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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yù)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(yù)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(yù)測主要用于以目標當前位置和速度的估計值來預(yù)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(yù)測后,，用目標的運動特性對目標進行匹配,。如果在預(yù)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(yù)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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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