基于激光雷达成像和目标跟踪的近距离船舶导航系统，使航行更安全、更高效外文翻译资料

 2022-08-01 22:04:13

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基于激光雷达成像和目标跟踪的近距离船舶导航系统，使航行更安全、更高效

摘要-本文介绍了一种基于激光测距扫描仪的新型海上导航系统，用于规避障碍物和精确的船舶操纵。本篇文章的创新性主要在于将已知的激光测距技术和目标跟踪算法改编在一个实时运行的系统中共同使用，该系统已经在不同的自然海域和内陆航行场景中进行了测试。本文详细介绍了该系统的主要组成部分，即1)激光测距仪，2)扫描单元，3)数据处理和显示单元。激光雷达图像水平密集，垂直稀疏，这是为捕捉相关特征和快速帧形成之间的折中结果。对图像进行处理去除距离离群点，并提取重要的可观测模式。这个多目标跟踪问题是使用鲁棒卡尔曼滤波技术来解决的，以便对每个检测到的目标进行连续跟踪。我们将不可靠的初始化航迹最小化，并在误观测期间保护航迹不被删除。在外海和内河航道上的实验评估结果良好，表明该系统在精确操纵、流畅的导航和减少事故方面是有效的。对船舶等需要注意的目标进行探测和可靠的跟踪；码头和船闸闸室草图可靠；驾驶台高度估计精确；以及狭窄的水道(河岸和桥柱)被正确检测。从目前该研究的雏形可以看出，这是对传统雷达技术的一种非常有价值的补充，因为传统的雷达技术不能完全有效地进行精确的近程探测，该系统提高了船舶作业的效率和安全性。

索引-高效智能航行、图像处理和去噪、一体化全球定位系统（GPS）/电子海图信息与显示系统(ECDIS)与激光探测与测距、卡尔曼滤波、海洋和内陆导航、多目标跟踪（MTT）、观测航迹联系、安全和避碰。

一、简介

现代船舶配备了先进的助航设备[1]，主要用于船舶定位、高效通信和航行环境的观测。定位设备根据地图确定船舶的位置和方向，包括全球定位系统(GPS)、罗兰和电子海图显示和信息系统(ECDIS)。像全球海上遇险和安全系统(GMDSS)或自动识别系统(AIS)这样的电信系统对于与船舶交通管理局(VTS)或与其他邻近船舶进行通信是有用的。无线电探测和测距(雷达)以及测深仪等探测设备在探测船舶周围环境时很有用。

目前，在船舶密集的港口，船舶协调由VTS来管理，VTS为每艘船舶分配一个时间段，并为安全航行指明方向。然而，在某些情况下，驶近的船只可能在计划外或未经许可进入VTS无线电控制区[2]、[3]，在这种情况下，现有的辅助设备可能不足以避免碰撞。在内河(河流和运河)，在被许多小物体包围的狭窄通道上航行的船舶密度很高，而且需要进行多样化的操纵，这造成了海事雷达可能无法检测到操纵时可能发生事故和碰撞的危险情况。许多精确的航行操作都存在安全和效率问题，如进出港口、海上作业靠泊/清理码头、狭窄通道追越、桥柱间通过、临界高度桥下通过、快速进出船闸舱室或与其他船舶耦合[4]。其中几种情况如图1所示。这些动作进行缓慢而低效，应由船员严密监督以避免碰撞。

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之间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时候。此外，在35%的碰撞事件中，是由于发现船舶危险情况的时间太晚，而40%的情况下，是直到碰撞发生时才意识到船舶的危险情况。虽然大多数现有数据只考虑大型船舶，但一些研究[5]显示，小型船只和高速船舶的事故数量甚至更高。这些事故造成了人员伤亡、环境污染和经济损失等后果，但也成为了发展和改进现有助航设备的强大动力。

雷达是在海上航行中探测障碍物或船只的标准传感器，其工作原理是测量无线电信号从船只到障碍物再返回所需的时间[6]、[7]。大多数障碍物都会产生强烈的雷达信号反射，从而可以估计它们的距离和方位。根据不同的应用，选择不同的无线电频率，可以实现不同的波长、发射模式和横向分辨率。高频波段(3-30 MHz)用于海岸雷达系统，L波段(1-2 GHz)用于远程空中交通管制，X波段(8-12 GHz)用于海上雷达和导弹制导，W波段(75-110 GHz；4 mm波长)用作自动驾驶车辆的高分辨率传感器。

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，对于目前可用的9.4Ghz海上缝隙波导天线，水平方向的波束宽度通常约为1◦(500m范围内的光斑直径为10m)。由于垂直波束宽度较大(20◦或更大)，因此不会捕获任何垂直信息。电子扫描相控阵无需机械运动即可实现高的轴向和横向分辨率，但视场（FOV）有限且成本高[8]。

海事雷达的典型测量范围在0.3至5公里之间。短程(几米到150米)雷达的设计采用了脉冲压缩技术，以提高传统雷达的轴向分辨率，同时保持恒定的发射能级。这些短程雷达已用于77 GHz W波段或24 GHz E波段的汽车自动巡航控制[9]-[11]；然而，尽管提高了轴向分辨率，但横向分辨率很差，而且水平辐射方向图(小于15◦)太窄，不适合海上应用。

图1.导航辅助设备有用的两种常见情况。(A)进入港口和停泊码头。(B)通过狭窄桥柱的河流航行[19]。

为了减少事故和精确操纵，需要一种雷达式探测仪，它能够工作在近距离(0-500m)，具有良好的轴向和横向分辨率，对杂波具有很强的鲁棒性，并且具有宽而自适应的视场。现有的雷达技术不能用于近距离避障和精确操纵，因为它不能满足上述要求[12]。

光探测和测距(激光雷达)是一种类似于雷达技术的测距技术，它使用光代替无线电[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)，在军事上使用激光雷达这一术语具有误导性。由于激光的光束发散与发射机的波长/光束直径之比成正比，激光雷达的准直度比射频雷达(典型的激光发散约为1mrad)要高得多；此外，激光的发射轮廓通常是高斯的，没有旁瓣；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(即使是尺寸减小的物体)进行成像(镜面或黑色物体除外)，其中许多物体在雷达频率下是不可见的。

当前激光雷达技术的一个缺点是完成图像所需的时间；在实时操作中，必须在更新速率和分辨率(每帧的行扫描次数)之间建立折衷。下一代激光雷达将通过使用无扫描焦平面阵列(FPA)来缩短采集时间[14]。与射频相比，激光辐射被气溶胶和云粒散射，限制了其工作范围。但使用已经开发了信号处理技术来检测需要注意的对象，即使在能见度较差的情况下也能正常工作[15]。

激光雷达的经典应用包括探测大气中颗粒物和污染物的存在，卫星测距，高密度条件下的交通速度执法，或使用激光雷达成像识别坦克。Ladars的新应用包括提高道路运输安全的研究项目[16]和自动引导的地面车辆[17]；其中一个臭名昭著的例子是国防高级研究计划局大挑战大赛[18]。

本文介绍了一种新的短程激光雷达跟踪系统的开发和测试，该系统旨在有效和安全地在河流、运河和海洋中航行。本文将讨论激光扫描系统的设计以及图像采集、模式识别和障碍物跟踪的任务。此外，还将给出样机在公海和内河航道上的试验结果。

二、目标和系统要求

目标中的激光雷达系统的目标是作为助航仪器，以便更有效地进行水上运输和避免事故(通过触发警报，甚至在船长控制下自动启动)。它必须能在短距离(0-500m)内操作，具有足够高的横向和轴向分辨率，以及普通近程操纵所需的宽阔且为动态的视场。它还应该一天24小时运行，即使在恶劣的天气条件下(雾或雨)也是如此。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I给出了精确测距导航传感器应满足的定量要求，以应对公海和内陆航行中的常见操作。这些要求包括最大范围、视场和距离精度。此表基于德国船舶技术和运输系统开发中心(DST)[19]所做的研究，并作为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，覆盖所有内河航行作业和码头附近的海上作业。对于这些操作，0.1米的测距精度就足够了。激光雷达应该有一个全景水平视场(覆盖船前方至少180◦)和一个90◦的垂直视图(在地平线上方5◦和向下85◦之间)。并且，该FOV应在操作期间可配置，以优化表I中列出的每种船舶操作模式的捕获时间。

根据DST[19]，表I中的大多数动作所需的更新频率为1 Hz。这一估计考虑了船长的反应时间、船舶动力学以及与障碍物的接近程度。然而，其他关键的短程操作，如靠泊/离开码头、锁定或与其他船只耦合，需要高达10 Hz的更新频率，特别是在必须实施自动操纵的情况下。

处理原始的激光雷达数据将以识别障碍物或需要注意的物体(如码头的墙壁、其他船只等)。应使用基于卡尔曼滤波[20]、[21]的多目标跟踪(MTT)技术来跟踪这些对象，以连续更新它们的姿势和航向信息，这些信息可用于在字母数字和图形显示上提供定量和符号表示。

表I 各种船舶操纵的传感器要求(基于[19])

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)激光成像系统(包括激光测距仪和扫描仪)和2)具有人机界面(MMI)的目标跟踪处理单元(见图2)。国家海洋电子协会(NMEA)多路复用器用于与处理单元通信外部设备。

A.测距模块

测距模块是激光雷达系统的核心部件。它由纳米激光器提供的半导体泵浦Nd：YAG红外激光发射器组成，波长lambda;=1.064mu;m，脉宽为1.5 ns，脉冲重复率为15 kHz，脉宽为1.5 ns。激光束轮廓对应于基本横模(高斯)，从发射器出射时经准直透镜扩展后，具有14.5 mm的腰半径和1.5mrad的光束发散角(100m范围内的典型光斑尺寸为0.3m)。虽然激光器的峰值功率很高(Pt=1 kW)，但短脉冲长度导致的平均发射功率仅为22.5 mW，处于规定的可接受发射限值内[15]。测距模块的设计符合I级人眼安全规定，对位于扫描区域的人不会造成任何问题。

当在射线的路径上发现障碍物时，部分发射的能量被反射回本船，并被放置在激光源附近的光电探测器接收。为此，使用了EGamp;G公司的InGaAs雪崩光电二极管(APD)，功率检测阈值为53nW。在APD之前放置干涉滤光片(IF)，在中心激光波长(1064 Nm)附近开一个2 nm的带通窗口，将太阳辐射减少到11.7nW，从而提高了过程的信噪比。

由距离发射器R处的障碍物返回的光功率Pr由所谓的激光雷达方程[13]给出，该方程由下式描述：

其中Pt是激光输出功率，To是发射和接收光学器件的透射系数，rho;是目标表面的反射率，Ar是接收器光学器件的面积，并且假定朗伯反射率，以便接收功率不依赖于反射器的相对方向。激光信号在大气中传播(穿越长度2R)引起的功率衰减由Beer-Lambert定律[22]、[23][参见(1)中的指数项]模拟。衰减系数sigma;的值取决于大气条件和引起散射的物理机制。MIE散射在雾霾和雾的情况下占主导地位，在这些情况下，颗粒尺寸(0.01-20mu;m)与激光的波长相当，而对于较大的颗粒(雨、雪或冰雹)，则发生与波长大致无关的几何散射。衰减系数sigma;的典型值如下：晴朗空气为0.1dB/km，雾气为1，雾为10[24]，分别为0.43dB/km，4.3dB/km和43dB/km。

图2。近程激光雷达系统框图。(a)激光雷达成像系统，包括主要光学部件、电子互连和机械部件的物理布局。(b)用于检测、跟踪和用户界面的中央处理单元。()与一些需要的外部船舶设备连接(可提供可选输出以传播激光雷达信息)。

考虑(1)对于反射率rho;=0.3时，传感器面积Ar为13c㎡，光透射系数To为0.49时，在晴朗条件下(能见度为15 km)理论上可获得1000m的最大探测距离。在有烟霞的日子(能见度为2公里)，能见度将降至600m；有雾时(能见度为300m)，能见度将降至300m。然而，这些都是基于(1)的理论预测。我们的激光测距模块在晴朗的条件下进行的一些基本测距测试显示，最大可实现的测量距离约为500m(使用几个自然场景中存在的典型物体)。因此，经验最大射程是理论计算预期距离(500m而不是1000m)的一半。理论和实验结果之间的距离差异可以归因于这样一个事实，即激光雷达方程考虑了完美的朗伯表面；然而，在实际情况中，表面并不是完全扩散的，并且具有镜面反射行为，从而导致反射回激光接收器的能量较少。

我们还使用人造目标(半径为0.75m的圆形面板，反射比rho;=0.3)测试了在清晰能见度条件下的测距精度。捕获几个距离(100、300和500米)的长距离读数序列，对应最大距离(500米)的最坏情况的精度为0.11米，具有95%的置信度(即，只有5%的测量大于0.11米)。

当雾足够浓密时，可能会出现另一个问题，即浓雾导致激光反射，这可能会被误解为障碍物。然而，定时信号处理单元能够识别若干回波，例如来自雾的长而分散的脉冲以及来自目标本身的反射。它允许消除第一个来自浓雾的回波，只考虑来自时间压缩程度更高(锐利)的物体的回波。利用测距模块在雾条件下(能见度300米)进行的一些测距测试表明，在自然情况下，最大可实现的测量距离约为250米。在这种情况下，雾条件下的经验最大测距距离(300m)与实际试验中得到的最大测距距离(250m)非常相似。表II总结了激光雷达系统的最大测距能力，这是通过在晴朗和有雾的条件下进行实验获得的。

B.扫描仪

扫描仪的功能是使激光束偏转，形成描述船前场景的图像。有几种方法可以达到这个目的[25]。如声光效应和电光效应分别通过施加声场和电场来改变某些材料的折射率，已经被用来控制光的偏转，但目前技术可用的最大角度(低于3◦)对于我们的目的来说是非常有限的。

反射式扫描是通过机械改变镜子的方向来实现的。压电马达限制最大偏移角(低于2◦)。然而，电流计电机具有非常高的定位精度(约10mu;rad)、高速(＞500line/s)和宽偏移角度(60◦)，这是通过移动两个低惯性镜来扫描场景的实用解决方案[26]。但这些用于实时操作的扫描仪得在图像的点密度和完成全景扫描所花费的时间之间取得折衷；例如，获取高密度图像(600，600像素)可能需要超过10秒。

但我们的系统要求完整图像帧的最大采集

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