我國(guó)目前從事近海捕撈的漁業(yè)船舶和近海運(yùn)輸船數(shù)量眾多，且兩類船舶又多集中在商船航道及其附近海域，導(dǎo)致在近海海域船只密集，撞船事故頻發(fā)。盡管大部分漁船都裝備了航海雷達(dá)，但撞船事故率仍居高不下。因?yàn)檫@些雷達(dá)都是經(jīng)濟(jì)型航海雷達(dá)，既沒有目標(biāo)跟蹤能力，也沒有自動(dòng)防撞告警功能。因此，設(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)防撞告警功能而且成本低廉的系統(tǒng)是非常必要的。

    本文給出了船舶導(dǎo)航雷達(dá)防撞告警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具備基于FPGA的雷達(dá)信號(hào)采集單元和基于ARM構(gòu)成的航跡處理及告警單元的防撞告警系統(tǒng)，與船上原有經(jīng)濟(jì)型航海雷達(dá)配合使用構(gòu)成一個(gè)新系統(tǒng)。設(shè)備從雷達(dá)上采集目標(biāo)原始數(shù)據(jù)，通過對(duì)原始雷達(dá)數(shù)據(jù)的二次信息加工，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤和防撞報(bào)警功能。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及工作流程
1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    本系統(tǒng)由信號(hào)檢測(cè)模塊與航跡分析模塊兩部分組成，如圖1所示。信號(hào)檢測(cè)模塊按照雷達(dá)距離同步周期對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)距離同步脈沖計(jì)數(shù)形成角度坐標(biāo)；航跡分析模塊實(shí)時(shí)讀取信號(hào)檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)，通過對(duì)相鄰距離、角度周期回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，得到目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)跟蹤、平滑處理建立目標(biāo)航跡，通過計(jì)算目標(biāo)航路捷徑和目標(biāo)到達(dá)時(shí)間實(shí)現(xiàn)威脅判斷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)目標(biāo)后，輸出報(bào)警信號(hào)。

1.2 系統(tǒng)工作流程
    本系統(tǒng)從雷達(dá)視頻接口處提取目標(biāo)信息，如表1所示，只對(duì)距離目標(biāo)信號(hào)、船首信號(hào)、方位信號(hào)、視頻信號(hào)這4路進(jìn)行轉(zhuǎn)換、采集和處理。其中前3種信號(hào)為電平脈沖信號(hào)，故需對(duì)其做相應(yīng)的轉(zhuǎn)換、整形變換為TTL電平的數(shù)字脈沖信號(hào)。視頻信號(hào)即雷達(dá)回波信號(hào)為模擬信號(hào)。由于船用導(dǎo)航雷達(dá)的水平波束較窄，忽略波束寬度對(duì)測(cè)角誤差的影響，采用目標(biāo)回波前沿作為目標(biāo)角信號(hào)的方法進(jìn)行采集、處理。故需對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行展寬、放大后采集。同時(shí)，信號(hào)采集門限值設(shè)定為可調(diào)。

    之后采用對(duì)船首信號(hào)、方位信號(hào)和距離同步信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)的方法來判定目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)的方位計(jì)數(shù)值和距離計(jì)數(shù)值，從而得到具體的目標(biāo)距離和方位，并對(duì)獲取的距離和方位進(jìn)行同步存儲(chǔ)。嵌入式處理器（ARM）通過專用傳輸接口對(duì)存儲(chǔ)的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過軟件處理從數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)點(diǎn)跡信息，完成對(duì)目標(biāo)回波的檢測(cè)與預(yù)處理。每幀中的目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)由航跡相關(guān)模塊通過航跡關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行關(guān)聯(lián)后，完成對(duì)目標(biāo)航跡的連續(xù)跟蹤，進(jìn)而形成目標(biāo)的歷史航跡，并通過濾波算法處理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)航跡的預(yù)測(cè)，最終形成目標(biāo)的航跡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件總體方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件部分由以FPGA為核心的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集電路板和以ARM為核心的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理電路板組成?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖2所示。本系統(tǒng)的硬件采用ARM+FPGA的結(jié)構(gòu)，充分利用了FPGA的特性，同時(shí)又利用了ARM低功耗、高性能比的特點(diǎn)，將采集傳入的數(shù)據(jù)在ARM平臺(tái)上加以處理和顯示。

    本系統(tǒng)采用PC104總線標(biāo)準(zhǔn)將FPGA與ARM相連接，使ARM處理器可以直接訪問FPGA的片上RAM和緩存器中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了FPGA與ARM共享存儲(chǔ)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而使數(shù)據(jù)采集及處理效率大幅提高。
2.2 ARM和FPGA的總線接口設(shè)計(jì)
    FPGA與ARM通過PC104總線標(biāo)準(zhǔn)相連，雙向數(shù)據(jù)總線收發(fā)器采用74HC245芯片，該芯片為8位雙向數(shù)據(jù)總線收發(fā)器，用于數(shù)據(jù)總線間的雙向異步通信。其具備三態(tài)輸出，數(shù)據(jù)傳送方向由DIR腳控制；輸出允許控制端（GN）低電平有效，為高電平時(shí)兩端呈高阻。
2.3 FPGA的功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    FPGA的模塊設(shè)計(jì)是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要部分，分為目標(biāo)檢測(cè)定位模塊、模擬雷達(dá)信號(hào)時(shí)序模塊、RAM控制模塊三大模塊。目標(biāo)檢測(cè)定位模塊主要完成對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定出目標(biāo)距離計(jì)數(shù)值與方位計(jì)數(shù)值；模擬雷達(dá)信號(hào)時(shí)序模塊主要完成對(duì)雷達(dá)的時(shí)序及回波信號(hào)的模擬，使系統(tǒng)在不接雷達(dá)接收機(jī)的情況下可以完成系統(tǒng)的功能檢測(cè)與測(cè)試，便于整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下的調(diào)試；RAM控制模塊主要完成對(duì)所測(cè)得的目標(biāo)的方位、距離計(jì)數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)，ARM處理器可以通過總線對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取以及對(duì)控制寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入。在整個(gè)FPGA的實(shí)現(xiàn)過程中采用VHDL語言與原理圖輸入相結(jié)合的方式進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，并用QuartusⅡ軟件自帶仿真軟件進(jìn)行功能、時(shí)序仿真驗(yàn)證，最終下載到器件。
    在本系統(tǒng)中，目標(biāo)檢測(cè)定位模塊是重要的一部分。其設(shè)計(jì)關(guān)系到雷達(dá)最終點(diǎn)跡的精度以及航跡濾波的質(zhì)量和精度。目標(biāo)檢測(cè)定位模塊的工作流程圖如圖3所示。

    其工作過程為：(1)來自雷達(dá)收發(fā)機(jī)的探測(cè)信號(hào)與船首信號(hào)經(jīng)過同步整形電路轉(zhuǎn)換為TTL電平進(jìn)入FPGA內(nèi)。(2)整形后的探測(cè)信號(hào)經(jīng)過同步器產(chǎn)生距離起始信號(hào)和距離結(jié)束信號(hào)(中斷信號(hào))。采集的回波信號(hào)到達(dá)FPGA以后，判定其是否在起始距離與結(jié)束距離的區(qū)間上，如果在，則判定該回波信號(hào)為有效回波信號(hào)，同時(shí)將該回波信號(hào)送至信號(hào)壓縮電路；如果不在則不輸出有效回波信號(hào)。(3)目標(biāo)壓縮電路對(duì)送入的距離上相近的有效回波信號(hào)進(jìn)行壓縮，并將壓縮后的回波信號(hào)送至計(jì)數(shù)器1。(4)計(jì)數(shù)器1在接收到整形后的探測(cè)脈沖時(shí)，開始計(jì)數(shù)(5 MHz)，并在下一個(gè)探測(cè)脈沖到來時(shí)，將計(jì)數(shù)值清零。當(dāng)接收到壓縮后的回波信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器1將當(dāng)前的計(jì)數(shù)值送至RAM存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，該值為目標(biāo)回波的距離計(jì)數(shù)值；計(jì)數(shù)器2在整形后的船首脈沖信號(hào)到來時(shí)，開始以整形后的探測(cè)脈沖為計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在下一船首信號(hào)到來時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)值清零。當(dāng)接收到壓縮后的回波脈沖信號(hào)時(shí)，將當(dāng)前計(jì)數(shù)值送至RAM進(jìn)行存儲(chǔ)，該值為目標(biāo)回波的方位計(jì)數(shù)值；在每個(gè)探測(cè)信號(hào)周期內(nèi)，當(dāng)ARM檢測(cè)到距離結(jié)束信號(hào)時(shí)，開始讀取RAM內(nèi)存儲(chǔ)的距離、方位計(jì)數(shù)值。
    雷達(dá)信號(hào)仿真單元只著重于各個(gè)信號(hào)的時(shí)序模擬，該單元的作用在于能夠在不接雷達(dá)信號(hào)的前提下對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查并模擬所需要的特殊路徑的目標(biāo)。整個(gè)單元采用計(jì)數(shù)器與比較器相結(jié)合?；夭ㄐ盘?hào)模擬的原理為：對(duì)回波信號(hào)的方位計(jì)數(shù)值與距離計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)所設(shè)定的條件完全滿足時(shí)輸出回波脈沖信號(hào)，以供本系統(tǒng)使用。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，其主要包括航跡處理與跟蹤、告警參數(shù)的設(shè)定、系統(tǒng)相關(guān)的用戶界面的設(shè)計(jì)與報(bào)警控制等相關(guān)內(nèi)容。
3.1 航跡處理與跟蹤
    航跡濾波與預(yù)測(cè)主要用于以目標(biāo)當(dāng)前位置和速度的估計(jì)值來預(yù)測(cè)下一次掃描時(shí)的目標(biāo)數(shù)據(jù)。在目標(biāo)探測(cè)過程中，由于雷達(dá)受自身探測(cè)精度、海面雜波和氣象環(huán)境電子干擾等因素的影響，因此其探測(cè)的目標(biāo)數(shù)據(jù)常常不精確，其結(jié)果往往造成跟蹤系統(tǒng)精度下降或系統(tǒng)跟蹤的發(fā)散。因此，為提高系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)船舶的跟蹤精度，采用恰當(dāng)?shù)臑V波技術(shù)對(duì)雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理是十分必要的。
    本設(shè)計(jì)針對(duì)的船舶運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)近似于線性動(dòng)力學(xué)模型，而卡爾曼濾波是為融合數(shù)據(jù)提供唯一統(tǒng)計(jì)意義下的最優(yōu)估計(jì)，其遞推特性使系統(tǒng)不需要大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算，所以運(yùn)用這種方法實(shí)時(shí)性好，適用于處理動(dòng)態(tài)的、低層次、冗余的數(shù)據(jù)。
    經(jīng)濾波完成目標(biāo)預(yù)測(cè)后，用目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行匹配。如果在預(yù)測(cè)的相關(guān)區(qū)搜索時(shí)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)，則在對(duì)相關(guān)區(qū)內(nèi)所有目標(biāo)進(jìn)行中心計(jì)算以后，將目標(biāo)中心位置離預(yù)測(cè)位置最近的那個(gè)物體作為當(dāng)前物體。如搜索不到目標(biāo)，則發(fā)出報(bào)警，并使用上一次的速度預(yù)測(cè)下一個(gè)位置，適當(dāng)擴(kuò)大搜索范圍。如果在連續(xù)跟蹤少于5次內(nèi)搜索到目標(biāo)，則認(rèn)為這個(gè)目標(biāo)就是跟蹤的目標(biāo)，并在下一次搜索時(shí)，適當(dāng)減小搜索范圍。如果連續(xù)5次搜索不到目標(biāo)，則發(fā)出目標(biāo)丟失信息，并退出目標(biāo)跟蹤程序。
3.2 告警參數(shù)的設(shè)定
    告警區(qū)的劃分為：以本船為中心，按3、6、12海里為半徑劃分為三圈，12海里以外的目標(biāo)不跟蹤、不告警，6～12海里為三級(jí)告警區(qū)，3～6海里為二級(jí)告警區(qū)，0.2～3海里為一級(jí)告警區(qū)。一、二級(jí)告警區(qū)邊界設(shè)置為6海里的主要依據(jù)是：在航路捷徑為零的情況下，對(duì)于航速為25、30海里/hr的目標(biāo)，到達(dá)時(shí)間分別為19.2 min、16 min，因此在最惡劣的情況下，在該邊界告警尚有一定的反應(yīng)時(shí)間。
3.3 顯示與告警控制
    信息顯示/告警控制模塊按照威脅評(píng)判結(jié)果的等級(jí)控制顯示器以圖形和字符兩種方式顯示目標(biāo)信息，同時(shí)控制報(bào)警裝置發(fā)出相應(yīng)的聲/光報(bào)警信號(hào)。
    系統(tǒng)界面的顯示與控制采用液晶彩色平面位置顯示器，以船首向上的顯示方式，且設(shè)備面板上設(shè)有控制鍵。圖4所示為全景目標(biāo)顯示模式。

    系統(tǒng)的告警部分由內(nèi)置蜂鳴器、黃/橙/紅三色告警燈和外置的高亮度紅燈、高音喇叭組成。當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出危險(xiǎn)目標(biāo)并判斷出其威脅程度后，立即自動(dòng)地分三個(gè)碰撞危險(xiǎn)等級(jí)，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。通過報(bào)警控制開關(guān)，可以允許／禁止外置報(bào)警的信息輸出，同時(shí)，該開關(guān)的關(guān)斷與開啟在顯示屏上有相應(yīng)的“外置聲光告警器已接通”和“外置聲光告警器已關(guān)閉”的提示信息。
    本文基于FPGA+ARM設(shè)計(jì)了船舶防撞系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本，同時(shí)也便于系統(tǒng)后期的改造升級(jí)。系統(tǒng)以原有的經(jīng)濟(jì)型雷達(dá)為基礎(chǔ)，既不干擾原有雷達(dá)的正常工作，又能夠識(shí)別危險(xiǎn)目標(biāo)，有效地發(fā)出警報(bào)信號(hào)，減少船舶碰撞事故的發(fā)生，在實(shí)際中有很大的實(shí)用價(jià)值，對(duì)保證船舶安全航行與作業(yè)具有重大意義。
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