無人艇載雷達視頻無線傳輸技術(shù)研究

陰啟玉 韓昱

0 引言

無人艇(USV,Unmanned Surface Vehicles)的發(fā)展歷史最早可追溯到1898年,當時著名的發(fā)明家尼古拉·特拉斯發(fā)明了名為“無線機器人”的遙控艇.它在二戰(zhàn)時期首次被應(yīng)用于實戰(zhàn),主要用以清除破浪帶的水雷和障礙物.之后其應(yīng)用模式不斷拓展,被應(yīng)用于取樣、欺騙、評估、掃雷、自殺撞擊等領(lǐng)域.因受限于技術(shù)水平發(fā)展,它們均采用遙控或預(yù)設(shè)航路的方式.美國海軍從20世紀90年代開始研究無人水面艇[1].2007年,美國海軍發(fā)布《海軍無人水面艇主計劃》,為無人水面艇賦予了7項任務(wù)(反水雷戰(zhàn)(MCM)、反潛作戰(zhàn)(ASW)、海上安全(MS)、水面作戰(zhàn)(SUW)、支持特種部隊作戰(zhàn)(SOF)、電子戰(zhàn)(EW)、支持海上攔截作戰(zhàn)(MIO)),同時還界定了無人水面艇的船型、尺寸和標準等要素,標志著美國無人水面艇的發(fā)展走上正規(guī)[1].近年來,隨著機器學習等人工智能技術(shù)的發(fā)展及在無人艇領(lǐng)域的應(yīng)用,無人艇逐漸實現(xiàn)自主化和智能化,可以自主組織傳感器進行周邊態(tài)勢感知、智能化態(tài)勢分析和行動決策,自主任務(wù)執(zhí)行和航行避碰,逐漸擺脫人的參與,能夠長周期自主執(zhí)行任務(wù),從而為軍事應(yīng)用打開了廣闊的前景.以色列的“保護者”是世界第一型察打一體無人艇,配備有機槍或艦炮、自動榴彈發(fā)射器和小型導彈.美國是無人艇裝備類型和數(shù)量最多、技術(shù)最先進的國家,最近發(fā)布的“海上獵人”無人艇主要用于偵察和跟蹤潛艇,能獨立持續(xù)工作2～3個月.俄羅斯、日本、德國等國家投入了大量人力物力推進自主無人艇項目,我國也緊隨其后,加快了無人艇的技術(shù)研究[2].2017年7月,國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，將指揮決策、軍事推演及裝備研制的智能化統(tǒng)籌納入軍民融合建設(shè)格局,催生了智能無人作戰(zhàn)系統(tǒng).我國軍用無人艇還處于起步階段[3].最近報道的我國JARI-USV多功能無人作戰(zhàn)艇集成了最小的相控陣雷達,首次裝備垂發(fā)導彈,具備對空、對海和反潛作戰(zhàn)能力,它以其載荷模塊化、決策智能化、控制自動化、航行自主化等特點令人矚目.

雷達具有探測距離遠、不受天氣影響、探測精度高等特點,是現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇必備傳感器之一,是保障船舶航行安全,目標搜索、定位的重要設(shè)備[4]．隨著雷達信號處理技術(shù)的發(fā)展,已能實現(xiàn)對目標的自動建航和跟蹤,但高漏情和誤警仍然是現(xiàn)代雷達無法避免的問題.因此，需向用戶實時顯示雷達原始視頻,以便環(huán)境監(jiān)視和信息處理過程干預(yù)．根據(jù)雷達視頻,船舶駕駛員可以實時掌握本船周圍的態(tài)勢,作出相應(yīng)的決策,進而保障船舶航行安全,作戰(zhàn)指揮員可以根據(jù)雷達視頻發(fā)現(xiàn)并確認目標,人工或自動建立目標航跡,供武器打擊使用．對無人作戰(zhàn)艇而言,導航雷達視頻具有同等重要性,如何將無人艇雷達載荷生成的視頻信息通過通信系統(tǒng)完整、低時延地傳輸?shù)桨痘刂普静@示,是無人作戰(zhàn)艇指揮控制系統(tǒng)必須解決的問題.

無人艇雷達載荷為有源探測傳感器,主動發(fā)射電磁波,接收目標散射或反射的電磁波,進行信號處理后輸出該方位目標回波信息,一個天線周期輸出2 048線視頻信息,數(shù)據(jù)量約4 MB．若不加處理直接傳輸,將極大地占用岸艇無線信道資源,影響其他重要信息的傳輸[5].為減少雷達視頻對帶寬的持續(xù)占用,降低視頻數(shù)據(jù)傳輸時延,本文設(shè)計了雷達視頻數(shù)據(jù)傳輸流程.如圖1所示,其中視頻編碼壓縮模塊主要提取視頻有效數(shù)據(jù)進行重新編碼,岸端處理主要接收視頻編碼數(shù)據(jù)進行視頻可視化繪制[6].本文主要針對無人艇雷達載荷構(gòu)建了雷達視頻數(shù)字化表示方法、編碼壓縮算法和解析顯示算法.

1 視頻壓縮方法

視頻壓縮可分為有損壓縮和無損壓縮.一般而言,有損壓縮通過犧牲圖像細節(jié)而提升壓縮比,通常得到原始數(shù)據(jù)的近似數(shù)據(jù);而無損壓縮則注重數(shù)據(jù)的可復(fù)原性,壓縮率一般較低．無人艇雷達視頻是提供岸基操作人員對自動建航、自主跟蹤時的虛情、漏情的補充處理和確認,需在盡可能小時延的情況下完整復(fù)原無人艇雷達視頻細節(jié),從而需要選用無損壓縮算法.

從國內(nèi)外無損壓縮技術(shù)研究看,無損壓縮大致可分為基于變換的方法和基于預(yù)測的方法,主要有JBIG[7]、JPEG-LS[8]中基于MED預(yù)測的LOCO-I算法、基于小波變換的JPEG2000[9]、基于上下文預(yù)測編碼CALIC[10]和微軟的JPEG-XR[11]等.通過分析上述壓縮算法,圖像壓縮基本可分為三個步驟,即去相關(guān)、量化、熵編碼,三步相互聯(lián)系又互相制約,進而構(gòu)成不同壓縮方法達到不同的壓縮效果[12-13]．本項目雷達采用邊探測邊發(fā)送回波的模式,圖像數(shù)據(jù)是離散發(fā)送,如果采用上述壓縮算法,需先緩存一個天線周期的圖像數(shù)據(jù),再構(gòu)建圖像,進而壓縮處理,該方式勢必增加處理時間和等待時間,增加圖像時延．本文主要構(gòu)建一種邊接收邊處理的壓縮編碼算法,滿足無人艇雷達視頻圖像完整、低帶寬占用、低時延的傳輸和顯示需求.

2 雷達視頻數(shù)字化

雷達回波是由雷達波照射到物體表面反射到雷達接收機,經(jīng)信號處理后得到的信息.通過回波,可以得到目標相對于本艇的方位、距離信息.回波點的灰度值表示回波的強弱．受雷達探測原理的啟發(fā),雷達視頻可視作由致密射線組成,進而實現(xiàn)雷達視頻的去相關(guān)、數(shù)字化、離散化．雷達探測時,接收到回波信號后,進行恒虛警和去噪等預(yù)處理后立即向外部系統(tǒng)輸出方位區(qū)間內(nèi)的回波信息,較有人值守雷達節(jié)約了雷達圖像構(gòu)建與顯示處理時間．故雷達視頻數(shù)字化可采用以本艇為中心的射線表示某個方位的視頻數(shù)據(jù),即第i個方位的視頻Vi表示為

Vi=(Ai,Hi,Pi0,Pi1,Pi2,…,Pin),

其中i表示視頻方位編號,Ai=δ×i為雷達方位分辨率與方位編號的乘積,Hi為實時艏向,Pij表示i方位上第j處的回波強度,用4 bit表示回波強度,范圍為[0,15],15表示回波最強,n為方位采樣點數(shù)．因此一個回波射線數(shù)據(jù)長度為:(n/2+4) B.

進而雷達視頻可數(shù)字化表示為

其中m為雷達視頻方位線總數(shù).數(shù)字化后,單幀視頻大小為m(n/2+4) B.

針對無人艇選用的雷達載荷,n=1 023,m=2 047,雷達掃描一周產(chǎn)生的視頻信息經(jīng)數(shù)字化后大小約為1 MB,相對于原始4 MB每幀的圖像來說,已有約75%的壓縮量.

3 視頻壓縮與編碼

無人艇雷達載荷的使用場景主要用于海面目標的探測和定位,雷達視頻圖像主要是以海面回波為背景,疊加少量高灰度值的真實目標回波信號,海面回波的灰度值大部分集中于0灰度值附近,從而,數(shù)字化視頻V可視作一個稀疏矩陣,若直接傳輸將持續(xù)占用超過1 MB的無線信道資源,而其中絕大部分為0灰度值的無效信息,造成有限信道資源的極大浪費.

通過上述分析,針對單幀雷達視頻設(shè)計一種輕量級可逆的數(shù)據(jù)壓縮編碼算法,提取V中有效數(shù)據(jù)進行編碼壓縮并組包傳輸,處理流程如圖2所示．算法需適用于在時間尺度上離散接收的視頻線,盡可能地減少無效數(shù)據(jù),處理時延低,數(shù)據(jù)可完全復(fù)原.

有效數(shù)據(jù)提取處理流程如下:

1)將視頻線轉(zhuǎn)換到大地穩(wěn)定坐標系：

2)遍歷回波數(shù)據(jù),提取并組合相鄰兩個回波數(shù)據(jù):

δ為回波閾值,用于海面回波抑制.

3)提取有效數(shù)據(jù)并編碼:

Pj=[j,Wj],Wj≠φ.

4)方位i的雷達回波壓縮后為

m為方位i上有效數(shù)據(jù)對個數(shù)．m=0時,V′i=φ.

如圖3所示為采集的雷達載荷視頻數(shù)據(jù)節(jié)選,視頻數(shù)據(jù)范圍為Pi0到Pi511,有效數(shù)據(jù)占比17.58%,選取回波閾值δ=0.圖4為編碼壓縮后數(shù)據(jù),節(jié)約數(shù)據(jù)量的69.14%．編碼壓縮過程中,動態(tài)監(jiān)視壓縮率,當壓縮率低時,可調(diào)整δ.

發(fā)送條件設(shè)置為

其中，L為有效數(shù)據(jù)長度.當L+l(V′i)≥ψ或i=m時,發(fā)送數(shù)據(jù)[V′j,V′j+1…,V′n],其中V′i≠φ．ψ與無線通信系統(tǒng)特性有關(guān),為可發(fā)送單包數(shù)據(jù)最大長度.

4 視頻繪制顯示

在無人艇岸基控制站,雷達視頻采用相對位置的方式在1 024×1 024區(qū)域進行繪制,視頻中心為(x,y),定義每個回波為一個控件:Ii=[xi,yi,gi],其中xi,yi表示回波點相對于中心點的位置,gi表示回波強度.

當前探測量程為R,顯示量程為R′,則:

gi為t個更新周期的回波強度平均值,t可調(diào).

視頻繪制時,用xi,yi定位回波位置,gi為該位置回波點的亮度,通過該方式繪制的回波不連續(xù),由離散點組成,在視覺效果上不夠美觀,對目標回波顯示也不夠明顯,需要進一步修正繪制要素,根據(jù)回波點與中心點的偏離值,設(shè)置回波點膨脹系數(shù),如圖5所示.

在繪制回波點時,采用半徑為θ個像素的填充圓標示,增強了回波的連續(xù)性,提升了顯示效果.

5 應(yīng)用效果

該技術(shù)已應(yīng)用于某型無人艇控制系統(tǒng)中,用于傳輸導航雷達、相控陣雷達和聲納等視頻信息至岸基控制站并顯示,取δ=0,數(shù)字編碼后圖像原始數(shù)據(jù)為1 MB．本文定義回波占比為有效數(shù)據(jù)占原始數(shù)據(jù)的百分比,定義壓縮比為壓縮前后的數(shù)據(jù)量比值,壓縮比越大,效果越好．通過調(diào)節(jié)雷達雜波抑制,控制回波占比,測試壓縮比．時延主要由兩部分組成,分別是艇端的收集、編碼、壓縮處理時延和岸端的解碼顯示時延,其中處理時延為一個天線周期處理耗時總和,不含等待時間，顯示時延為一幀圖像解碼并轉(zhuǎn)換為顯示數(shù)據(jù)的處理耗時總和,不含等待時間,顯示刷新采用周期刷新的模式．測試結(jié)果如表1所示.

表1 不同回波占比情況下的壓縮比及時延測試結(jié)果Table 1 Test results of compression ratio and time delay under different radar echo wave ratios

從表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),當回波占比達到約75%時,編碼壓縮輸出數(shù)據(jù)開始膨脹.為保證壓縮效果,當壓縮比低于2時,通過改變δ,過濾低灰度值數(shù)據(jù),可有效避免數(shù)據(jù)膨脹現(xiàn)象．在壓縮比大于2時,可保證對視頻編碼壓縮和解碼轉(zhuǎn)換顯示時延在2 ms以內(nèi)．排除通信系統(tǒng)誤碼影響,算法可保證視頻數(shù)據(jù)還原率100%．在無人艇控制系統(tǒng)實際顯示效果如圖6所示,可有效復(fù)原艇載雷達回波,支持操作人員在岸基控制站完成無人艇航行監(jiān)視和目標確認.

6 結(jié)束語

本文針對無人艇雷達載荷視頻傳輸需求,設(shè)計了一種數(shù)據(jù)編碼壓縮算法和顯示方法．該算法通過閾值控制視頻壓縮比,采用移動平均消除無線傳輸丟包對顯示效果的影響,保證了雷達視頻數(shù)據(jù)的低時延無損壓縮,有效降低了雷達視頻傳輸對無線鏈路帶寬的占用．使用效果表明,無人艇岸基控制站雷達視頻顯示完整、刷新流暢,能夠支持岸基控制站操作人員基于雷達視頻的操作和應(yīng)用.