基于激光雷达成像和目标跟踪的短程舰船导航系统，以提高安全性和效率外文翻译资料

英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于激光雷达成像和目标跟踪的短程舰船导航系统，以提高安全性和效率

摘要

本文介绍了—种基于激光测距扫描仪的新型海上导航系统，用于避开障碍物和精确的操纵。这项工作的主要新颖之处在于改造现有的用于目标追踪激光测距和算法，实现一个实时的系统，并且在不同海洋和内陆的导航场景中测试。该系统的主要组成部分，即1）激光测距仪，2）扫描单元，和3）数据处理和显示单元，在文中被详细的说明。为了折中捕捉相关特征和快速生成帧，雷达图像有水平密集，垂直稀疏的特点。图像处理则以删除范围异常值，并且提取显著的可观察的模式。为了解决这个多目标追踪问题， 我们使具有鲁棒性的卡尔曼滤波技术进行连续跟踪处理每个检测到的观察结果。我们尽量减少不可靠的路径初始化并保留在临时观察错误时删除的路径。这在公海和内陆水道的评估取得了良好的结果，证明该系统适用于精确操纵，流畅导航和事故减轻。从船到船的重要的物体都会被检测到并进行有鲁棒性的跟踪；码头和船闸室草图可靠；桥高估算准确；狭窄的水道（河岸和桥梁列）被正确检测到。开发的原型可以被认为是传统基于雷达的技术的非常有价值的补充设备，传统的技术对于精确的短程探索而言并非完全有效的技术，该原型能提高船舶运营的效率和安全性。

关键词:高效智能导航；图像处理和去噪；整合全球定位系统(GPS)/电子海图显示与信息系统(ECDIS)与激光探测与测距(ladar)；卡尔曼滤波;海上与内陆导航；多目标跟踪(MTT)；观测与跟踪关联；安全与避碰

1.引言

现代船只具有复杂的导航助航设备^[1]，其中，大部分都致力于舰船定位、高效通信、以及环境探索。定位设备基于地图确定船只的位姿，他们包括GPS、Loran、电子图表显示和信息系统（ECDIS）。远程通信系统，比如，全球海上遇险和安全系统（GMDSS）或自动识别系统（AIS），对于与舰船交通服务（VTS）或其他附近的船只通信是很有作用的。而无限电探测器（雷达）和探深器这些探索设备对于探索舰船附近的情况很有用。

现在，在舰船密度很高的港口，船只坐标由VTS管理：VTS为每艘船分配时间区间，以及为船只提供安全的方向。尽管如此，在某些情况下，一艘船仍然可以在没有计划好或未经允许的情况下进入VTS无线电控制区^[2]，[3]，在这种情况下，现有的导航助航系统可能无法有效阻止碰撞。在内陆水路（河流和运河），船只航行在充满各种小物体的狭窄航道中时的船只密度，以及进行多种操控的需求，产生了一种危险的场景：海事雷达无法检测到意外和碰撞。

在许多精确的航行操作中都会遇到安全和效率问题，如进出港、靠港/清港、在狭窄的航道上超车慢船、在桥柱之间通过、在临界高度的桥下通过、快速进出闸室等，或与其他船只会船。图1说明了其中的一些情况。这些动作执行缓慢，效率低下，机组人员需要密切监督，以避免碰撞。

图1 导航辅助设备有用的两种常见情况

（a） 进港靠泊码头；（b） 通过窄桥柱的河流航行^[19]

欧洲统计数据^[4]显示，对于内河航道，船与船或船与固定物体的碰撞占所有事故的近50%，令人惊讶的是，它们往往发生在能见度良好的情况下。此外，在35%的碰撞中，船只的危险情况被发现得太晚了，而在40%的碰撞中，直到碰撞时才被察觉。尽管大多数现有数据只考虑大型船舶，但一些研究^[5]显示，小型船舶、休闲和高速船舶的事故数量甚至更高。这些事故造成的人员伤亡、环境灾害和经济损失，是发展和改进现有导航助航设施的强大动力。

雷达是海上导航中探测障碍物或船舶的标准传感器，它通过测量无线电信号从船舶到障碍物和返回所需的时间来工作^[6]、^[7]。大多数障碍物会产生雷达信号的强烈反射，从而可以估计其距离和方位。根据不同的应用，选择不同的无线电频率，从而实现不同的波长、发射模式和横向分辨率。高频波段（3-30 MHz）用于沿海雷达系统，L波段（1-2兆赫）用于远程空中交通管制，X波段（8-12兆赫）用于海上雷达和导弹制导，W波段（75-110兆赫；4毫米波长）用作无人驾驶车的高分辨率传感器。

固定波束雷达或机械扫描天线的横向分辨率受到波束发散（波束宽度）的限制，对于当前9.4GHz的海上缝隙波导天线，波束发散通常在水平方向上约为1°（500 m范围内的光斑直径为10 m）。由于垂直波束宽度较大（20°或更大），垂直信息不会被捕获。电子扫描相控阵在没有机械运动的情况下获得高的轴向和横向分辨率，但视场（FOV）有限，成本高^[8]。

海事雷达的典型测量范围在0.3至5公里之间。短程雷达（从几米到150米）利用脉冲压缩技术来提高传统雷达的轴向分辨率，同时保持恒定的发射能量水平而设计的。这些短程雷达已用于77GHz W波段或24GHz E波段汽车的自动巡航控制（ACC）^[9]-[11]；然而，尽管轴向分辨率有所提高，但横向分辨率较差，水平辐射模式（小于15°）对于海上应用来说太窄。

为了减少事故和精确机动，我们需要一种能够在短距离（0-500米）内工作、具有良好的轴向和横向分辨率、抗杂波能力强、视野宽且自适应的雷达式探测仪器。现有的雷达技术不能用于近距离避障和精确机动，因为它不满足上述要求^[12]。

光探测和测距（lidar）是一种类似于雷达技术的距离测量技术，它使用光而不是无线电^[13]。由于光源通常是激光，激光雷达也被称为激光探测和测距（ladar），在军事背景下，激光雷达这个术语具有误导性。由于激光的光束散度与发射器处的波长、光束直径之比成正比，因此激光雷达比射频（RF）雷达更具准直性（典型的激光束散度约为1 mrad）；此外，激光的发射剖面通常为高斯型且无旁瓣；因此，可以获得非常高的横向分辨率。此外，对于大多数反射面，轴向分辨率可高达1 mm。因此，可以对几乎由任何材料制成的任何类型的物体（即使是尺寸缩小的物体）进行成像（镜面或黑色表面物体除外），其中许多物体在雷达频率下是看不见的。

当前激光雷达技术的一个缺点是图像完成所需的时间；在实时操作中，必须在更新率和分辨率（每帧行扫描的次数）之间建立折中。下一代激光雷达将通过使用非扫描焦平面阵列（FPA）来减少这种捕获时间^[14]。与射频相比，激光辐射能被气溶胶和云粒子散射，这个特点限制了其工作范围。现在已经开发了即使在能见度低的情况下也能检测物体的信号处理技术。

激光雷达的典型应用包括探测大气中存在的颗粒物和污染物、卫星距离测量、高密度条件下执行交通速度法，或使用激光雷达成像识别坦克。激光雷达的新应用包括提高道路运输安全性的研究项目^[16]和自主导航陆上车辆^[17]；一个著名的例子是国防高级研究项目局大挑战竞赛^[18]。

本文介绍了一种新的近程激光雷达跟踪系统的研制和测试，该系统用于河流、运河和海洋的高效安全导航。本文将讨论激光扫描器系统的设计以及图像采集、模式识别和障碍物跟踪的任务。并给出了样机在外海和内河航道的试验结果。

2.目标和系统要求

拟议的激光雷达系统的目标是作为一种导航助航设备，以更有效地进行水上运输和避免事故（通过触发警报，甚至在船长控制装置上自动启动）。它必须在短距离（0-500米）内工作，并具有足够高的横向和轴向分辨率，以及普通近距离机动所需的宽动态视场。它也应该24小时运行，甚至在恶劣的天气条件下（雾或雨）。该系统必须设计为与船上已有的其他设备（GPS、雷达等）完全集成。

表1给出了精确测距导航传感器应满足的定量要求，以应对在公海和内河航行中的常见操作。这些要求包括最大射程、视场和射程精度。此表基于德国船舶技术和运输系统发展中心（DST）[19]所做的研究，并被当作我们系统的设计指南。

我们将传感器的工作范围限制在500米，包括所有内河航行操作和靠近码头的海上操作。0.1米的测距精度对于这些操作就足够了。激光雷达应具有全景水平视场（至少覆盖船前180°）和90°垂直视图（在地平线以上5°和85°之间）。但是，该视场应在操作期间配置，以优化表I中列出的每种船舶操作模式的捕获目标的时间。

根据DST^[19]，表1中大多数机动所需的更新频率为1Hz。该估计考虑了船长的反应时间、船舶动力学和接近障碍物的情况。然而，其他关键的短程操作，如停泊/离开码头、锁定或与其他船舶耦合，需要高达10赫兹的更新频率，特别是在必须自动操纵的情况下。

原始激光雷达数据将被处理以识别障碍物或目标（如码头的墙壁、其他船只等）。然后使用基于Kalman滤波的多目标跟踪（MTT）技术对这些目标进行跟踪^[20]、[21]，以不断更新其姿态和航向信息，这些信息可用于在字母数字和图形显示器上提供定量和符号表示。

3.激光雷达导航系统

本文提出的激光雷达系统主要由以下两部分组成：1）激光雷达成像系统（包括激光测距仪和扫描器）和2）具有人机界面的目标跟踪处理单元（见图2）。而国家海洋电子协会（NMEA）多路复用器用于与处理单元进行外部设备通信。

表1 各种船舶机动的传感器要求（基于[19]）

图2 近程激光雷达系统框图

（a）激光雷达成像系统包括主要光学元件、电子互连和机械元件的物理布局

（b）中央处理单元，用于检测、跟踪和用户界面

（c）与一些需要的外部船只设备连接（提供可选输出以传播激光雷达信息）。

A. 测距模块

测距模块是激光雷达系统的核心部件。它由波长为lambda;=1.064mu;m的纳米激光二极管泵浦的Nd:YAG红外激光发射器、时间为1.5ns的高斯脉冲形状和15khz的脉冲频率组成。激光束剖面对应于基本横移（高斯）模式，在从发射器出来后，经准直器透镜扩展后，束腰半径为14.5 mm，光束发散度为1.5 mrad（100 m范围内的典型光斑尺寸为0.3 m）。尽管激光器的峰值功率很高（Pt=1kw），但短脉冲长度导致平均发射功率仅为22.5mw，在规定的可接受发射限值范围内[15]。测距模块的设计符合

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[239153]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 孟加拉国采用小型农业机械的相关因素：人口普查结果外文翻译资料
• 自动化大容量多层车库——客户服务流程的概念和建模外文翻译资料
• 采用拉挤FRP材料的螺栓连接设计的普通和螺纹轴承强度外文翻译资料
• 基于接触式检测的航空机械手的设计与控制外文翻译资料
• 可重构机床：铣削、磨削、抛光用数控机床外文翻译资料
• 仙人掌梨型采收机械臂的结构设计外文翻译资料
• 自动夹具规划外文翻译资料
• 基于案例的敏捷夹具设计外文翻译资料
• AGV纵向和横向控制的鲁棒非耦合模糊控制器外文翻译资料
• 无碳汽车研究综述外文翻译资料