我國目前從事近海捕撈的漁業(yè)船舶和近海運輸船數(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，但撞船事故率仍居高不下。因為這些雷達都是經(jīng)濟型航海雷達，既沒有目標跟蹤能力，也沒有自動防撞告警功能。因此，設(shè)計一種具有自動防撞告警功能而且成本低廉的系統(tǒng)是非常必要的。

    本文給出了船舶導航雷達防撞告警系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，設(shè)計并實現(xiàn)了具備基于FPGA的雷達信號采集單元和基于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)濟型航海雷達配合使用構(gòu)成一個新系統(tǒng)。設(shè)備從雷達上采集目標原始數(shù)據(jù)，通過對原始雷達數(shù)據(jù)的二次信息加工，實現(xiàn)目標跟蹤和防撞報警功能。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案及工作流程
1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
    本系統(tǒng)由信號檢測模塊與航跡分析模塊兩部分組成，如圖1所示。信號檢測模塊按照雷達距離同步周期對雷達回波信號進行檢測，并對距離同步脈沖計數(shù)形成角度坐標；航跡分析模塊實時讀取信號檢測模塊的輸出信號，通過對相鄰距離、角度周期回波信號進行相關(guān)處理，得到目標點跡數(shù)據(jù)并對其進行坐標跟蹤、平滑處理建立目標航跡，通過計算目標航路捷徑和目標到達時間實現(xiàn)威脅判斷。當發(fā)現(xiàn)危險目標后，輸出報警信號。

1.2 系統(tǒng)工作流程
    本系統(tǒng)從雷達視頻接口處提取目標信息，如表1所示，只對距離目標信號、船首信號、方位信號、視頻信號這4路進行轉(zhuǎn)換、采集和處理。其中前3種信號為電平脈沖信號，故需對其做相應的轉(zhuǎn)換、整形變換為TTL電平的數(shù)字脈沖信號。視頻信號即雷達回波信號為模擬信號。由于船用導航雷達的水平波束較窄，忽略波束寬度對測角誤差的影響，采用目標回波前沿作為目標角信號的方法進行采集、處理。故需對目標信號進行展寬、放大后采集。同時，信號采集門限值設(shè)定為可調(diào)。

    之后采用對船首信號、方位信號和距離同步信號進行脈沖計數(shù)的方法來判定目標出現(xiàn)時的方位計數(shù)值和距離計數(shù)值，從而得到具體的目標距離和方位，并對獲取的距離和方位進行同步存儲。嵌入式處理器（ARM）通過專用傳輸接口對存儲的目標數(shù)據(jù)進行讀取，通過軟件處理從數(shù)據(jù)中提取目標點跡信息，完成對目標回波的檢測與預處理。每幀中的目標點跡數(shù)據(jù)由航跡相關(guān)模塊通過航跡關(guān)聯(lián)算法進行關(guān)聯(lián)后，完成對目標航跡的連續(xù)跟蹤，進而形成目標的歷史航跡，并通過濾波算法處理實現(xiàn)對目標航跡的預測，最終形成目標的航跡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 硬件總體方案設(shè)計
    系統(tǒng)的硬件部分由以FPGA為核心的雷達數(shù)據(jù)采集電路板和以ARM為核心的雷達數(shù)據(jù)處理電路板組成?？傮w設(shè)計方案如圖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，同時又利用了ARM低功耗、高性能比的特點，將采集傳入的數(shù)據(jù)在ARM平臺上加以處理和顯示。

    本系統(tǒng)采用PC104總線標準將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)，實現(xiàn)了FPGA與ARM共享存儲器的系統(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
    FPGA與ARM通過PC104總線標準相連，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，為高電平時兩端呈高阻。
2.3 FPGA的功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)
    FPGA的模塊設(shè)計是系統(tǒng)硬件設(shè)計的重要部分，分為目標檢測定位模塊、模擬雷達信號時序模塊、RAM控制模塊三大模塊。目標檢測定位模塊主要完成對采集到的信號進行處理，以及及時發(fā)現(xiàn)目標并測定出目標距離計數(shù)值與方位計數(shù)值；模擬雷達信號時序模塊主要完成對雷達的時序及回波信號的模擬，使系統(tǒng)在不接雷達接收機的情況下可以完成系統(tǒng)的功能檢測與測試，便于整個系統(tǒng)在實驗室條件下的調(diào)試；RAM控制模塊主要完成對所測得的目標的方位、距離計數(shù)值進行存儲，ARM處理器可以通過總線對存儲器進行讀取以及對控制寄存器的數(shù)據(jù)進行寫入。在整個FPGA的實現(xiàn)過程中采用VHDL語言與原理圖輸入相結(jié)合的方式進行編程設(shè)計，并用QuartusⅡ軟件自帶仿真軟件進行功能、時序仿真驗證，最終下載到器件。
    在本系統(tǒng)中，目標檢測定位模塊是重要的一部分。其設(shè)計關(guān)系到雷達最終點跡的精度以及航跡濾波的質(zhì)量和精度。目標檢測定位模塊的工作流程圖如圖3所示。

    其工作過程為：(1)來自雷達收發(fā)機的探測信號與船首信號經(jīng)過同步整形電路轉(zhuǎn)換為TTL電平進入FPGA內(nèi)。(2)整形后的探測信號經(jīng)過同步器產(chǎn)生距離起始信號和距離結(jié)束信號(中斷信號)。采集的回波信號到達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，則判定該回波信號為有效回波信號，同時將該回波信號送至信號壓縮電路；如果不在則不輸出有效回波信號。(3)目標壓縮電路對送入的距離上相近的有效回波信號進行壓縮，并將壓縮后的回波信號送至計數(shù)器1。(4)計數(shù)器1在接收到整形后的探測脈沖時，開始計數(shù)(5 MHz)，并在下一個探測脈沖到來時，將計數(shù)值清零。當接收到壓縮后的回波信號時，計數(shù)器1將當前的計數(shù)值送至RAM存儲器進行存儲，該值為目標回波的距離計數(shù)值；計數(shù)器2在整形后的船首脈沖信號到來時，開始以整形后的探測脈沖為計數(shù)脈沖進行計數(shù)，并在下一船首信號到來時對計數(shù)值清零。當接收到壓縮后的回波脈沖信號時，將當前計數(shù)值送至RAM進行存儲，該值為目標回波的方位計數(shù)值；在每個探測信號周期內(nèi)，當ARM檢測到距離結(jié)束信號時，開始讀取RAM內(nèi)存儲的距離、方位計數(shù)值。
    雷達信號仿真單元只著重于各個信號的時序模擬，該單元的作用在于能夠在不接雷達信號的前提下對本系統(tǒng)進行功能檢查并模擬所需要的特殊路徑的目標。整個單元采用計數(shù)器與比較器相結(jié)合?；夭ㄐ盘柲M的原理為：對回波信號的方位計數(shù)值與距離計數(shù)值進行計數(shù)器計數(shù)，當所設(shè)定的條件完全滿足時輸出回波脈沖信號，以供本系統(tǒng)使用。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，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)計與報警控制等相關(guān)內(nèi)容。
3.1 航跡處理與跟蹤
    航跡濾波與預測主要用于以目標當前位置和速度的估計值來預測下一次掃描時的目標數(shù)據(jù)。在目標探測過程中，由于雷達受自身探測精度、海面雜波和氣象環(huán)境電子干擾等因素的影響，因此其探測的目標數(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)對目標船舶的跟蹤精度，采用恰當?shù)臑V波技術(shù)對雷達探測的目標數(shù)據(jù)進行濾波處理是十分必要的。
    本設(shè)計針對的船舶運動系統(tǒng)近似于線性動力學模型，而卡爾曼濾波是為融合數(shù)據(jù)提供唯一統(tǒng)計意義下的最優(yōu)估計，其遞推特性使系統(tǒng)不需要大量的數(shù)據(jù)存儲與計算，所以運用這種方法實時性好，適用于處理動態(tài)的、低層次、冗余的數(shù)據(jù)。
    經(jīng)濾波完成目標預測后，用目標的運動特性對目標進行匹配。如果在預測的相關(guān)區(qū)搜索時出現(xiàn)多個目標，則在對相關(guān)區(qū)內(nèi)所有目標進行中心計算以后，將目標中心位置離預測位置最近的那個物體作為當前物體。如搜索不到目標，則發(fā)出報警，并使用上一次的速度預測下一個位置，適當擴大搜索范圍。如果在連續(xù)跟蹤少于5次內(nèi)搜索到目標，則認為這個目標就是跟蹤的目標，并在下一次搜索時，適當減小搜索范圍。如果連續(xù)5次搜索不到目標，則發(fā)出目標丟失信息，并退出目標跟蹤程序。
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海里以外的目標不跟蹤、不告警，6～12海里為三級告警區(qū)，3～6海里為二級告警區(qū)，0.2～3海里為一級告警區(qū)。一、二級告警區(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，對于航速為25、30海里/hr的目標，到達時間分別為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時間。
3.3 顯示與告警控制
    信息顯示/告警控制模塊按照威脅評判結(jié)果的等級控制顯示器以圖形和字符兩種方式顯示目標信息，同時控制報警裝置發(fā)出相應的聲/光報警信號。
    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。當系統(tǒng)自動識別出危險目標并判斷出其威脅程度后，立即自動地分三個碰撞危險等級，發(fā)出聲、光報警信號。通過報警控制開關(guān)，可以允許／禁止外置報警的信息輸出，同時，該開關(guān)的關(guān)斷與開啟在顯示屏上有相應的“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)計了船舶防撞系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本，同時也便于系統(tǒng)后期的改造升級。系統(tǒng)以原有的經(jīng)濟型雷達為基礎(chǔ)，既不干擾原有雷達的正常工作，又能夠識別危險目標，有效地發(fā)出警報信號，減少船舶碰撞事故的發(fā)生，在實際中有很大的實用價值，對保證船舶安全航行與作業(yè)具有重大意義。
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