無人傳感技術在海洋態勢感知的應用研究

徐云云，李迎霞，郝自勉，錢雪微

湖北城市建設職業技術學院，湖北武漢 430205

0 引言

縱觀人類歷史的歷程，海洋對于人類生存和發展具有重要意義，海洋的發展對社會的興衰有重要影響，海洋的和平安寧關乎國家的安危和利益。我國既是一個陸地大國，又是一個海洋大國，有18 000多公里海岸線，6 500 多個沿海島嶼，近300 萬平方公里的海洋面積，擁有廣闊的海洋活動空間和豐富的海洋資源，將海洋優勢轉化為發展優勢的潛力巨大。黨的十八大提出“海洋強國”戰略，黨的十九大報告強調，“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國”，黨的二十大報告指出，“加快建設海洋強國”[1]。

海洋態勢感知（Maritime Domain Awareness，MDA）是海洋信息獲取的一個重要組成?！皣H海事組織”（IMO）將海洋態勢感知定義為：對任何與海域相關的、可能影響安全、經濟或環境的事務的有效理解，而海域是海、洋或其他可航行水道的任何領域和事務，無論在其上、其下、相關、毗鄰或接壤，包括所有與海事相關的活動、基礎設施、人員、船貨、船只和其他海上運輸[2]。由此可見，做好海洋態勢感知可以更好地實現“認識海洋、經略海洋、管控海洋”，從而推動海洋信息化發展。

1 態勢感知概述

態勢感知（Situation Awareness，SA）的概念最早由ENDSLEY M R[3]于1988 年定義，具體說明了態勢感知是指“在一定的時間和空間范圍內，感知各種環境要素，理解各個要素的意義，并預測它們在不久的將來的狀態和發展趨勢，以實現決策優勢”，并提出了著名的三級態勢感知模型（如圖1 所示），包括態勢覺察、態勢理解和態勢預測，可以實現信息獲取、處理、分析和預測等。態勢感知技術目前從軍事領域慢慢轉變為多領域應用，具體如表1 所示。

表1 態勢感知應用領域

2 無人傳感技術在海洋態勢感知領域的應用

海洋態勢感知的核心內容是對海上船只及其貨物、乘員及乘客的監視，并快速生成目標船只的地理位置信息[4]。海洋態勢感知的實現過程如圖2 所示，首先需要借助無人傳感技術集成的各項設備獲取海洋各項活動信息；然后借助大數據、云計算等技術進行數據的處理；再通過數據分析等技術預測海洋態勢走向；最后實現海上船只交通安全、海上戰場部署等應用目標。

不難看出，海洋態勢感知過程中，借助無人傳感設備利用傳感器技術獲取海洋各類信息是最基本的環節。下面就此類無人傳感技術進行總結。

2.1 合成孔徑雷達技術

2.1.1 技術原理

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術是利用合成孔徑原理、脈沖壓縮技術和信號處理方法、雷達波的時間差和位移差來繪制地表及地下結構的雷達圖像技術，其工作原理如圖3 所示。SAR 搭載設備首先在SAR1 的位置發射和接收一個固定射程角度和脈沖寬度的信號到搜索目標區域，當其移動到SAR2 位置再發射和接收另一個特定角度的信號，通過信號接收的延遲和位移信息中提取數據，得出最終的成像結果。

2.1.2 技術優勢和不足

SAR 可集成為無人微波成像傳感器，主要用于非接觸式主動實時的目標探測，可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像，具有全天候、全天時和高分辨率的優點[5]。

SAR 實現的微波遙感傳感器工作采用的是微波波段，波長范圍為1 mm ～1 m，能主動發射微波，并接收目標反射的回波。相比可見光和紅外遙感，其采用的波長較長，足以繞過云層的粒子結構進行傳播，因而受大氣散射的影響較小，可以穿透薄霧、云層、雨和塵埃等。因此，無論白天還是黑夜，亦或是在惡劣天氣和環境條件下，SAR 都能進行目標探測和成像。

但同時，SAR 也具有一定的缺點，比如對搭載設備的航行精度要求較高，需要投入較高的成本；對一個區域需要多時間、多位置的發射接收信號，使得其成像時間長。

2.1.3 應用現狀

SAR 多用于地形檢測等領域，其中在海洋態勢感知領域中，SAR 技術的應用最為廣泛。海洋環境復雜多變，經常被云霧覆蓋，常規光學遙感手段難以有效對其觀測，SAR 具有一定的穿透能力，能識別偽裝，對于全面觀測海洋交通、偵察海洋軍事動態等有重要的意義。

2.1.4 發展趨勢

近年來，由于超大規模數字集成電路的發展、高速數字芯片的出現，以及先進的數字信號處理算法的發展，使SAR 實時處理信號的能力不斷增強。SAR 最初主要是搭載飛機、星載平臺，隨著無人機等小型飛行設備的不斷發展，近年來出現了無人機SAR 等多種形式平臺搭載的合成孔徑雷達，廣泛用于軍事、經濟和科技等眾多領域。

2.2 高頻地波雷達技術

2.2.1 技術原理

高頻地波雷達（HF Surface Wave Radar，HFSWR）利用垂直極化高頻短波（3 ～30 MHz）在沿海洋表面繞射傳播衰減小的特點，利用地波超視距傳播特性進行探測。其應用模式如圖4 所示，設置在海岸的HFSWR 利用海洋表面對高頻短波的繞射傳播機制，從雷達回波中提取海洋環境實況、艦船、飛機等信息，實現對海洋環境和移動目標高精度、大范圍的實時監測。

2.2.2 技術優勢和不足

HFSWR 利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制，可以從雷達回波中提取海洋環境、船只航行等海況信息，能超視距探測海平面視線以下出現的艦船、飛機、冰山和導彈等運動目標，作用距離可達400 km 以上，HFSWR 具有探測面廣、反隱身、全天候、全天時的特點[6]。

但是，地波雷達的短波段也是日常通信、廣播等大氣、天電噪聲等比較集中的頻段，此類電離層干擾會影響地波雷達探測的精確度，需要不斷精進技術來抗電離層干擾。

2.2.3 應用現狀

HFSWR 作為目標探測的有效方法，是實現海洋環境檢測、船只監視等海洋態勢感知的重要手段，目前被廣泛應用于軍事領域。HFSWR 對于海洋范圍內遠距離的目標進行檢測、預警，對于軍事戰略分析和海洋戰略部署有較強的輔助功能。

2.2.4 發展趨勢

與SAR 多搭載飛行設備不同，HFSWR 多設置在海岸，通常采用大規模天線陣列，需要占用海岸資源，所以，目前HFSWR 的小型化發展是一個重點研究方向。目前，緊湊型HFSWR 已經取得了一定的成就，可以實現在巡航船艦、海島上部署，拓展了雷達探測面積和靈活性。

2.3 船舶自動識別系統

2.3.1 技術原理

船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）是指一種廣泛應用于船和岸、船和船之間的海事交通安全與通信的新型助航系統。AIS 系統主要由GPS 或北斗、VHF 收發機、AIS 信息處理器等各類傳感器組成。其工作過程是首先由GPS、北斗等定位系統提供船舶定位功能，獲取船舶的經緯度；再由船載傳感器，如陀螺儀等獲取船舶航行動態數據，同時，根據船舶全球的唯一編碼—MMSI 碼獲取船名等靜態數據；然后，將船舶的動態數據和靜態數據經由VHF收發機向AIS 信息處理器傳遞；最終各項數據由電子海圖和信息系統（ECDIS）顯示。

2.3.2 技術優勢和不足

AIS 能自動上報和交換航速、船名、航向、呼號等重要信息，從而實現即使不使用雷達探測也能獲得船舶信息，特別是在能見度低、夜間航行的水域，可以有效減少船舶碰撞事故。但是，由于存在船只責任人不遵守法規隨意拆卸、開關AIS 的情況，導致設備不能持續發揮作用。

2.3.3 應用現狀

目前，世界范圍內均出臺法律法規要求船只配備AIS，其中，《中華人民共和國海事局關于印發國內航行船舶船載電子海圖系統和自動識別系統設備管理規定》規定：300 總噸至500 總噸沿海航行船舶、參與沿海水上水下施工作業的自航船舶應配備AIS。200 總噸至300 總噸沿海航行船舶；所有港作拖船；航行于內河長江干線、珠江干線、京杭運河及黃浦江的100總噸及以上的所有船舶，以及100 總噸以下的液貨船和集裝箱船應配備AIS 設備[7]。目前，AIS 已成為水務監管、水上事故調查、通航評估的主要技術手段，已經在水上船舶導航、交通管理等方面有較為廣泛的應用，可為海洋態勢感知提供穩健的技術支持。

2.3.4 發展趨勢

AIS 不是單一的技術，而是融合了現代通信、計算機、傳感器等技術的數字助航系統，為智能船舶的發展提供了強力支持。目前，AIS 的基本普及已經完成，可以實現船和岸、船和船之間互聯互通、系統整合。下一步的發展目標是遠程控制和自主操作，對船舶執行系統的可靠性和穩定性都有很高的要求。

3 總結與展望

隨著國際交流日漸頻繁，國際化貿易的飛速發展，海上船只數量極速增長，海上交通情況不斷復雜化，這對海洋態勢感知提出了更高的挑戰。無人傳感技術在充分考慮海洋環境特點的基礎上，集成各種傳感器，為海洋態勢感知提供各項數據基礎。未來，無人傳感技術與計算機技術融合發展是一個大的趨勢。無人傳感技術不僅靈敏度、精確性不斷提高，還向著微型化、泛用型、集成化發展，伴隨著現代通信技術快速更迭，計算機應用系統和大數據處理技術等飛速提高，可以不斷提高海洋檢測能力，為海洋監管人員提供精確高效的海洋數據，從而不斷提高海洋態勢感知的準確度和智能化。