一种船用雷达数字化智能目标处理设备的制作方法

1.本实用新型涉及船用雷达技术领域，特别涉及一种船用雷达数字化智能目标处理设备。


背景技术：

2.雷达是船长的眼睛，在夜晚或者雨雾等能见度不好时，船舶的安全行驶非常依赖船用雷达或者导航雷达，船用雷达的最主要功能是避障避碰。船上另外重要的避碰设备为ais(船舶自动识别避碰系统)。ais定期发送本船的位置、速度、船艏等动态信息，以及船名、尺寸、目的等静态数据，同时接收它船发送的这些信息，从而规避船只碰撞。与ais方式不同，雷达能主动发现船舶、浮标、灯塔、还能发现岛礁、桥梁、索缆、建筑等目标，以及水面漂浮物等。对船舶来说，ais是被动接收的，受发送方影响；雷达是主动的，能提供更全面可靠的信息。只有ais和雷达同时使用，并对雷达目标和ais目标进行融合处理，形成更加稳定的目标航迹，才能保证航行更加安全。
3.遗憾的是很多雷达没有arpa功能，即雷达目标跟踪(tt)，也无法接入ais信号。即使是最新体制的imo雷达，尽管既有tt功能，也能显示ais目标，但对于ais和tt的目标融合仅停留在显示上，不能提供稳定的融合目标航迹输出，以及做出避碰预警。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有船用雷达没有tt功能或者无法将ais和tt的目标融合并形成稳定的融合目标航迹输出的问题而提供一种能够将将ais和tt的目标融合并形成稳定的融合目标航迹输出的船用雷达数字化智能目标处理设备。
5.为了实现上述发明目的，本实用新型的船用雷达数字化智能目标处理设备，包括：
6.船用雷达，所述船用雷达输出回波基带视频信号video、触发脉冲信号trigger、方位零位脉冲信号arp和方位计数脉冲信号acp；
7.ais装置，所述ais装置输出船舶ais信号；
8.罗经仪，所述罗经仪输出罗经信号；
9.导航仪，所述导航仪输出位置/速度/时间导航仪数据信号；
10.回波信号调理模块，所述回波信号调理模块对船用雷达输入的回波video基带视频信号进行选路、滤波、放大、偏移，将带宽和幅度合适的模拟信号送至adc模数转换模块进行量化与采集；
11.adc模数转换模块，所述adc模数转换模块将所述回波信号调理模块输出的带宽和幅度合适的模拟信号进行数字化转换成数字化雷达回波信号并输出；
12.触发脉冲与方位信号接收模块，所述触发脉冲与方位信号接收模块将船用雷达输出的trigger、arp和acp转换为雷达触发脉冲和方位同步信号并输出；
13.基于fpga的雷达信号处理模块接收来自adc数模转换模块输出的数字化雷达回波信号以及所述触发脉冲与方位信号接收模块输出的雷达触发脉冲和方位同步信号，经过雷
达信号处理形成高信杂比雷达ppi扫描视频数据并输出；所述基于fpga的雷达信号处理模块对所述回波信号调理模块进行设置；
14.ddr雷达数据缓存模块，所述ddr雷达数据缓存模块与所述基于fpga的雷达信号处理模块通讯连接，对所述基于fpga的雷达信号处理模块的高信杂比雷达ppi扫描视频数据进行存储和被调用；
15.导航信号接收模块，所述导航信号接收模块接收所述罗经仪输出的罗经信号、所述导航仪输出的位置/速度/时间导航仪数据信号、所述ais装置输出的船舶ais信号并转换为ttl信号并输出；
16.雷达目标跟踪与融合功能模块，所述雷达目标跟踪与融合功能模块通过其上的uart异步串口接受来自导航信号接收模块输出的ttl信号并通过其上的pci-e接口接收来自基于fpga的雷达信号处理模块输出的高信杂比雷达ppi扫描视频数据；所述雷达目标跟踪与融合功能模块将所接收的ttl信号和高信杂比雷达ppi扫描视频数据进行融合形成雷达回波数据输出，同时，根据雷达回波数据进行目标检测、捕获与跟踪，形成tt航迹数据，同时融合ais目标航迹，并可将这些航迹数据和避碰参数输出；
17.mcu内存与存储模块，所述mcu内存与存储模块通过ddr接口和flash接口与所述雷达目标跟踪与融合功能模块通讯连接，为所述雷达目标跟踪与融合功能模块代码运行、计算和数字存储的介质；
18.雷达控制模块，所述雷达控制模块将所接收的网络控制配置参数和本地设备设置参数进行解析、分解、转换后传输给所述雷达目标跟踪与融合功能模块并来控制所述回波信号调理模块设定调理参数，同时所述雷达控制模块还对所述基于fpga的雷达信号处理模块的状态和配置参数进行设置，通过雷达目标跟踪与融合功能模块上的pci-e接口传输给基于fpga的雷达信号处理模块；
19.网络通信模块，所述网络通信模块与雷达控制模块通讯连接，将网络控制配置参数传输给雷达控制模块；并与远程控制中心连接，实现操控、配置、状态、回波数据和目标航迹数据的交互；
20.显示与设置模块，所述显示与设置模块与所述雷达控制模块通讯连接，用以显示所述雷达目标跟踪与融合功能模块输出的目标航迹数据并对本地设备参数进行设置并输送给雷达控制模块。
21.在本实用新型的一个优选实施例中，所述网络通信模块通过10m/100m/1000m自适应以太网与所述远程控制中心进行操控、配置、状态、回波数据和目标航迹数据的交互。
22.在本实用新型的一个优选实施例中，所述基于fpga的雷达信号处理模块为xilinx的xc6slx150。
23.在本实用新型的一个优选实施例中，所述雷达目标跟踪与融合功能模块为arm cortex a72处理器，型号为rk3399。
24.在本实用新型的一个优选实施例中，所述回波信号调理模块由lc滤波器、ad8056运放、射频开关adg604组成。
25.在本实用新型的一个优选实施例中，所述adc模数转换模块选用ltc2208。
26.在本实用新型的一个优选实施例中，所述触发脉冲与方位信号接收模块采用pc400光耦器件和mc14504电平转换器。
27.在本实用新型的一个优选实施例中，所述ddr雷达数据缓存模块采用mt47h128m16rt。
28.在本实用新型的一个优选实施例中，所述导航信号接收模块采用光耦接收器件pc400。
29.在本实用新型的一个优选实施例中，所述mcu内存与存储模块为ddr存储体h5tc4g63以及emmc存储体klm8g1。
30.在本实用新型的一个优选实施例中，所述雷达控制模块由rk3399处理器实现。
31.在本实用新型的一个优选实施例中，所述网络通信模块由rk3399处理器和以太网phy芯片dp838454组成。
32.在本实用新型的一个优选实施例中，所述显示与设置模块由rk3399驱动字符型lcd和接收按键输入组成。
33.本实用新型的工作原理如下：本设备采集船用雷达、ais、罗经、导航仪等导航设备信号，不影响船上雷达和其它设备的正常工作，通过基于fpga的雷达信号处理模块和雷达目标跟踪与融合功能模块，对雷达数据和导航设备进行解析。基于fpga的雷达信号处理模块主要完成包含雷达杂波抑制的各种雷达信号处理，获得经过量程尺幅量化的雷达回波数据并输出。
34.雷达目标跟踪与融合功能模块解析导航设备信号，同时实现雷达目标自动跟踪，实现传统雷达的数字化改造升级；同时雷达目标跟踪与融合功能模块(还完成雷达跟踪目标tt和ais的目标融合，形成稳定可靠的目标航迹。另外，根据这些航迹，计算本船的避碰参数。最后，雷达目标跟踪与融合功能模块通过网络通信，将雷达回波数据、目标航迹数据、导航设备数据、工作状态与参数等通过以太网，传递给其它设备，或者通过船载vsat等卫星通信，与远程控制中心进行数据通信。
35.本实用新型具有以下优点：
36.(1)在不改变船上已有雷达与导航设备的前提下，实现了雷达的数字化升级改造，降低了船舶信息化管理的建设成本，提高了航行安全。
37.(2)实现了雷达回波采集，并实现了雷达海浪、雨雪、干扰等杂波抑制，并根据量程实现尺度量化。通过以太网可以实现雷达数据远程ppi扫描显示，具备了对远程雷达态势感知与管理的监控能力。
38.(3)实现了传统雷达的tt能力，使得航行更加安全，目标感知能力更加智能自动。
39.(4)实现了tt与ais的目标融合功能，将tt和ais的优势加以互补，可送出更多的目标信息。
40.(5)通过tt ais的目标时间同步、航迹关联与航迹跟踪，实现了更高频次、更高精度、更加稳定的目标航迹数据，
41.(6)对tt、ais、tt ais的目标航迹进行了智能避碰参数计算，根据本船(os)的船艏、航向、航速、位置、时间等信息，获得目标的cpa、tcpa等关键避碰参数，并能对可能发生的碰撞产生预警，大大提供了航行安全和监督管理。
42.(7)通过tcp/ip协议的网络通信，可以实现设备互联和远程操控管理，让船舶监控管理变得更加有效。可根据情况对船舶位置、速度、轨迹、航行、环境等进行有效管理，实现远程智能预警、数据存储、查询回放等，对于执法取证、事前提醒、事后调查等管理意义重
大。
43.(8)采用fpga arm的嵌入式架构，具有实时性好、功耗低、可靠稳定等突出优点。fpga处理实时性要求高的雷达信号，arm处理器实现复杂的控制和目标跟踪融合等功能。
44.(9)具有很好的可扩展性，可增加船载水文气象等数据采集，可扩展目标特性与行为分析等智能识别功能，同时可构建多终端组网式监视系统，尤其适合军民融合的使用环境。
附图说明
45.图1为本实用新型的船用雷达数字化智能目标处理设备的原理示意图。
具体实施方式
46.以下结合附图和具体实施方式来进一步描述本实用新型。
47.参见图1，图中所示的船用雷达数字化智能目标处理设备，包括船用雷达10、ais装置20、罗经仪30、导航仪40，这些利用船上现有装备。还包括回波信号调理模块50、adc模数转换模块60、触发脉冲与方位信号接收模块70、基于fpga的雷达信号处理模块80、ddr雷达数据缓存模块90、导航信号接收模块100、雷达控制模块110、网络通信模块120和显示与设置模块130。
48.船用雷达10输出回波基带视频信号video、触发脉冲信号trigger、方位零位脉冲信号arp和方位计数脉冲信号acp，ais装置20输出船舶ais信号，罗经仪30输出罗经信号，导航仪40输出位置/速度/时间导航仪数据信号；
49.回波信号调理模块50由lc滤波器、ad8056运放、射频开关adg604组成，该回波信号调理模块50对船用雷达10输入的video信号进行选路、滤波、放大、偏移等调理，将带宽和幅度合适的模拟信号送至adc模数转换模块30进行量化与采集。同时该回波信号调理模块50受控于雷达控制模块110，根据网络远程控制来设定调理参数。
50.adc模数转换模块60的型号ltc2208，其将回波信号调理模块50输出的带宽和幅度合适的模拟信号进行数字化转换成数字化雷达回波信号并输出送至基于fpga的雷达信号处理模块80；adc模数转换模块30的采样时钟由基于fpga的雷达信号处理模块80提供，采样率选择100mhz，以满足雷达信号带宽的nyquist准则；adc模数转换模块60转换精度采用14bits，保证了足够的动态范围。
51.由于雷达的工作方式是在触发脉冲同步下处理，触发脉冲与方位信号接收模块70的采用pc400或者mc14504电平转换芯片，其将船用雷达10输出的时序信号转换为雷达触发脉冲和方位同步信号,并输出至基于fpga的雷达信号处理模块80进行时序同步。不同的雷达参数不尽相同，通过基于fpga的雷达信号处理模块80信号处理来转换。
52.基于fpga的雷达信号处理模块80采用xc6slx150，其接收来自adc数模转换模块60输出的数字化雷达回波信号以及触发脉冲与方位信号接收模块70输出的雷达触发脉冲和方位同步信号，经过信号处理后，形成高信杂比雷达ppi扫描视频数据并输出；该基于fpga的雷达信号处理模块80对回波信号调理模块进行设置。基于fpga的雷达信号处理模块80负责雷达信号处理，有效抑制雷达接收杂波，提高信杂比，增强探测能力。并根据量程的设置，对脉冲回波进行尺度量化，减少雷达处理与缓存的数据量，形成ppi(平面显示器)雷达扫描
数据。基于fpga的雷达信号处理模块80采用ddr高速雷达数据缓存，可以进行雷达数据的高速大容量吞吐。
53.在雷达信号处理中，需要大容量、高速数据缓存，用来进行相关等处理，本实用新型的ddr雷达数据缓存模块90的型号为mt47h128m16rt，由fpga控制与访问，其与基于fpga的雷达信号处理模块80通讯连接，对基于fpga的雷达信号处理模块80的雷达ppi扫描视频数据进行存储和被调用。
54.雷达tt需要船艏即罗经信号，同时需要导航仪数据；ais tt融合则需要ais信号。本实用新型的导航信号接收模块100采用光耦接收器pc400接收罗经仪30输出的罗经信号、导航仪40输出位置/速度/时间导航仪数据信号、ais装置20输出船舶ais信号并转换为ttl信号并输出。
55.本实用新型的特点是将tt与ais的目标融合，将tt和ais的优势加以互补，可送出更多的目标信息，目标航迹数据更加稳定可靠。因此，本实用新型还包括一雷达目标跟踪与融合功能模块140和mcu内存与存储模块150。雷达目标跟踪与融合功能模块140采用arm cortex a72处理器rk3399，mcu内存与存储模块150的分别采用ddr存储体h5tc4g63以及emmc存储体klm8g1。
56.雷达目标跟踪与融合功能模块140是基于arm处理器的目标在雷达回波上进行目标捕获和跟踪，形成雷达跟踪目标，即tt目标。
57.船用雷达10能够主动发现船只、航标、水面漂浮物等目标，现代船用雷达10在数字化与计算机技术发展基础上，具有的智能避碰功能，也称为arpa(自动雷达标绘仪)功能或tt(目标跟踪)。tt受杂波、干扰、遮挡等影响，存在误报与漏报，且测量精度误差较大。ais(船舶自动避碰仪)是通过定时发送本船航行信息和船舶数据，并接收它船这些信息来感知周边船只，ais精度高、稳定可靠、可绕射，但依赖于目标主动发射。因此，本实用新型的雷达目标跟踪与融合功能模块140将tt和ais进行融合，具有取长补短的优势。tt和ais融合主要包括时间同步、航迹起始和航迹关联处理技术，通过网络通信模块将融合的目标航迹信息向外传输。
58.雷达目标跟踪与融合功能模块140通过其上的uart异步串口接受来自导航信号接收模块100输出的ttl信号并通过其上的pci-e接口接收来自基于fpga的雷达信号处理模块80输出的高信杂比雷达ppi扫描视频数据。
59.雷达目标跟踪与融合功能模块140将所接收的ttl信号和高信杂比雷达ppi扫描视频数据进行融合形成雷达回波数据网络输出，同时，根据雷达回波数据进行目标检测、捕获与跟踪，形成tt航迹数据，同时融合ais目标航迹，并可将这些航迹数据和避碰参数进行网络输出。
60.mcu内存与存储模块150是雷达目标跟踪与融合功能模块140的代码运行、计算和数字存储介质，通过专用的ddr接口和flash接口，组成雷达目标跟踪与融合功能模块140的工作系统。
61.雷达控制模块110由rk3399实现，其负责设备的状态显示与按键设置等功能，该雷达控制模块110同时与网络通信模块120连接，获取网络控制参数配置和本地设备参数设置。该雷达控制模块110将本地设置参数、远程网络控制参数进行解析、分解、转换，将相关参数传递给雷达目标跟踪与融合功能模块140，或者将对基于fpga的雷达信号处理模块80
的状态和配置参数，通过pci-e接口与基于fpga的雷达信号处理模块80进行传输。
62.网络通信模块120由rk3399和dp838454组成，其与雷达控制模块110通讯连接，将网络控制参数配置传输给雷达控制模块110；并通过网络交换机160、卫星天线170、网络180、网络通信模块190与远程控制中心200连接，实现操控、配置、状态、回波数据和目标航迹数据的交互。网络180可选择支持10m/100m/1000m的自适应以太网。
63.显示与设置模块130由rk3399驱动简易字符型lcd显示和接收按键输入，其与雷达控制模块110通讯连接，用以显示雷达目标跟踪与融合功能模块140输出的工作状态，并对本地设备参数进行设置并输送给雷达控制模块140。