一种盗采海砂的近岸监管系统及其信息融合方法

技术领域

本发明属于近岸监管技术领域，具体涉及一种盗采海砂的近岸监管系统。

背景技术

随着全球海洋资源环境问题的不断加剧，海洋资源的保护和监管变得愈发重要。特别是在近岸海域，非法活动如盗采海砂等违法行为对海洋生态和可持续发展造成了威胁。尽管现有的技术在海洋资源监管方面已取得一定进展，但仍然存在一些不足之处。

数据源单一性：许多现有的海洋监管系统过于依赖单一数据源，如仅使用AIS数据或雷达数据进行监测。这种单一性导致了数据的不完整性和准确性问题，使系统难以全面了解海域内船舶的活动，容易忽略潜在的非法行为。

数据分析局限性：一些监管系统在数据采集方面取得了进展，但在数据分析方面仍存在局限性。现有系统往往仅简单地展示数据，缺乏对不同数据源之间的关联分析，导致监管人员很难从海量数据中提取有用信息。

时间与空间不同步：不同数据源的时间戳和坐标体系可能不同步，使得数据整合变得困难。这可能导致监管系统误判或错失时机，无法实时准确地捕捉船舶活动的变化。信息融合不足：大多数现有系统缺乏综合数据源的能力，导致无法充分挖掘不同数据源之间的信息，限制了系统对于船舶活动的全面理解。缺乏多参数的信息融合也影响了监管的准确性

实时性不足：一些现有系统在数据传输和处理方面存在一定的延迟，导致监管人员无法实时获得船舶活动的最新信息，从而降低了及时发现和应对非法行为的能力。

预警机制不完善：尽管一些系统能够提供预警功能，但它们往往基于单一数据源，难以全面评估风险。现有预警机制可能存在误报或漏报的问题，影响了监管响应的准确性。

数据处理复杂性：现有系统在数据处理方面可能过于复杂，需要高度专业的操作和技能。这限制了普通监管人员的使用和适应，降低了系统的实际应用价值。

缺乏综合支持：一些现有系统关注于特定环节，如数据采集或分析，而缺乏整体性的支持，这使得系统难以在全方位、多层次上支持海洋资源保护和监管，这些不足限制了其在有效应对盗采海砂等问题上的效果。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种盗采海砂的近岸监管系统，用以解决现有技术等难以在全方位、多层次上支持海洋资源保护和监管问题，本发明还提供了该系统的融合信息的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种盗采海砂的近岸监管系统，包括岸基雷达站、AIS以及终端监控系统，所述岸基雷达站包括雷达设备、雷达处理主机、光电摄像设备、AIS接收天线等组成，其中，雷达设备、光电摄像设备、AIS天线架设于室外，雷达数据处理机和安放在室内，所述AIS接收天线包括天线和馈线以及两组接收机，所述岸基雷达站与AIS将未知船舶数据传输至终端监控系统，所述终端监控系统通过信息融合方法在海图上叠加显示雷达目标、AIS目标、目标矢量速度、雷达回波视频。

进一步的，所述雷达设备为导航雷达，采用智能海杂波统计与抑制方法，可适用于不同海况、船型、安装高度等，方便调试和使用，包括独立的雷达海图，可作为备份的电子海图与显示系统使用。

进一步的，所述AIS安装在陆上或船上。

进一步的，船舶数据包括目标位置、航速、航向、大小和航迹。

进一步的，所述雷达设备通过雷达回波获取目标位置信息，目标位置信息通过模/数转换为目标中心点位置数据，目标中心点位置数据为相对的位置信息，导航雷达所发射的电磁波在空间是直线传播，遇到目标时会反射回来。

进一步的，目标中心点位置数据采用雷达到目标的距离RT和雷达到目标连线与水平线之间的夹角θt来表示，雷达到目标的距离RT通过将雷达测量的发射脉冲与回波脉冲之间的时间差tr代入以下公式可得，公式为：

式中：R

雷达数据处理输出的目标航速与航向不是由配套的传感器确定的，而是通过雷达目标自动跟踪处理中的航迹外推、航迹相关等形成的目标航迹线计算出来的，由于与目标的历史位置数据有关，所以存在一定的“滞后”，但由于船速比较慢，所以这种滞后对船舶航速的确定精度影响不会很大，雷达数据处理输出的目标长度是通过对目标标绘计算得出。在岸基雷达站中，会给出估算的目标长度，同时还会给出该目标估算的最小长度和最大长度，由于根据雷达探测的长度数据误差比较大，因为在进行融合时不做目标长度判断。

进一步的，所述AIS接收天线通过配套安装的电罗经和计程仪来辅助确定目标信息，船舶尺寸(船长、船宽)和GPS天线相对于船舶的位置等信息都是通过人工置入的船舶实际数据。

一种盗采海砂的近岸监管系统信息融合方法，所述信息融合方法包括以下步骤：

S1，将雷达和AIS所输出的位置信息变换至统一坐标系；

S2，将雷达和AIS二者获取的同一目标的动态信息时间进行统一；

S3，通过目标位置相关性、目标运动特性相关性、目标历史轨迹相关性进行信息融合，任何一个参数不相关，目标既不会进行融合；

S4，将航迹关联的两者平均位置和平均运动参数作为融合后的目标参数。

进一步的，所雷达获取的位置信息是基于雷达站心坐标系统，AIS获取的位置信息基于统一坐标，通过将雷达站心坐标转换为统一坐标。

对于近海区域，由于海洋经济活动的需求，因而船舶的密度比较大。为了减少融合的工作量和提高效率，可先对探测范围内的区域进行分块处理，因为特定的船舶信息只能与它周围一定范围内的船舶信息有关联，所以没有必要将整个水域的船舶信息进行关联处理，这就需要进行距离粗关联判断。在一些情况下，在短时间内，虽然两个目标的距离在给定的阈值范围内，但两者的速度不同，应该确定为两个独立的目标。为此，提出的岸基雷达站目标融合算法是基于以下方面的参数：(1)目标位置相关性；(2)目标运动特性相关性；(3)目标历史轨迹相关性。如果以上参数中的任何一个不相关，目标不会进行融合。

进一步的，统一坐标为WGS84坐标。

进一步的，S2中时间统一方法为，设雷达所探测时间为t，AIS采用间隔为T，AIS在第nT和第(n+1)T时刻有与雷达对应时间段的探测值，且nT

X

将AIS的数据外推到雷达的探测时刻t上，完成了时间上的匹配。由于船舶的机动比较平缓，采用两点外推能够满足精度要求。岸基雷达站主要观测近海25kn的海上目标，在这个海域内船舶的速度一般都在0～14kn之间。

进一步的，S3中目标位置相关性判断为：在某一时刻t，AIS探测的目标和雷达探测的目标的位置欧氏距离用η1(t)表示，则：

两者位置的最小纬度偏差为0.0001，最小精度偏差值0.0001，阈值limit-1设定为15m，当η1(t)<＝limit-1时，则转入下一步进行航速判断，否则，则认为是两个不同的目标，不进行信息融合。

进一步的，S3中目标运动特性相关性为进行速度的判断，AIS探测的目标航速用Vi表示，雷达探测的目标航速用Vj表示，航速的欧氏距离η2(t)用下式求出：

η

设定阈值limit-2＝0.2kn，当η2(t)<＝limit-2时，则转入下一步进行目标大小的判断；否则，则认为是两个不同的目标，不进行信息融合。

进一步的，S3中目标历史轨迹相关性为航迹关联的判断，判断AIS和雷达分别探测的两条航迹是否来自同一个目标，表达式为：

ηk(t)和σk(t)分别为模糊因素集中的第k个因素的欧氏距离和展度，模糊因素集选取船位和航速，模糊因子的展度与航迹的误差分布有关，取各因素欧氏距离的均方根值来作为每个模糊因素的展度，表达式为：

利用加权的方法计算综合相似度γij，对来自AIS探测的目标的m条航迹和来自雷达探测的目标的n条航迹，γij的计算公式如下：

结合上述描述的盗采海砂的近岸监管系统结构以及信息融合方法，可以获得以下优点：

综合数据源：该系统结合了岸基雷达站、AIS和终端监控系统等多个数据源，信息融合方法能够在统一坐标系和时间基准下处理这些数据，从而获得更全面、准确的海域态势。这有助于更好地了解船舶活动，包括盗采海砂等非法行为。

实时监控和预警：系统的实时数据传输和融合能力使监管人员能够及时掌握海域内的船舶动态，这有助于发现异常活动并提前发出预警，为执法部门提供更多时间来干预和制止违法行为。

准确的目标信息：结合信息融合方法，系统能够更准确地确定船舶的位置、速度、轨迹等参数，通过将雷达和AIS的数据进行坐标、时间和参数的统一处理，提高了目标信息的准确性和可靠性。

多参数综合分析：融合的信息不仅包括船舶的位置和速度，还包括目标历史轨迹、运动特性等多个方面的信息，这种综合分析有助于监管人员更全面地了解目标船舶的情况，减少误判，更好地判断是否存在违法活动。

优化决策支持：通过在海图上叠加显示雷达目标、AIS目标、目标矢量速度和雷达回波视频等信息，终端监控系统能够为监管人员提供更直观的态势图。这有助于监管人员做出更准确、基于数据的决策。

系统完整性：该系统从数据采集、融合到信息展示，形成了一个完整的监管生态系统。不仅能够在实时监控方面发挥作用，还能够提供历史数据的分析和查询，支持更长期、更全面的监管任务。

远程操作能力：结合终端监控系统，监管人员不必亲临现场也能够进行监管操作。这在海域广阔或环境复杂的情况下特别有价值，同时提高了监管人员的安全性。

提高监管效率：信息融合方法使系统能够自动处理和分析数据，减少了人为操作的需求。这可以提高监管效率，同时降低了人为操作错误的风险。

综合上述优点，该盗采海砂的近岸监管系统结合了多源数据、多参数信息融合和综合分析等功能，从而在监管海域安全和资源保护方面具备更高的效能和准确性。

附图说明

图1为本发明一种盗采海砂的近岸监管系统实施例的立体结构示意图；

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：

需要说明，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例

如图1所示，一种盗采海砂的近岸监管系统，包括岸基雷达站、AIS以及终端监控系统，所述岸基雷达站包括雷达设备、雷达处理主机、光电摄像设备、AIS接收天线等组成，其中，雷达设备、光电摄像设备、AIS天线架设于室外，雷达数据处理机和安放在室内，所述AIS接收天线包括天线和馈线以及两组接收机，所述岸基雷达站与AIS将未知船舶数据传输至终端监控系统，所述终端监控系统通过信息融合方法在海图上叠加显示雷达目标、AIS目标、目标矢量速度、雷达回波视频。

进一步的，所述雷达设备为导航雷达，采用智能海杂波统计与抑制方法，可适用于不同海况、船型、安装高度等，方便调试和使用，包括独立的雷达海图，可作为备份的电子海图与显示系统使用。

进一步的，所述AIS安装在陆上或船上。

进一步的，船舶数据包括目标位置、航速、航向、大小和航迹。

进一步的，所述雷达设备通过雷达回波获取目标位置信息，目标位置信息通过模/数转换为目标中心点位置数据，目标中心点位置数据为相对的位置信息，导航雷达所发射的电磁波在空间是直线传播，遇到目标时会反射回来。

进一步的，目标中心点位置数据采用雷达到目标的距离RT和雷达到目标连线与水平线之间的夹角θt来表示，雷达到目标的距离RT通过将雷达测量的发射脉冲与回波脉冲之间的时间差tr代入以下公式可得，公式为：

式中：R

雷达数据处理输出的目标航速与航向不是由配套的传感器确定的，而是通过雷达目标自动跟踪处理中的航迹外推、航迹相关等形成的目标航迹线计算出来的，由于与目标的历史位置数据有关，所以存在一定的“滞后”，但由于船速比较慢，所以这种滞后对船舶航速的确定精度影响不会很大，雷达数据处理输出的目标长度是通过对目标标绘计算得出。在岸基雷达站中，会给出估算的目标长度，同时还会给出该目标估算的最小长度和最大长度，由于根据雷达探测的长度数据误差比较大，因为在进行融合时不做目标长度判断。

进一步的，所述AIS接收天线通过配套安装的电罗经和计程仪来辅助确定目标信息，船舶尺寸(船长、船宽)和GPS天线相对于船舶的位置等信息都是通过人工置入的船舶实际数据。

系统整合了岸基雷达站、AIS和终端监控系统等多种数据源，通过信息融合方法将不同数据源的信息进行整合，从而为监管人员提供更全面、准确的海域态势。这有助于提高监管效果，减少漏报和误报，岸基雷达站、AIS和终端监控系统之间的数据传输是实时的，使监管人员能够及时获得海域内船舶的位置、速度、航向等信息。这使得系统能够快速响应潜在的非法盗采活动，有助于防止盗采海砂等违法行为，由于岸基雷达站和AIS系统能够在不同天气和光照条件下工作，系统可以实现全天候的监测。无论是白天还是夜晚、晴天还是雨天，监管人员都能够获取必要的数据，确保海域的安全，综合利用雷达设备、AIS数据和光电摄像设备，系统能够对船舶位置进行精确定位，包括在海图上叠加显示船舶的目标矢量速度。这有助于监管人员更好地了解船舶的活动和轨迹，从而判断是否存在非法盗采等活动，系统不仅提供单一的数据源，还能够通过终端监控系统进行综合分析。监管人员可以同时查看雷达目标、AIS目标、目标矢量速度和雷达回波视频等信息，从而更全面地评估海域内的情况，并做出相应的决策，通过自动化的数据收集和处理，系统减少了人为的监管错误的可能性。监管人员可以更加依赖系统提供的准确数据，从而降低因人为疏忽而导致的监管漏洞，由于系统中的各个组件可以实现数据远程传输和监控，监管人员不必亲临现场就能掌握海域情况，这提高了监管的灵活性和效率，结合雷达数据和AIS信息，系统可以发现异常的船舶活动并发出预警信号。这有助于提前发现潜在的非法盗采等活动，为执法部门提供更多时间来采取必要的行动

一种盗采海砂的近岸监管系统信息融合方法，包括以下步骤：

S1，将雷达和AIS所输出的位置信息变换至统一坐标系；

S2，将雷达和AIS二者获取的同一目标的动态信息时间进行统一；

S3，通过目标位置相关性、目标运动特性相关性、目标历史轨迹相关性进行信息融合，任何一个参数不相关，目标既不会进行融合；

S4，将航迹关联的两者平均位置和平均运动参数作为融合后的目标参数。

进一步的，所雷达获取的位置信息是基于雷达站心坐标系统，AIS获取的位置信息基于统一坐标，通过将雷达站心坐标转换为统一坐标。

对于近海区域，由于海洋经济活动的需求，因而船舶的密度比较大。为了减少融合的工作量和提高效率，可先对探测范围内的区域进行分块处理，因为特定的船舶信息只能与它周围一定范围内的船舶信息有关联，所以没有必要将整个水域的船舶信息进行关联处理，这就需要进行距离粗关联判断。在一些情况下，在短时间内，虽然两个目标的距离在给定的阈值范围内，但两者的速度不同，应该确定为两个独立的目标。为此，提出的岸基雷达站目标融合算法是基于以下方面的参数：(1)目标位置相关性；(2)目标运动特性相关性；(3)目标历史轨迹相关性。如果以上参数中的任何一个不相关，目标不会进行融合。

进一步的，统一坐标为WGS84坐标。

进一步的，S2中时间统一方法为，设雷达所探测时间为t，AIS采用间隔为T，AIS在第nT和第(n+1)T时刻有与雷达对应时间段的探测值，且nT

X

将AIS的数据外推到雷达的探测时刻t上，完成了时间上的匹配。由于船舶的机动比较平缓，采用两点外推能够满足精度要求。岸基雷达站主要观测近海25kn的海上目标，在这个海域内船舶的速度一般都在0～14kn之间。

进一步的，S3中目标位置相关性判断为：在某一时刻t，AIS探测的目标和雷达探测的目标的位置欧氏距离用η1(t)表示，则：

两者位置的最小纬度偏差为0.0001，最小精度偏差值0.0001，阈值limit-1设定为15m，当η1(t)<＝limit-1时，则转入下一步进行航速判断，否则，则认为是两个不同的目标，不进行信息融合。

进一步的，S3中目标运动特性相关性为进行速度的判断，AIS探测的目标航速用Vi表示，雷达探测的目标航速用Vj表示，航速的欧氏距离η2(t)用下式求出：

η

设定阈值limit-2＝0.2kn，当η2(t)<＝limit-2时，则转入下一步进行目标大小的判断；否则，则认为是两个不同的目标，不进行信息融合。

进一步的，S3中目标历史轨迹相关性为航迹关联的判断，判断AIS和雷达分别探测的两条航迹是否来自同一个目标，表达式为：

ηk(t)和σk(t)分别为模糊因素集中的第k个因素的欧氏距离和展度，模糊因素集选取船位和航速，模糊因子的展度与航迹的误差分布有关，取各因素欧氏距离的均方根值来作为每个模糊因素的展度，表达式为：

利用加权的方法计算综合相似度γij，对来自AIS探测的目标的m条航迹和来自雷达探测的目标的n条航迹，γij的计算公式如下：

将雷达和AIS输出的位置信息变换至统一坐标系，消除了不同数据源之间的空间差异，确保了数据的一致性。这样做有助于更精确地对船舶位置进行分析和比较，提高了监管系统的整体准确性，将雷达和AIS获取的目标动态信息的时间进行统一，解决了不同数据源之间时间戳的不同步问题。通过时间的同步，监管系统可以更准确地捕捉船舶的位置和状态变化，从而提高了系统的实时性，通过目标位置相关性、目标运动特性相关性以及目标历史轨迹相关性进行信息融合，系统在进行数据融合时考虑了多个方面的相关性。这有助于剔除不相关或冲突的数据，只保留具有一定相关性的数据，提高了数据的质量和有效性，如果目标位置相关性、目标运动特性相关性或目标历史轨迹相关性中的任何一个参数不满足融合条件，系统将不进行融合，这种策略确保了只有具备足够相关性的目标数据才会被融合，避免了将无关数据或不准确数据纳入融合结果中的情况，将航迹关联的两者平均位置和平均运动参数作为融合后的目标参数，有效地综合了雷达和AIS的信息。这种平均化的方式能够平衡两种数据源的影响，从而更准确地反映目标的实际情况，通过综合多个参数的信息融合，系统可以更综合、全面地评估目标船舶的情况，这种综合分析有助于减少误判，提高了监管系统对于盗采海砂等违法行为的识别能力，通过统一坐标系、统一时间和多参数融合，系统能够更准确地确定船舶的位置、速度和轨迹等关键信息。这提高了监管系统的准确性，有助于更有效地捕捉异常行为，综上所述，这种信息融合方法通过多个步骤的处理和分析，能够充分利用雷达和AIS等数据源的信息，提高了监管系统的综合能力，从而更好地应对盗采海砂等问题。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。