海冰区域轮廓线检测方法及装置与流程

本发明实施例涉及检测技术领域，更具体地，涉及一种海冰区域轮廓线检测方法及装置。

背景技术

海冰是影响冬季港口作业、海上运输和船舶安全的重要因素。船舶在冬季进出冰封的港口或海湾，或在有大量浮冰、冰山的水域或冰封的极区、港口、海湾航行，船舶机动受限，若操纵不当，船体易受损，易发生冰困，造成危险。因此，需提前观察并确定海冰区域，尤其是其覆盖范围的边缘轮廓，以合理规划航线，规避航行风险。相关技术中，对海上冰情的掌握，主要依靠海事气象预报、星载雷达和光学探测设备等，但由于上述手段对海面进行的观察在时间上都难以做到连续不间断，从而难以对海面海冰情况进行实时掌握，更难以做到对海冰冰情发展及移动的连续跟踪。虽然船载导航/搜索等雷达具有全天时全天候的工作特点，但雷达通常只能检测点状目标，难以检测海冰区域这种大面积的面状目标，从而难以检测海冰区域轮廓线。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的海冰区域轮廓线检测方法及装置。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种海冰区域轮廓线检测方法，该方法包括：在海面上沿目标方向发射脉冲后，接收与脉冲对应的脉冲回波序列；脉冲回波序列包括一系列采样点及每个采样点的回波幅度；选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，并将目标采样点作为海冰区域的对应于目标方向的轮廓点；通过连接对应于不同的目标方向的轮廓点，获得海冰区域的轮廓线。

根据本发明实施例第二方面，提供了一种海冰区域轮廓线检测装置，该装置包括：接收模块，用于在海面上沿目标方向发射脉冲后，接收与脉冲对应的脉冲回波序列；脉冲回波序列包括一系列采样点及每个采样点的回波幅度；选取模块，用于选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，并将目标采样点作为海冰区域的对应于目标方向的轮廓点；连接模块，用于通过连接对应于不同的目标方向的轮廓点，获得海冰区域的轮廓线。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的海冰区域轮廓线检测方法。

根据本发明实施例的第四方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的海冰区域轮廓线检测方法。

本发明实施例提供的海冰区域轮廓线检测方法及装置，通过选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，利用位于海水区域与海冰区域之间交界区域的采样点对应的回波幅度会出现明显的空间均匀性剧烈变化的特点，获得海冰区域的轮廓线，能够检测到海冰区域的外围轮廓线，从而帮助船只合理规划航线，避免航行风险。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述是示例性和解释性的，并不能限制本发明实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的海冰区域轮廓线检测方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的海冰区域轮廓线检测方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的海冰区域轮廓线检测装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

船载导航/搜索等雷达具有全天时全天候的工作特点，可以做到对海冰区域的实时探测，以保证海上的安全航行。但是，导航/搜索等雷达通常检测的目标的类型是点状目标，点状目标一般占据雷达的一个或几个分辨单元，检测处理一般是确定目标的中心或质心的距离方位。但是，对于海冰这种大面积的面状目标，对其检测的目的一般不是确定其中心或质心的距离与方位，而是需要确定海冰的覆盖范围，尤其是其整个覆盖范围的边缘的轮廓线。这是由于海面上连接成片的海冰区域的内部的具体情况并不直接影响海上船只的航行。基于此，本发明实施例提供一种海冰区域轮廓线检测方法，参见图1，该方法包括：

101、在海面上沿目标方向发射脉冲后，接收与脉冲对应的脉冲回波序列；脉冲回波序列包括一系列采样点及每个采样点的回波幅度。

其中，海冰区域可以是海面上的浮冰或冰山。船只在海面上航行时，具体可以通过雷达发射脉冲。目标方向即为雷达发射脉冲的方向，目标方向又可称为雷达径向。由于雷达可以沿圆周(360°)发射脉冲，因此，目标方向为圆周中的一个方向。脉冲回波法是用回波幅度及时间来判断反射体的存在和位置的检测方法，因此，基于上述脉冲回波法，发射的脉冲遇到海冰或者海水等反射体会形成脉冲回波序列返回给雷达。该脉冲回波序列包括一系列采样点，该一系列采样点可以是距离船只由近到远的顺序进行排列的。基于脉冲回波序列，可以得到每个采样点分别对应的回波幅度和位置信息。

102、选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，并将目标采样点作为海冰区域的对应于目标方向的轮廓点。

具体地，脉冲回波序列中的部分采样点位于海水区域中，部分采样点位于海冰区域。但是，海冰区域与海水区域的电磁散射回波幅度相差较大，海水区域中采样点的电磁散射回波幅度整体小于海冰区域中采样点。因此，在海水区域与海冰区域的交界区域会出现明显的空间均匀性变化。因此，可以基于回波幅度是空间均匀性剧烈变化的这一标准来选取目标采样点，也就是目标采样点的回波幅度相对于两侧采样点中的至少一侧采样点的回波幅度发生了较大变化。基于此，可以确认目标采样点所处的位置即为海水区域和海冰区域的交界处，从而目标采样点是海冰区域在目标方向上的轮廓点。可以理解的是，对应于同一目标方向的轮廓点可以有一个或多个。

103、通过连接对应于不同的目标方向的轮廓点，获得海冰区域的轮廓线。

具体地，可以利用雷达向多个不同的目标方向发射脉冲(例如利用雷达进行圆周扫描)，并得到每个目标方向对应的轮廓点。通过轮廓点之间的连接，最终可以得到雷达周边全部的海冰区域。

本发明实施例提供的海冰区域轮廓线检测方法，通过选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，利用位于海水区域与海冰区域之间交界区域的采样点对应的回波幅度会出现明显的空间均匀性剧烈变化的特点，获得海冰区域的轮廓线，能够检测到海冰区域的外围轮廓线，从而帮助船只合理规划航线，避免航行风险。

海水区域内采样点的回波幅值的起伏较小。但是，由于冰期不同层叠累积，连接成片的海冰会产生不规则起伏，从而使得位于海冰区域内的采样点的回波幅度起伏较大。由于步骤102中是利用目标采样点对应的回波幅度是空间均匀性剧烈变化的这一特点来选取的，因此，为了避免海冰区域内具有严重非均匀性的回波幅度的采样点对目标采样点选取的影响，参见图2，基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点之前，提供一种对脉冲回波序列进行平滑处理的方法，包括但不限于：采用平滑滤波器在目标方向上对脉冲回波序列进行平滑处理，以降低脉冲回波序列中位于海冰区域内的采样点的回波幅度之间的非均匀性，获得平滑脉冲回波序列。因此，可以利用平滑滤波器去除海冰区域内部的采样点的严重的非均匀性，并能够保留海冰区域与海水区域之间交界区域的空间均匀性剧烈变化的特点，从而使选取的目标采样点更加准确。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，提供一种采用平滑滤波器在目标方向上对脉冲回波序列进行平滑处理，获得平滑脉冲回波序列的方法，包括但不限于：

步骤1、将脉冲回波序列截取为设定长度的序列片段，设定长度由窗函数向量的阶数确定。

具体地，在步骤1之前，对于脉冲回波序列x＝(x1,x2,…,xm)，可先设定汉明窗函数向量w＝(w1,w2,…,wn)，其中，wn如下式(1)所示：

式中，阶数n的取值由径向采样率f0和距离分辨单元大小d0决定，f0的单位为mhz，d0的单位为米，符号表示向上取整，系数k的取值范围为3≤k≤10；m的值由雷达径向采样率、脉冲重复频率和占空比确定，雷达确定后m一般不可修改，且m＞n。

在步骤1中，将脉冲回波序列x截取为长度为n的一系列序列片段xi＝(xi,x2,…,xn)，i的取值范围为符号表示向下取整。即序列片段的设定长度与窗函数向量w的阶数相同。

步骤2、将窗函数向量与序列片段中的每一向量进行卷积，并将卷积结果与窗函数向量的点数值的累加和作商，获得中间向量。

具体地，在步骤2前可计算窗函数向量所有点数值的累加和sw：

在步骤2中，将窗函数向量w与每一个向量xi进行卷积，然后再除以sw，得到的结果即为中间向量yi。

步骤3、通过选取中间向量中设定数量的值，获得平滑脉冲回波序列，设定数量由窗函数向量的阶数确定。

具体地，由于中间向量yi的长度为2n-1，为使得平滑处理后的序列的长度与原始的脉波回波序列的长度保持一致，因此选取中间向量中的设定数量的值作为平滑处理后的输出结果zi。

作为一种可选实施例，提供一种通过选取中间向量中设定数量的值，获得平滑脉冲回波序列的方法，包括但不限于：通过选取中间向量中的位于中间的设定数量的值获得平滑脉冲回波序列。

具体地，若n为偶数，则将中间向量yi的前个值和后个值剔除后，剩余的值顺序不变作为输出结果zi。若n为奇数，则将中间向量yi的前个值和后个值剔除后，剩余的值顺序不变作为输出结果zi。

整个脉冲回波序列平滑处理后的结果记为平滑脉冲回波序列z，z即为各个输出结果zi拼接后的结果。若用采样点直接表示，则为z＝(z1,z2,z3,…,zm′)，其中

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，提供一种选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点的方法，包括但不限于：

步骤1、将预先设置的距离滑窗沿距离从近到远的方向在平滑脉冲回波序列中滑动，每次滑动步进一个距离分辨单元，直至到达脉冲回波序列的末尾，并根据每个距离分辨单元中的采样点的回波幅度，计算每个距离分辨单元对应的均匀性衡量参数。

具体地，在步骤1前可设置距离滑窗，该距离滑窗的尺寸nw为：

式中，f0和d0的含义和物理单位均同上，q的取值区间为[3,8]且q为整数。

每一距离分辨单元对应的均匀性衡量参数vr为：

式中，zi为距离分辨单元内的平滑脉冲回波序列中采样点的回波幅度，是nw个采样点的回波幅度的算术平均值。

可以理解的是，vr越大，表明距离分辨单元内的均匀性越差，呈现非均匀性特点；反之，vr越小，表明距离分辨单元内的均匀性越好。

距离滑窗沿雷达径向(即目标方向)由近及远不断滑动，每次步进量为即每次步进一个距离分辨单元。随着距离滑窗移动直到平滑脉冲回波序列的末尾，会得到一系列均匀性衡量参数值，构成一个均匀性衡量参数序列，可以y表示，即y＝{yi|i＝1,2,3,…}。

步骤2、对于每个均匀性衡量参数，若判断获知均匀性衡量参数大于判决门限，则将均匀性衡量参数对应的采样点作为目标采样点。

具体地，基于上述平滑处理，海冰区域和海水区域内的采样点的回波幅度呈现很弱的非均匀性，仅在海水区域和海冰区域之间的交界区域呈现明显的非均匀性。若海面没有海冰，则得到的序列y应服从高斯分布，序列整体呈现均匀变化的特点。基于此，可设置判决门限，若序列y中的均匀性衡量参数高于判决门限，则确认该均匀性衡量参数对应的采样点的位置位于海冰区域与海水区域的交界线，即为海冰区域的轮廓点。若均匀性衡量参数低于判决门限，则确认该均匀性衡量参数对应的采样点的位置位于海冰区域或海水区域。

应当说明的是，本发明实施例对获取判决门限的方法不作限定，包括但不限于采用单元平均恒虚警的处理方法生成判决门限，并可给定虚警概率值为10^-3。另外，为应对比较恶劣的海情和冰情，还可以设置几档可调的判决门限。若序列y中的较多均匀性衡量参数大于判决门限值的情况，可适当提高判决门限的值，即换用其他门限档位，此时可人工调节判决门限的值。假定上述设定的判决门限为标准门限档位门限值，则档位可以设置为：档位每升高一档，其门限值在标准门限档位门限值基础上提高20％，最高可抬高100％，换言之，抬高档位共设5档。

基于上述实施例的内容，多个均匀性衡量参数按照距离由近到远的顺序组成均匀性衡量参数序列；相应地，通过连接对应于不同的目标方向的轮廓点，获得海冰区域的轮廓线之后，作为一种可选实施例，提供一种确认海水区域或海冰区域的方法，包括但不限于：在均匀性衡量参数序列中选取第一均匀性衡量参数子序列和第二均匀性衡量参数子序列，第一均匀性衡量参数子序列是由位于轮廓线的一侧的多个均匀性衡量参数组成，第二均匀性衡量参数子序列是由位于轮廓线的另一侧的多个均匀性衡量参数组成；分别计算第一均匀性衡量参数子序列和第二均匀性衡量参数子序列的均值；若判断获知第一均匀性衡量参数子序列的均值大于第二均匀性衡量参数子序列的均值，则确认第一均匀性衡量参数子序列所对应的轮廓线的一侧为海冰区域，第二均匀性衡量参数子序列所对应的轮廓线的另一侧为海水区域。

具体地，通过大量数据分析可知，海水区域的均匀性衡量参数vr均值要小于海冰区域的均匀性衡量参数vr均值。因此，对于海水交界线两侧，在序列y中各取q个值作为第一均匀性衡量参数子序列和第二均匀性衡量参数子序列。应当说明的是第一均匀性衡量参数子序列和第二均匀性衡量参数子序列中均匀性衡量参数的数量可以相同或不同。分别求取上述两个子序列的平均值后，然后进行比较。将具有较大的均匀性衡量参数的均值的一侧作为海冰区域，较小的均匀性衡量参数的均值的另一侧作为海水区域，从而能够在确定海冰区域轮廓线的基础上，进一步确定轮廓线两侧区域的类型。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，提供一种若判断获知第一均匀性衡量参数子序列的均值大于第二均匀性衡量参数子序列的均值的方法，包括但不限于：若判断获知第一均匀性衡量参数子序列的均值与第二均匀性衡量参数子序列的均值之比大于设定倍数。具体地，设定一设定倍数，例如2。若两侧均匀性衡量参数的均值之比(均值大者除以均值小者)大于2，则均值大的一侧对应海冰区域，均值小一侧对应海水区域。若两侧均值之比(均值大者除以均值小者)不满足2倍以上的条件，则需借助其他方法或手段，进行进一步判断，本发明实施例对此不作限定。

基于上述实施例的内容，本发明实施例提供了一种海冰区域轮廓线检测装置，该海冰区域轮廓线检测装置用于执行上述方法实施例中的海冰区域轮廓线检测方法。参见图3，该装置包括：

接收模块301，用于在海面上沿目标方向发射脉冲后，接收与脉冲对应的脉冲回波序列；脉冲回波序列包括一系列采样点及每个采样点的回波幅度。

其中，海冰区域可以是海面上的浮冰或冰山。船只在海面上航行时，具体可以通过雷达发射脉冲。目标方向即为雷达发射脉冲的方向，目标方向又可称为雷达径向。由于雷达可以沿圆周(360°)发射脉冲，因此，目标方向为圆周中的一个方向。脉冲回波法是用回波幅度及时间来判断反射体的存在和位置的检测方法，因此，基于上述脉冲回波法，发射的脉冲遇到海冰或者海水等反射体会形成脉冲回波序列返回给雷达。该脉冲回波序列包括一系列采样点，该一系列采样点可以是距离船只由近到远的顺序进行排列的。基于脉冲回波序列，接收模块301可以得到每个采样点分别对应的回波幅度和位置信息。

选取模块302，用于选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，并将目标采样点作为海冰区域的对应于目标方向的轮廓点。

具体地，脉冲回波序列中的部分采样点位于海水区域中，部分采样点位于海冰区域。但是，海冰区域与海水区域的电磁散射回波幅度相差较大，海水区域中采样点的电磁散射回波幅度整体小于海冰区域中采样点。因此，在海水区域与海冰区域的交界区域会出现明显的空间均匀性变化。因此，选取模块302可以基于回波幅度是空间均匀性剧烈变化的这一标准来选取目标采样点，也就是目标采样点的回波幅度相对于两侧采样点中的至少一侧采样点的回波幅度发生了较大变化。基于此，选取模块302可以确认目标采样点所处的位置即为海水区域和海冰区域的交界处，从而目标采样点是海冰区域在目标方向上的轮廓点。可以理解的是，对应于同一目标方向的轮廓点可以有一个或多个。

连接模块303，用于通过连接对应于不同的目标方向的轮廓点，获得海冰区域的轮廓线。

具体地，可以利用雷达向多个不同的目标方向发射脉冲(例如利用雷达进行圆周扫描)，并得到每个目标方向对应的轮廓点。连接模块303通过轮廓点之间的连接，最终可以得到雷达周边全部的海冰区域。

本发明实施例提供的海冰区域轮廓线检测装置，通过选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，利用位于海水区域与海冰区域之间交界区域的采样点对应的回波幅度会出现明显的空间均匀性剧烈变化的特点，获得海冰区域的轮廓线，能够检测到海冰区域的外围轮廓线，从而帮助船只合理规划航线，避免航行风险。

作为一种可选实施例，该装置还包括：平滑模块，用于采用平滑滤波器在目标方向上对脉冲回波序列进行平滑处理，以降低脉冲回波序列中位于海冰区域内的采样点的回波幅度之间的非均匀性，获得平滑脉冲回波序列。

作为一种可选实施例，平滑模块包括：截取单元，用于将脉冲回波序列截取为设定长度的序列片段，设定长度由窗函数向量的阶数确定；卷积单元，用于将窗函数向量与序列片段中的每一向量进行卷积，并将卷积结果与窗函数向量的点数值的累加和作商，获得中间向量；第一选取单元，用于通过选取中间向量中设定数量的值，获得平滑脉冲回波序列，设定数量由窗函数向量的阶数确定。

作为一种可选实施例，第一选取单元具体用于：通过选取中间向量中的位于中间的设定数量的值获得平滑脉冲回波序列。

作为一种可选实施例，选取模块，包括：计算单元，用于将预先设置的距离滑窗沿距离从近到远的方向在平滑脉冲回波序列中滑动，每次滑动步进一个距离分辨单元，直至到达脉冲回波序列的末尾，并根据每个距离分辨单元中的采样点的回波幅度，计算每个距离分辨单元对应的均匀性衡量参数；第一判断单元，用于对于每个均匀性衡量参数，若判断获知均匀性衡量参数大于判决门限，则将均匀性衡量参数对应的采样点作为目标采样点。

作为一种可选实施例，多个均匀性衡量参数按照距离由近到远的顺序组成均匀性衡量参数序列；相应地，该装置还包括：第二选取单元，用于在均匀性衡量参数序列中选取第一均匀性衡量参数子序列和第二均匀性衡量参数子序列，第一均匀性衡量参数子序列是由位于轮廓线的一侧的多个均匀性衡量参数组成，第二均匀性衡量参数子序列是由位于轮廓线的另一侧的多个均匀性衡量参数组成；第二判断单元，用于分别计算第一均匀性衡量参数子序列和第二均匀性衡量参数子序列的均值；若判断获知第一均匀性衡量参数子序列的均值大于第二均匀性衡量参数子序列的均值，则确认第一均匀性衡量参数子序列所对应的轮廓线的一侧为海冰区域，第二均匀性衡量参数子序列所对应的轮廓线的另一侧为海水区域。

作为一种可选实施例，第二判断单元具体用于：若判断获知第一均匀性衡量参数子序列的均值与第二均匀性衡量参数子序列的均值之比大于设定倍数。

本发明实施例提供了一种电子设备，如图4所示，该设备包括：处理器(processor)401、存储器(memory)402和总线403；其中，处理器401及存储器402分别通过总线403完成相互间的通信；处理器401用于调用存储器502中的程序指令，以执行上述实施例所提供的海冰区域轮廓线检测方法，例如包括：在海面上沿目标方向发射脉冲后，接收与脉冲对应的脉冲回波序列；脉冲回波序列包括一系列采样点及每个采样点的回波幅度；选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，并将目标采样点作为海冰区域的对应于目标方向的轮廓点；通过连接对应于不同的目标方向的轮廓点，获得海冰区域的轮廓线。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行对应实施例所提供的海冰区域轮廓线检测方法，例如包括：在海面上沿目标方向发射脉冲后，接收与脉冲对应的脉冲回波序列；脉冲回波序列包括一系列采样点及每个采样点的回波幅度；选取采样点中回波幅度的空间均匀性剧烈变化的目标采样点，并将目标采样点作为海冰区域的对应于目标方向的轮廓点；通过连接对应于不同的目标方向的轮廓点，获得海冰区域的轮廓线。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的海冰区域轮廓线检测设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。