无人艇载雷达视频无线传输技术研究

分类：论文范文 发表时间：2022-04-18 16:11

　　摘要雷达视频数据量大，更新频率高，传输带宽占用量大.无人艇(USV)岸艇数据传输带宽有限，传输信息种类多、数量大.在无人艇使用过程中，雷达视频是岸基操作人员安全航行保障、交战对象搜索确认等不可或缺的支持信息，然而岸艇数据互通带宽资源的紧缺和雷达视频的大信息传输需求之间的矛盾必然存在.本文根据雷达探测成像原理，对雷达视频进行数字化表示，经压缩、数据传输和复原显示，实现无人艇岸基控制站对艇载雷达视频的还原显示.该技术在某型USV控制系统中的应用结果表明：视频压缩比高、处理时延低、视频还原完整、容错性好.关键词无人艇;雷达视频;数字化;视频压缩;视频还原显示

　　引言

　　无人艇(USV，Unmanned Surface Vehicles)的发展历史最早可追溯到1898年，当时著名的发明家尼古拉·特拉斯发明了名为“无线机器人”的遥控艇.它在二战时期首次被应用于实战，主要用以清除破浪带的水雷和障碍物.之后其应用模式不断拓展，被应用于取样、欺骗、评估、扫雷、自杀撞击等领域.因受限于技术水平发展，它们均采用遥控或预设航路的方式.美国海军从20世纪90年代开始研究无人水面艇[1].2007年，美国海军发布《海军无人水面艇主计划》，为无人水面艇赋予了7项任务(反水雷战(MCM)、反潜作战(ASW)、海上安全(MS)、水面作战(SUW)、支持特种部队作战(SOF)、电子战(EW)、支持海上拦截作战(MIO))，同时还界定了无人水面艇的船型、尺寸和标准等要素，标志着美国无人水面艇的发展走上正规[1].近年来，随着机器学习等人工智能技术的发展及在无人艇领域的应用，无人艇逐渐实现自主化和智能化，可以自主组织传感器进行周边态势感知、智能化态势分析和行动决策，自主任务执行和航行避碰，逐渐摆脱人的参与，能够长周期自主执行任务，从而为军事应用打开了广阔的前景.以色列的“保护者”是世界第一型察打一体无人艇，配备有机枪或舰炮、自动榴弹发射器和小型导弹.美国是无人艇装备类型和数量最多、技术最先进的国家，最近发布的“海上猎人”无人艇主要用于侦察和跟踪潜艇，能独立持续工作2～3个月.俄罗斯、日本、德国等国家投入了大量人力物力推进自主无人艇项目，我国也紧随其后，加快了无人艇的技术研究[2].2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，将指挥决策、军事推演及装备研制的智能化统筹纳入军民融合建设格局，催生了智能无人作战系统.我国军用无人艇还处于起步阶段[3].最近报道的我国JARI-USV多功能无人作战艇集成了最小的相控阵雷达，首次装备垂发导弹，具备对空、对海和反潜作战能力，它以其载荷模块化、决策智能化、控制自动化、航行自主化等特点令人瞩目.

　　雷达具有探测距离远、不受天气影响、探测精度高等特点，是现代作战舰艇必备传感器之一，是保障船舶航行安全，目标搜索、定位的重要设备[4].随着雷达信号处理技术的发展，已能实现对目标的自动建航和跟踪，但高漏情和误警仍然是现代雷达无法避免的问题.因此，需向用户实时显示雷达原始视频，以便环境监视和信息处理过程干预.根据雷达视频，船舶驾驶员可以实时掌握本船周围的态势，作出相应的决策，进而保障船舶航行安全，作战指挥员可以根据雷达视频发现并确认目标，人工或自动建立目标航迹，供武器打击使用.对无人作战艇而言，导航雷达视频具有同等重要性，如何将无人艇雷达载荷生成的视频信息通过通信系统完整、低时延地传输到岸基控制站并显示，是无人作战艇指挥控制系统必须解决的问题.

　　无人艇雷达载荷为有源探测传感器，主动发射电磁波，接收目标散射或反射的电磁波，进行信号处理后输出该方位目标回波信息，一个天线周期输出2 048线视频信息，数据量约4 MB.若不加处理直接传输，将极大地占用岸艇无线信道资源，影响其他重要信息的传输[5].为减少雷达视频对带宽的持续占用，降低视频数据传输时延，本文设计了雷达视频数据传输流程.如图1所示，其中视频编码压缩模块主要提取视频有效数据进行重新编码，岸端处理主要接收视频编码数据进行视频可视化绘制[6].本文主要针对无人艇雷达载荷构建了雷达视频数字化表示方法、编码压缩算法和解析显示算法.

　　1 视频压缩方法

　　视频压缩可分為有损压缩和无损压缩.一般而言，有损压缩通过牺牲图像细节而提升压缩比，通常得到原始数据的近似数据;而无损压缩则注重数据的可复原性，压缩率一般较低.无人艇雷达视频是提供岸基操作人员对自动建航、自主跟踪时的虚情、漏情的补充处理和确认，需在尽可能小时延的情况下完整复原无人艇雷达视频细节，从而需要选用无损压缩算法.

　　从国内外无损压缩技术研究看，无损压缩大致可分为基于变换的方法和基于预测的方法，主要有JBIG[7]、JPEG-LS[8]中基于MED预测的LOCO-I算法、基于小波变换的JPEG2000[9]、基于上下文预测编码CALIC[10]和微软的JPEG-XR[11]等.通过分析上述压缩算法，图像压缩基本可分为三个步骤，即去相关、量化、熵编码，三步相互联系又互相制约，进而构成不同压缩方法达到不同的压缩效果[12-13].本项目雷达采用边探测边发送回波的模式，图像数据是离散发送，如果采用上述压缩算法，需先缓存一个天线周期的图像数据，再构建图像，进而压缩处理，该方式势必增加处理时间和等待时间，增加图像时延.本文主要构建一种边接收边处理的压缩编码算法，满足无人艇雷达视频图像完整、低带宽占用、低时延的传输和显示需求.

　　2 雷达视频数字化

　　雷达回波是由雷达波照射到物体表面反射到雷达接收机，经信号处理后得到的信息.通过回波，可以得到目标相对于本艇的方位、距离信息.回波点的灰度值表示回波的强弱.受雷达探测原理的启发，雷达视频可视作由致密射线组成，进而实现雷达视频的去相关、数字化、离散化.雷达探测时，接收到回波信号后，进行恒虚警和去噪等预处理后立即向外部系统输出方位区间内的回波信息，较有人值守雷达节约了雷达图像构建与显示处理时间.故雷达视频数字化可采用以本艇为中心的射线表示某个方位的视频数据，即第i个方位的视频Vi表示为

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