一种用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法

本发明属于海事雷达及导航与定位，具体涉及一种用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法。

背景技术：

1、随着现代海事交通系统的快速发展，雷达技术在船舶导航、航行安全和防碰撞系统中的应用变得日益重要。脉冲压缩雷达（简称脉压雷达）和电子扫描阵列雷达（简称电扫雷达）作为海事雷达系统的关键组成部分，分别在目标探测、定位和跟踪等方面起着至关重要的作用。然而由于脉压雷达和电扫雷达的工作原理不同，它们生成的输出数据形式和坐标系统也存在显著差异，这种差异给多雷达数据的融合和统一标定带来了极大的挑战。而在动态海事环境中尤其是船舶航行时，高精度的雷达数据融合是保证安全导航和防碰撞的重要手段。

2、目前的标定技术大多针对陆地环境设计，如激光雷达和相机的联合标定。这些方法主要用于自动驾驶等应用场景，依赖于路面传感器与gps等定位系统的融合，较为成熟。尽管这些技术在陆上交通领域取得了显著成果，但将其直接应用于海事环境中，仍面临诸多挑战。

3、目前尚未有专门针对海事应用的高效标定方法，因此，如何将海事雷达系统中脉压雷达和电扫雷达等海上传感器数据准确地转换到统一的gps坐标系仍是技术难点。此外，由于不同类型的雷达系统在工作原理和输出数据格式上存在差异，直接将它们的坐标数据转换到统一的gps坐标系，会涉及复杂的数学变换，而现有的方法计算效率低，无法满足实时应用的需求，尤其在船舶高速运动的情况下。另外在海上动态环境下，目标船舶的航速、航向频繁变化，这对多雷达数据的融合提出了更高的精度要求。然而现有的标定方法在高动态环境中的精度较低，导致雷达数据融合效果不理想，从而影响船舶导航和定位的整体精度。

4、海事环境下，雷达的探测距离和精度要求较高，且目标的运动特性更加复杂。而目前，在海上环境下，缺乏适用于海上传感器（如脉压雷达和电扫雷达）的专门标定方法。因此，如何能够在海事领域，实现脉压雷达和电扫雷达数据与gps系统的有效标定与融合，进而在全局坐标系下实现统一的船舶目标定位，成为当前亟需解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对海事环境下多种海事雷达数据之间融合困难的问题，本发明提出了一种用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，能够精确地将脉压雷达和电扫雷达的坐标数据转换到全球定位系统gps坐标系下，从而利于实现不同类型雷达数据的统一处理和融合。

2、本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

3、一种用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，包括如下步骤：

4、步骤1. 从脉压雷达、电扫雷达和全球定位系统gps中获取目标船舶的相关数据信息；

5、步骤2. 对脉压雷达、电扫雷达和全球定位系统gps采集的相关数据信息中分别进行关键字段提取、格式转换、筛选和清洗、线性插值处理以及时间对齐预处理操作；

6、从脉压雷达和电扫雷达提取的关键字段包括航迹id、经度、纬度、时间戳、对地航速和对地航向信息；从gps提取的关键字段包括船舶的经度、纬度和时间戳数据；

7、步骤3. 利用时间戳和航迹id进行匹配，以确保不同数据源的轨迹能够正确对齐，保证来自脉压雷达、电扫雷达和gps的数据准确指向同一艘船舶的轨迹；

8、步骤4. 分别计算用于将脉压雷达和电扫雷达的数据转换至gps坐标系的最佳转换矩阵；

9、步骤5. 在得到脉压雷达、电扫雷达分别向gps坐标系转换的最佳转换矩阵后，使用两个最佳转换矩阵分别将对应雷达的原始经纬度数据转换到统一的gps坐标系下。

10、本发明具有如下优点：

11、如上所述，本发明述及了一种用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，该方法结合脉压雷达与电扫雷达的特性，采用基于迭代最近点icp算法、最小二乘法（leastsquares method, lsm）或基于procrustes分析的点云对齐等坐标转换方法，对不同雷达的原始数据进行精确标定，通过这种方法能够确保数据在全球定位系统gps坐标系下的准确对齐，从而显著提升雷达数据的转换精度和一致性，减少误差积累，这种高精度的雷达坐标转换对提升整体导航和定位系统的性能至关重要。通过精确的坐标转换算法和优化的标定方法，本发明显著提升了系统在复杂环境中的稳定性，减少了因数据不一致带来的系统偏差，保障了船舶导航与防碰撞系统的可靠运行。尤其是自动化时间同步与轨迹匹配机制的引入，有效降低了由数据源差异导致的潜在问题，提高了系统的稳定性和安全性。这种增强的稳定性不仅提升了系统的整体性能，还确保了船舶在复杂环境下的安全操作。本发明提供的标定方法具备强大的实时处理能力，能够有效应对高动态海上环境中的快速变化，通过高效的算法设计，确保在船舶高速移动的情况下，依然能够实现雷达数据的实时转换与融合，这满足了海事交通中对导航与定位精度的严格要求，确保船舶在复杂和动态环境中的安全航行。

技术特征：

1.一种用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

3.根据权利要求2所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤2.3中，自动化的时间同步算法的处理过程如下：

4.根据权利要求1所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

5.根据权利要求4所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤3.3具体为：

6.根据权利要求1所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤4中，最佳转换矩阵具体是指最佳的旋转矩阵和平移向量t。

7.根据权利要求6所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤4中，使用改进后的迭代最近点icp算法计算最佳转换矩阵，以实现定脉压雷达或电扫雷达数据到gps坐标系的转换；具体步骤如下：

8.根据权利要求6所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤4中，基于最小二乘法lsm计算最佳转换矩阵，以实现定脉压雷达或电扫雷达数据到gps坐标系的转换；具体步骤如下：

9.根据权利要求6所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤4中，基于procrustes分析的点云对齐计算最佳转换矩阵，以实现定脉压雷达或电扫雷达数据到gps坐标系的转换；具体步骤如下：

10.根据权利要求6所述的用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，其特征在于，所述步骤5中，在得到最佳的旋转矩阵和平移向量t后，将脉压雷达或电扫雷达的原始经纬度数据，按照下述公式转换到gps坐标系下；

技术总结
本发明属于海事雷达及导航与定位技术领域，具体公开了一种用于海事雷达系统的多雷达数据融合的标定方法，该方法结合脉压雷达与电扫雷达的特性，采用基于迭代最近点算法等刚性变换方法，对不同雷达的原始数据进行精确标定，确保了数据在全球定位系统GPS坐标系下的准确对齐，从而显著提升雷达数据的转换精度和一致性。本发明方法显著提升了系统在复杂环境中的稳定性，减少了因数据不一致带来的系统偏差，保障了船舶导航与防碰撞系统的可靠运行。本发明方法具备强大的实时处理能力，能够有效地应对高动态海上环境中的快速变化，确保了在船舶高速移动的情况下，依然能够实现雷达数据的实时转换与融合，确保了船舶在复杂和动态环境中的安全航行。

技术研发人员：张立业,孔栋,董海荣,谷可旺,孙晓宇,李中正,刘纪刚
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5