海洋论坛▏海域多要素感知观测与预警关键技术

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党的十八大提出了建设海洋强国的重大部署。习近平总书记曾指出，建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分，要进一步坚持创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，树立海洋经济全球布局观，主动适应并引领海洋经济发展新常态，加快供给侧结构性改革，着力优化海洋经济区域布局，提升海洋产业结构和层次，提高海洋科技创新能力。《福建省“十三五”海洋经济发展专项规划》提出了运用“互联网+”思维指导海洋信息化工作，综合应用通信技术、计算机技术、物联网技术、云技术等，构建融合海域使用动态化管理、海洋工程环境监管、渔船信息化管理、安全生产监管、养殖区域及水质监控、海洋渔业生产状况及经济数据收集、应急事项处置于一体的“智慧海洋”平台，实现智能感知、智能调度、智能决策、智能服务，形成与海洋现代化管理相适应的智慧海洋体系。

基于海洋观测、海洋渔业、海洋执法等业务需求，“海域多要素感知观测与预警系统”应运而生，该系统通过对海面目标实时态势的跟踪观测和海洋环境实时监测，综合感知分析与预测处理，实现海域海面的“透明化”和“智能化”；可为海洋渔业、海警、海事等部门海上执法及事故调查等提供关键信息支撑，可赋能智能渔业、智能执法、智能搜救、海洋环境服务等新业态，对国家海洋信息化战略的实现具有重大意义，具有广泛的应用前景。

一、系统的组成及功能

如图1所示，海域多要素感知观测与预警系统主要由雷达网、光电观察设备、AIS、GPS、综合信息处理平台等组成。

图1  海域多要素感知观测与预警系统组成框图

海域多要素感知观测与预警系统主要实现以下功能：

⑴渔业生产管理：

雷达结合光电联动对目标的进一步识别，可实时掌控海上渔船的分布态势。有针对性地查处伏季休渔、“三无”渔船、套牌等违法违规行为；

⑵环境资源保护：

实时监控重点区域（自然保护区、采砂区、水下文物保护区等），防范船只违规破坏海洋环境与资源；

⑶海洋监测：

实时监测海洋气象、海况、溢油泄漏；

⑷安全救助：

故障、事故船只定位，事故过程调查，事故责任认定；

⑸渔船信息服务：

海上气象、海况、台风信息，禁航区通告、渔船密度分布；

⑹渔获物网上交易平台：

即时上架、实时下单、简化到港后的流转环节，提升新鲜度。

二、感知观测与预警关键技术

为了实现高精度、高可靠、高智能的感知观测与预警，系统利用岸基、舰载、机载或星载等各种平台传感器，融合雷达、红外、电子侦收（ESM）、AIS等多源特征进行海面目标综合识别，解决同一目标多源特征时空匹配关联和异源特征数据融合识别等问题，克服单一传感器目标特征不确定性，实现高置信度海面目标识别；逐步建立完备的海面目标特征数据库，采用电磁散射计算和动静态测量相结合的方法，利用实测数据迭代校验，提高目标与海面复合电磁散射模型精度，进一步提高电磁散射计算的速度和精度，解决实测数据样本不完备和数量少等问题；借助人工智能最新成果，采用机器学习、深度神经网络等模式识别技术，学习训练高分辨距离像、SAR/ISAR像等包含海面舰船目标的雷达回波数据，提高目标识别模式分类器的泛化能力，克服单纯人工设计的目标识别特征复杂环境适应性差、算法工程推广能力低等问题。涉及的关键技术很多，下面列举几个。

⒈基于非恒定自适应门限的目标全自动

探测技术

该技术采用非恒定自适应门限的TBD（Track-beforedetect）算法进行小目标自动录取。该技术的主要特点有：

⑴将雷达覆盖域分割成若干个小模块，每个模块的门限由本模块的视频统计来决定；

⑵使用自适应门限进行杂波抑制，并利用先跟踪后探测算法对目标进行跟踪、提取；

⑶自动抑制海浪、雨雪杂波，在海况、雨雪条件变化时无须人工调整跟踪参数，系统调试完毕后，参数通过自适应更新，以实现稳定跟踪目标。

目前，该项技术已大量应用于浙江、山东、海南等省近海雷达监控系统，为海警、渔政、救捞船只，为渔船救助管理、海监执法、伏季休渔渔船管理执法等提供实时海面数据支撑。应用结果表明：在探测概率、同等条件下的探测距离、目标虚警率等核心参数领先于国内同类产品。

⒉雷达组网全目标融合技术

图2  多目标信息融合示意图

系统涉及现有的军方观通站、海事VTS、自建小目标雷达站等多雷达组网融合工作，需进行多目标信息融合处理。多目标信息融合和目标融合流程分别如图2和图3所示，根据目标的多种特性判断是否为同一目标进行融合，重点解决融合时可能出现非同一目标的融合而造成目标缺失的问题及相同目标的不融合造成目标重复的问题。

图3  目标融合流程图

该技术已在沿海多省近海雷达系统中得到应用，能够实现多雷达站数据自动融合，融合率高达98%以上，且支持对溢油、海浪数据的融合。

⒊基于经验正交分解的X-BAND雷达

海浪探测技术

X-BAND雷达测波技术与测波浮标相比有运维成本低、可移动观测、业务化程度高、探测范围广、数据连续性好等优点，已得到国内外普遍认可。该技术主要利用导航X波段雷达图像，通过三维傅里叶变换谱分析反演出海浪参数，存在：①基于波浪场的空间均匀性和时间稳定性假设，而这一假设在真实的海区中很少成立；②谱分析反演算法中需要用到流体力学中的线性频散关系，而海浪在近岸传波时受到水深变浅和岸的折射的影响，线性频散关系可能不适用，并且频散关系方程中需要水深作为已知条件；③谱分析反演算法中需要用调制传递函数来描述导航X波段雷达复杂的成像机制，受到雷达极化方式、入射角、风速、风向、气温、海表层水温、海面白帽等因素的影响，这一函数很难准确确定。

图4 非均匀波浪场波浪参数提取EOF算法流程图

为了克服传统谱分析反演算法的缺点，有效解决非均匀波浪场的参数提取问题，我们从真实海区的非均匀波浪场出发，提出了适用于非均匀和均匀波浪场的经验正交分解法（简称EOF算法）。该算法的核心流程如图4所示，首先，利用经验正交函数将导航X波段雷达图像序列分解为不同的模态，从第一主模态的最大熵功率谱中提取海浪的周期，根据主成分的标准差与有效波高的经验关系获得海浪的有效波高；其次利用重构的第一模态海浪场的Fourier谱反演海浪的波向，并利用波浪条纹的相似性消除波向的180°模糊。

目前，该技术已在温州海洋与渔业局、交通部救助船、海军某部项目得到实际应用，效果良好，并于2016年系统通过了国家海洋标准计量中心测试。

⒋基于雷达视频处理的溢油探测与

报警技术

该技术通过对普通海事雷达回波进行高级处理，可实现全自动、全天候、实时的探测，发现、跟踪和监视溢油区域的变化。它既可以是一整套独立的雷达系统，也可以将溢油探测处理模块与船载导航雷达前端整合。在具备网络传输的条件下，可以组成溢油监控网。

该技术的信息处理过程如下：首先，通过雷达视频处理模块，将雷达视频分配给其他组件，通过溢油探测模块处理原始雷达视频并提取溢油信息；其次，将提取溢油信息传送给溢油探测服务器，生成若干报警层并将其发送给管理部门，同时记录原始数据/处理过的数据及报警信息；最后，将溢油探测处理结果可视化并提供区域配置工具。

目前，该技术已多次应用于中海油钻进平台，海事局巡逻船、溢油回收船等用户。

三、应用案例

海域多要素感知观测预系统在福建沿海现已经完成30个站点布设，每个站点配备有雷达设备、光电设备、AIS设备、数据处理设备、电源管理设备等硬件设备和岸基近海雷达综合监测系统数据综合数据采集软件等，通过专用网络将雷达网监控信息发送至中心数据服务器，中心数据服务器进行数据的融合、处理、记录并分发至各级应用终端。系统已经投入使用并取得成效，并多次受到领导的表扬。主要有：

⑴在2017年“金砖会议”期间，成功为海警总队提供海上目标监控，在2018年三季度与福建省海警总队试用期间，配合总队抓获多起违法走私行为。

⑵在2018年伏休期内，为福建省海洋与渔业厅打击违法作业渔船、非法海沙开采等提供实时监测手段，并协助福建省海洋与渔业执法总队成功抓获多起违法行为。

图5   闽连渔运60059船位报告图

⑶2018年8月开始与海事局合作，已配合福建海事局进行多次海上交通事故调查，典型案例是10月31日福建海事局对沙埕港附近发生的“闽连渔运60059”沉船事故海难发生时间及地点准确调查，接到福建海事局协助调查的要求后，第一时间协助海事局通过系统回放功能，准确判断事故船沉没时间及地点，图5为闽连渔运60059船位报告图，图6为闽连渔运60059沉船点定位图；海事局及时安排救助船只现场搜救，为海上搜救赢得时间，海上救援船只成功救起十余人。该事故调查受到福建省领导高度赞扬。

图6   闽连渔运60059沉船点定位图

四、结语

海域多要素感知观测与预警系统基于海洋观测、海洋渔业、海洋执法等业务需求开发，通过对海面目标实时态势的跟踪观测和海洋环境实时监测，实现包括海上目标、海洋环境、海洋水文气象等实时动态数据综合感知及智能预警分析。系统已经在福建省海洋渔业、海警、海事等部门成功应用，取得了很好的效果，获得省领导的认可及赞扬，具有很高的应用及推广价值。

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【作者简介】文林化琛 郑佳春 黄一琦 孙世丹 曹长玉，分别来自中国铁塔福建省分公司和集美大学信息工程学院。第一作者林化琛，硕士，从事通信及物联网技术研究；第二作者郑佳春，教授，从事智能信息处理、人工智能研究。本文为基金项目，福建省科技计划重点项目（NO.2017H0028）、集美大学国家基金培育计划项目（NO.ZP2020042）。文章来自《航海》（2020年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。

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