本文提出雷球聯(lián)動(dòng)一體化預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)集雷達(dá)偵測(cè)、視頻監(jiān)控、多媒體融合、圖像識(shí)別、人工智能AI算法、網(wǎng)絡(luò)傳輸、遠(yuǎn)程集中控制等多項(xiàng)技術(shù)于一體，形成了一套高效穩(wěn)定的監(jiān)視控制體系。

2 多維融合的周界安防預(yù)警系統(tǒng)的三大核心

2.1 第一大核心 多目標(biāo)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

該雷達(dá)采用鋸齒波調(diào)頻連續(xù)波體質(zhì)，功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，主要應(yīng)用于安全設(shè)施、邊境防控等應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)無(wú)人值守地區(qū)的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別、信息反饋。

其中， 為目標(biāo)距離產(chǎn)生的回波頻率， 為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率。

算法方面采用了先進(jìn)的DSP跟蹤算法，包括多普勒信號(hào)的強(qiáng)度匹配、比相和混疊排序等算法，其獨(dú)特的多目標(biāo)跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行測(cè)速、測(cè)距、測(cè)方位角的主要功能。

2.2 第二大核心 多目標(biāo)雷達(dá)與高速球形云臺(tái)攝像機(jī)的視頻融合

高速球形攝像機(jī)的發(fā)展越來(lái)越快，它以獨(dú)特的功能即360度旋轉(zhuǎn)功能、安裝簡(jiǎn)便、高集成化、高智能化等特點(diǎn)，成為周界安防監(jiān)控領(lǐng)域的寵兒。將其與多目標(biāo)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，得出了更強(qiáng)大的多維融合系統(tǒng)——“雷球聯(lián)動(dòng)”系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由多目標(biāo)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)作為主導(dǎo)，將雷達(dá)與球機(jī)的數(shù)據(jù)的進(jìn)行融合，根據(jù)多目標(biāo)雷達(dá)實(shí)時(shí)提供的多個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)信息、角度信息、速度信息等，反饋給AI人工智能管理系統(tǒng)，將多目標(biāo)雷達(dá)獲取到的目標(biāo)空間/地理位置數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)距離球機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、鏡頭焦距進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該空間、地理位置的場(chǎng)景圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)核，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視和特征識(shí)別。這樣球機(jī)可以在第一時(shí)間捕捉被探測(cè)目標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行跟蹤鎖定，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)球機(jī)聯(lián)動(dòng)。

2.3 第三大核心 AI人工智能算法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多維數(shù)據(jù)的融合，就需要一個(gè)功能強(qiáng)大的AI人工智能算法。多目標(biāo)雷達(dá)通過(guò)多普勒偏移的原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，受光照和天氣因素影響較小，精度高，但難以識(shí)別人、車等入侵目標(biāo)的特征元素。高速球形攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行人的目標(biāo)特征元素的識(shí)別，但是容易受光照天氣等因素的影響。所以AI人工智能的作用就是收集多目標(biāo)雷達(dá)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)各傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取與模式識(shí)別處理，并把目標(biāo)按類別進(jìn)行準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，利用融合算法將同一目標(biāo)的所有傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。

融合算法包括空間、時(shí)間的融合和同步。

●空間融合：由于各個(gè)傳感器系統(tǒng)都擁有自己的坐標(biāo)系系統(tǒng)。多目標(biāo)雷達(dá)是雷達(dá)XYZ坐標(biāo)系，球形攝像機(jī)是攝像機(jī)PTZ坐標(biāo)系，架設(shè)系統(tǒng)時(shí)需要參考的三維世界坐標(biāo)系，以及生成融合圖像的像素坐標(biāo)系。AI智能算法就是要將這四大坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行空間融合?！耙淮稳诤稀笔紫雀鶕?jù)雷達(dá)與球機(jī)架設(shè)的實(shí)際位置信息，參考三維世界坐標(biāo)系，融合雷達(dá)XYZ坐標(biāo)系，得到實(shí)際的目標(biāo)方位坐標(biāo);“二次融合”是把得到的實(shí)際目標(biāo)方位坐標(biāo)系與攝像機(jī)PTZ坐標(biāo)系融合，即可得到目標(biāo)的PTZ坐標(biāo)，用來(lái)控制球機(jī)對(duì)目標(biāo)的鎖定跟蹤;由于終端平臺(tái)需要把抽象的三維信息轉(zhuǎn)化為視覺(jué)圖像顯示出來(lái)，所以“三次融合”是把實(shí)際的目標(biāo)方位坐標(biāo)與圖像的像素坐標(biāo)系進(jìn)行融合，完成空間上多目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)測(cè)目標(biāo)匹配至視覺(jué)圖像。并在此基礎(chǔ)上，將檢測(cè)到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息進(jìn)行輸出跟蹤。

●時(shí)間融合：由于多目標(biāo)雷達(dá)的采樣率和球形攝像機(jī)的采樣率不一致，所以在時(shí)間上同步采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間融合。時(shí)間融合相較于空間融合簡(jiǎn)單一些。根據(jù)多目標(biāo)雷達(dá)的工作手冊(cè)上獲得雷達(dá)的采樣周期，得出雷達(dá)的采樣幀速率，再根據(jù)球形攝像機(jī)的采樣幀速率，最終結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)中的算法延遲時(shí)間，從而保證多目標(biāo)雷達(dá)數(shù)據(jù)和攝像機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)間上的同步。

3 系統(tǒng)方案

各站點(diǎn)前端設(shè)備包括多目標(biāo)雷達(dá)及自身防護(hù)球機(jī)，外加室外立桿及含AI人工智能算法的服務(wù)器，構(gòu)成了前端安防系統(tǒng)。再借助光纖通訊或衛(wèi)星通訊方式，將前端數(shù)據(jù)和視頻傳至雷球聯(lián)動(dòng)綜合管理平臺(tái)。這樣即可在監(jiān)控中心直觀的監(jiān)視各個(gè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)畫面及報(bào)警信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

“靈敏的耳朵”（雷達(dá)）、“雪亮的眼睛”（球機(jī)）、“聰慧的大腦”（AI人工智能），這已不僅僅是簡(jiǎn)單的1+1+1，而是多維感知技術(shù)的融合產(chǎn)生的聚變。此應(yīng)用系統(tǒng)也不僅僅局限于雷達(dá)和球機(jī)的融合，借助AI人工智能算法下的綜合管理平臺(tái)服務(wù)器，還可以在系統(tǒng)中增加其他先進(jìn)的周界安防技術(shù)，例如：聲光打擊技術(shù)、電子圍欄、傳感器對(duì)射、生物電技術(shù)、無(wú)人機(jī)飛控等，均可對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合，使整個(gè)周界安防預(yù)警系統(tǒng)無(wú)懈可擊。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的周界安防，將是一個(gè)無(wú)人值守的全天候智能化監(jiān)控、報(bào)警、打擊的全方位無(wú)盲區(qū)的“銅墻鐵壁”。為周界安防領(lǐng)域提供了新的技術(shù)手段，提升了周界區(qū)域及重要區(qū)域的安全管控能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 完誠(chéng)，一種毫米波調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的目標(biāo)速度測(cè)量方法[J]，艦船電子對(duì)抗，CN32-1413（2016）04-0047-05.

[2] 丁鷺飛，耿富錄。雷達(dá)原理（第三版）[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2009

[3] 張明友，汪學(xué)剛。雷達(dá)系統(tǒng)（第二版）[M].電子工業(yè)出版社，200