从雷达回波到安全决策：用于海上自主航行的雷达处理
由于船上没有具备全方位态势感知能力的人员，自主和遥控船舶的传感器系统对于航行安全和任务效率至关重要。虽然船载摄像头套件备受关注，但雷达及其相关处理设备也是传感器系统的重要组成部分。
开发人员在为自主船舶选择雷达时，通常会关注探测距离、分辨率、天线尺寸和技术等因素。这些选择固然重要，但它们并不能决定自主系统或远程操作员最终接收到的信息。雷达信息的质量才是决定性因素。
自主控制系统需要机器可读信息；远程操作员需要尽可能清晰地了解海事状况，以辅助决策并减轻认知负荷。在这两种情况下，一套传感器，以及经过处理和融合后形成可用信息的传感器组合，都是理想之选。
为什么雷达仍然重要
自主航行船舶可能搭载摄像头、自动识别系统（AIS）接收器、全球导航卫星系统（GNSS）接收器、激光雷达、声呐和其他传感器。摄像头可以帮助识别目标，而AIS可以提供发射船舶的声明身份、位置、航向和速度。然而，单独使用任何一种设备都无法提供完整的信息。
摄像头会受到黑暗、眩光、雾、雨和水雾的影响。大多数摄像头只能提供接触方位，或者最多只能粗略估计距离。小型固定目标不太可能配备AIS应答器，即使配备了AIS，其功能也可能被关闭或配置错误。然而，雷达可以在能见度较差的情况下远距离工作，并为小型和不配合的目标提供精确的位置信息。
雷达并非万无一失。其性能受安装方式、海况、天气、目标大小和反射率以及处理器设置等因素的影响。雷达应与其他传感器互补而非取代它们，但它仍然是自主系统不容忽视的重要独立信息来源。
从回声到探测
雷达会输出视频信号，可以是模拟信号，也可以是数字信号（后者应用越来越广泛）。在雷达术语中，“视频”指的是雷达返回的反射强度流，而不是类似摄像机拍摄的图像。它是极地空间中不断变化的反射场。
雷达视频图像可能杂乱复杂。一艘钢制船舶会产生强烈的雷达回波，但港口堤坝或桥梁也会产生强烈的回波。一艘小型充气艇可能只会产生微弱的雷达回波，而且这种回波还可能被海浪产生的杂波所掩盖。降雨会产生不必要的回波，陆地和港口建筑物也会产生持续的反射。因此，有效的图像处理至关重要。
雷达处理软件首先通过硬件接口或数字网络流获取雷达视频数据。然后，它应用滤波和检测技术来找到从背景中脱颖而出的回波。
这比简单地设定一个阈值，将高于该阈值的雷达视频回波判定为目标要复杂得多。背景因素会随着距离、平台运动、天气和海况而变化。适用于平静水域的设置可能会在暴雨中产生大量误报；而抑制误报的设置则可能掩盖真正的目标。
自适应处理能够响应局部环境条件。动态阈值可根据噪声水平的变化进行调整，而地理掩膜则可减少对已知陆地或建筑物的处理。在软件允许的情况下，可以在不同区域应用不同的雷达处理设置，从而提高特定航道或船舶正前方区域的灵敏度。其目标是在保证有效探测的同时，避免过多的误报。
检测、跟踪和障碍物报告
一旦识别出显著回波，相邻的显著回波就可以组合成一个图（检测图）。图指的是一次雷达扫描中，在特定位置发现感兴趣的目标。
跟踪功能可以添加历史记录和轨迹信息。跟踪软件会比较连续扫描的图像，并判断哪些图像可能属于同一目标。基于这些关联的观测数据，它可以估算目标的航向、速度和可能的未来位置。置信度测试有助于防止无关的检测结果被错误地识别为跟踪目标。
对于小型目标，随着探测强度和可靠性的降低，跟踪可能会变得困难。这时，视频跟踪就能派上用场；通过雷达视频直接跟踪，可以更长时间地保持通过传统探测和跟踪方法获取的目标轨迹。
对于自主导航而言，并非总是需要等待完全建立航迹。诸如漂浮集装箱或小型系泊浮标等物体的短距离或间歇性探测可能会产生危险，需要在生成航迹之前进行报告。雷达处理器提供的近距离探测数据会报告船舶周围特定区域内符合预设条件的最近回波。
雷达每次扫描都会在转向时以极低的延迟报告近距离探测结果。安全区域会根据速度、机动性和环境而变化。速度越高，前沿区域的范围可能越大；而港口机动时，则可能需要更小的区域。
十多年来，Cambridge Pixel 一直为无人水面艇 (USV) 和自主水面艇 (ASV) 开发商提供技术组件，其中包括 SPx Server V2 软件。该软件集成了雷达视频处理、近距离检测和跟踪功能，可用于防撞和自主导航。其检测服务器配置提供目标提取和近距离检测功能，而跟踪服务器则增加了多假设目标跟踪功能。障碍物和目标数据可以采用 ASTERIX、NMEA-0183、TAK 和 SAPIENT 等格式提供给外部自主系统或船舶控制系统。
结合传感器
雷达航迹可以显示某个物体正在接近或保持稳定航向，但无法识别其具体身份。AIS 可以提供可与航迹关联的身份数据，而摄像头则可以提供目视确认。传感器融合技术将这些观测结果结合起来，形成更完整的图像。
成功的融合取决于一致的时间和坐标系统，以及对每个数据源精度的理解，尤其是在位置方面。定义不确定性范围的边界框至关重要，其目的是在最大程度上提高接触关联性的同时，最大限度地减少错误匹配。稳健的融合能够将多个传感器的信息转化为连贯的导航图像。
关联航迹报告将支持该报告的各个传感器观测数据关联起来，使接收系统能够从任何输入中选择信息。例如，速度和航向可以从雷达航迹中获取，目标分类和增强方位测量可以从视频航迹中获取，货物信息可以从AIS中获取。
Cambridge Pixel 的 SPx Fusion Server 将来自多个雷达源和 AIS 的航迹报告整合为单一的融合航迹。图片来源：Cambridge Pixel
在没有GPS的情况下，位置完整性仍然可靠
自主船舶通常依赖于GNSS/GPS。信号丢失是一个问题，干扰会妨碍可靠接收，而欺骗则会导致接收器报告一个看似合理但却错误的位置。
在沿海地区，雷达可以对GNSS定位结果进行独立交叉验证。Cambridge Pixel的GPS Assist软件将实时雷达数据与根据地形和海岸线信息生成的预测雷达图像进行比较。通过找到与两幅图像最匹配的对齐方式，它可以独立于传入的GNSS数据估算船舶位置。
如果位置差异很大，GPS Assist 可以发出警报，并生成备用 NMEA-0183 流以提供备份位置信息。
安全有效的海上自主航行并非仅靠单一传感器或算法就能实现，而是需要能够提供独立、及时且易于理解的信息的系统。雷达在其中扮演着至关重要的角色，但仅凭原始回波数据是不够的。只有经过严谨的处理，雷达才能提供自主航行系统所依赖的探测、跟踪和障碍物预警信息。
