專利名稱：基于電子海圖和軟件無線電技術的船用氣象傳真設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣象領域，是一種接收和處理傳真天氣圖的設備，可以在能夠接收到無線電信號的地方使用，特別適合船只在海上使用。
背景技術：
由于航海儀器設備非常發(fā)達，船只很少因為設備故障而發(fā)生事故，大部分事故的發(fā)生是由于惡劣的天氣條件造成的。海洋氣象和海況惡劣，航行環(huán)境復雜與船舶條件受限，加上海員疏忽和失誤，海難事故頻繁發(fā)生，往往造成海上人命和財產(chǎn)重大損失以及海洋環(huán)境嚴重污染。海難事故通常分為碰撞、浪損、觸礁、擱淺、火災、爆炸、沉沒、失蹤等。就20世紀發(fā)生的特大海難事故來說，眾所周知的是1912年4月15日英國Titanic號豪華客輪在北大西洋撞上冰山后沉沒，1500多人遇難。但是許多人不知道的是同年9月28日，日本Kicker Maru號客輪在日本沿岸遭遇風暴沉沒，也造成1000多人遇難。在20世紀，導致1000人以上喪生的海難事故還有十余起。1987年12月20日菲律賓Dona Paz號海上渡輪因臺風在馬林杜克島附近與Vector號油輪相撞而爆炸起火，20分鐘后兩船都沉沒，4386人遇難。20世紀1000人以下遇難的海難事故不勝枚舉，就不必說前年中國“大舜”號船在渤海海峽翻沉而導致282人喪生的“11.24”海難了。由此可見，航海風險如何巨大，航海安全如何重要。
事實上，現(xiàn)在的天氣預報產(chǎn)品非常豐富，如果正確地利用這些天氣預報產(chǎn)品，很多事故是可以避免的。合理地利用天氣預報產(chǎn)品更能夠幫助航海人員根據(jù)天氣預報的結果優(yōu)化設計航線，在安全的前提下，用更短的時間完成航行任務，從而創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益。
許多國家為了保障船只海上航行安全，合理選擇航線，免費以無線電傳真的形式發(fā)布天氣預報產(chǎn)品，即傳真天氣圖。目前世界氣象傳真廣播(Meteorological FacsimileBroadcasts)的覆蓋范圍幾乎遍及全球各大洋。各主要國家都為海上船舶播發(fā)各種各樣的天氣圖和海況圖。
傳真天氣圖的種類繁多，以日本發(fā)布的傳真天氣圖為例，天氣圖的種類多達近百種，涵蓋了所有氣象和海洋要素的預報，主要內容有地面天氣圖，高空天氣圖、海浪圖、航危圖、海況圖(海水溫度、海冰、海流等)及衛(wèi)星云圖等。
正因為如此，各個國家對航海人員的資格認證都包含氣象知識的考核，特別是氣象傳真天氣圖的分析。例如我國規(guī)定海員申請大副適任考試者，應參加下列評估項目的評估貨物積載與系固；航海英語聽力與會話；氣象傳真天氣圖分析。
可見氣象傳真圖對于航海的安全保障是極為重要的。同時，對于導航中的氣象定線起到關鍵的作用。
目前所有船上使用的氣象傳真接收儀器都是通過無線電傳真設備接收氣象傳真信號，將接收到的氣象傳真天氣圖以紙張的形式記錄下來。這種設備的優(yōu)點是利用無線電技術解決了船上氣象通信的問題，使得船上也能及時收到最新的天氣圖。但是這種在五六十年代的技術到今天已經(jīng)落后，顯現(xiàn)出了很多局限性。這主要體現(xiàn)在1、需要人員的看護。雖然氣象傳真機是自動接收氣象傳真圖，但是由于船只在海上不斷的移動，信號容易產(chǎn)生異變，如果人員不經(jīng)常調整接收頻率，傳真圖將變得模糊而無法使用；另外氣象傳真圖的種類很多，每天定時發(fā)送幾十種圖，很多圖并不是船上時刻都必須的，如若全部接收則造成紙張的浪費，要接收部分圖就需要人員控制接收的時間?，F(xiàn)代船只注重自動化的提高，船上的人員很少，氣象傳真的收取浪費了人力資源。
2、海上信號弱造成圖像質量差。船只航行在茫茫大海上，遠離大陸，也就遠離了傳真信號源，收到的傳真圖經(jīng)常模糊不清，即使人員在一旁時刻守護調整頻率，也無濟于事。氣象傳真圖的信息很豐富，往往一小部分的模糊就掩蓋了有用的信息，例如雨量預報圖，圖很小，是一般圖的一半大小，圖上有等壓線、等雨量線以及風矢量的預報信息，并且等雨量線是虛線，旁邊標注的雨量值即使在圖像清晰的情況下有時也難以辨認出來，一旦有了大量噪聲，所關心的區(qū)域又往往很小，(圖包含的地理區(qū)域幾乎為亞洲大陸及沿海)就會導致這張圖無法使用。
3、氣象傳真天氣圖的種類繁多，并且經(jīng)常改變，許多有用的圖，特別是新推出的天氣圖，很多氣象專業(yè)人員也不熟悉，只是讓航海人員憑借薄弱的航海氣象的知識分析出復雜的天氣變化，有些勉為其難。如何提高航海人員利用傳真天氣圖的效率是一個現(xiàn)實的困難。
4、現(xiàn)有傳真機接收的天氣圖是以紙張形式記錄的，大小固定，有時需要看一個小的區(qū)域的信息是比較困難的；紙張保存和查找也是比較困難的事。
5、現(xiàn)有氣象傳真機體積大，重量大，在船上通常用螺絲固定在某個艙室，造成只能固定在某個位置上收圖；一旦遇到艙室受到破壞的險情，氣象傳真圖將得不到可靠保證。另外，一旦損壞，需要回到岸上進行維修，維修費時，費用也較昂貴。
所有這些缺陷都是因為沒有及時更新無線電傳真技術，以及沒有與現(xiàn)代發(fā)展成熟的計算機技術結合造成的。在細致考慮這些缺陷的基礎之上，我提出了一種新的替代設備，基于電子海圖和軟件無線電技術的船用氣象傳真接收設備。這種新的設備克服上述的所有缺陷，并且充分利用現(xiàn)代計算機的圖像處理技術、GIS技術以及數(shù)據(jù)庫技術，利用虛擬調制解調器的無線電軟件技術，有很多新的優(yōu)勢，讓傳真天氣圖在航海安全的保障上發(fā)揮更大的作用，使傳真天氣圖產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。

發(fā)明內容
利用軟件無線電技術接收無線電傳真信號為了克服現(xiàn)有氣象傳真機的缺陷，使用了先進的軟件無線電技術替代現(xiàn)在的氣象傳真機產(chǎn)品。
隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)與現(xiàn)代計算機軟、硬件技術與微電子技術發(fā)展的日新月異，科學家們又巧妙地創(chuàng)立出一種全新的通信技術枛軟件無線電技術，使得人類進入一個通信更高效、更可靠、更靈活的新時代。傳統(tǒng)的無線電通信，雖經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字通信發(fā)展的階段，然而，根據(jù)它們的用途不同，采用的通信工作方式，即通信制式也不同，從而使對應的通信系統(tǒng)制式及裝備種類繁多，這就造成了它們之間的互通性、兼容性、協(xié)調性極差。因此，當美國人Joe.Mitola在1992年初的美國國家電信系統(tǒng)會議上明確提出一種“軟件無線電”(Software Radio)新技術的概念后，很快就得到了美國軍方和一些民用研究機構的一致認可。
軟件無線電的基本思想是，所有的無線電通信系統(tǒng)均可基于一種相同的通用硬件平臺結構，如果要在不同通信體制，不同工作頻段來傳遞不同形式的信號時，即可通過對該系統(tǒng)設置不同的軟、硬件模塊、運行不同的軟件編程及算法來實現(xiàn)，最后實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的工作目標，即成為一種多工作頻段、多工作模式、多信號形式傳輸與處理的無線電系統(tǒng)。軟件無線電的系統(tǒng)功能相當豐富，系統(tǒng)中承擔發(fā)射過程的軟件功能也相當豐富。它不僅能發(fā)射信號，而且能預先分析傳輸信道與相鄰信道的干擾特性，探測確定最佳傳輸路徑。選擇確定適應信道傳輸?shù)淖罴颜{制方式與編碼方法。決策調整寬帶天線的位置，以使發(fā)射波束獲得最佳方向，并能自動調整合適的發(fā)射功率，以避免不必要的功率損失。當然，軟件無線電通信系統(tǒng)接收過程的軟件功能就是，它不僅能夠接收，而且能夠分析接收信號在本傳輸信道和相鄰信道上的分布特性，并能自動調頻率。識別接收信號的調制方式與編碼方式。能自適應地抑制干擾，評估所需信號多徑傳輸?shù)膭討B(tài)特性，并對其總體值進行相關的自適應均衡處理。并能采用前向糾錯控制，對差錯糾錯，從而使接收信號的誤碼率最小。最重要的功能是，它還可以利用系統(tǒng)的軟件升級或版本更迭來實現(xiàn)通信系統(tǒng)的更新?lián)Q代，新老設備的兼容與互聯(lián)。此外，軟件無線電系統(tǒng)還可通過廣泛的軟件功能來支持該系統(tǒng)業(yè)務的廣泛可擴充性。
目前，對軟件無線電系統(tǒng)及其關鍵技術的研究在國外也還處于初始階段，如美國軍方近年來研制出的一種Speakeasy I型多頻段多模式的軟件無線電樣機，就基本實現(xiàn)了軟件無線電系統(tǒng)的設計思想及多種功能。如它可分別與四種電臺通信；同時與兩種電臺通信；作為網(wǎng)橋/網(wǎng)關，連接兩個相互獨立的具有不同信號形式的無線網(wǎng)，使之能透明地傳輸；也可同時改變兩個互聯(lián)的Speakeasy電臺的傳輸波形，實現(xiàn)傳輸語言、數(shù)據(jù)波形的可編程特性。因此它是日前世界上較為先進的一種軟件無線電系統(tǒng)。我國在近年來也對該技術領域較為重視，在國家“863”高新通信技術項目中就包含有對軟件無線電技術研究的子項目。
在本設備中，我們使用軟件無線電技術替代了龐大的接收信號儀器，使用軟件解調的方式，將無線電中的天氣圖信號識別出來，不需要任何額外的AD轉換硬件就可以接收無線電傳真信號，因此可以把該設備隨時連接到臺式PC機、筆記本電腦以及掌上電腦PDA。無論身處何地，只要能夠收到無線電信號的情況下，這些機器就直接收取氣象傳真天氣圖。同時，可以調整頻率使得收取的信號總處在最佳狀態(tài)，保證了傳真天氣圖的圖像質量。
2、傳真天氣圖矢量化技術為了能夠準確地與電子海圖疊加在一起，成為海圖的一個有效圖層，必須將傳真天氣圖矢量化，即把傳真天氣像轉化為可以識別的圖形，其地理坐標嚴格地與電子海圖一致。這里并非采用柵格圖像與海圖疊加的技術，而是使用圖元識別技術，把傳真圖的天氣信息提取出來，用圖形方式疊加在海圖上，這是我們矢量化的基本思路。
為了實現(xiàn)矢量化，需要作以下工作(1)對原始圖像進行膨脹和腐蝕以達到細化；圖像細化一般作為一種圖像預處理技術出現(xiàn)，目的是提取源圖像的骨架，即是將原圖像中線條寬度大于1個象素的線條細化成只有一個象素寬，形成’骨架’，形成骨架后能比較容易的分析圖像，如提取圖像的特征。
(2)去除圖像噪聲；傳統(tǒng)均值濾波和中值濾波對高斯型噪聲和椒鹽型噪聲有著不同的濾波特性。實際濾波時，由于圖像往往會受到兩種不同性質噪聲的同時干擾，因此，單獨采用中值濾波或均值濾波都不會達到最好的去噪效果，為了能同時對兩種不同性質的噪聲進行濾除，現(xiàn)提出了一種新的混合濾波算法，該算法首先利用局部閾值把受高斯型噪聲污染的像素和受脈沖型噪聲污染的像素區(qū)別開來，然后對受高斯噪聲污染的像素采用均值濾波算法，而對受椒鹽噪聲污染的像素則采用中值濾波算法進行去噪。仿真結果證明，該方法更具有實用性和有效性。
(3)利用圖像匹配技術精確去掉地圖背景；由于噪聲的影響，每幅圖像的地圖背景是不完全一樣的，為了完整地去掉地圖背景，在這里采用了圖像匹配技術去除地圖背景。
(4)作象素量級的識別，把天氣信息作為圖元提取出來。
3、傳真天氣圖與電子海圖疊加技術將傳真天氣圖矢量化之后，就要進行與電子海圖疊加的工作。與電子海圖疊加的關鍵技術是將提取出來的圖元的每一點賦予地理坐標。
4、危險天氣識別技術將天氣圖接收并與電子海圖疊加之后的目的還是為了應用于導航保障之中，但前面講到，一些傳真天氣圖比較復雜，非專業(yè)人員難以準確分析其含義。為幫助操作人員方便準確地識別天氣圖，使用了模式識別技術將危險天氣識別出來，直接提供給使用人員。
類似OCR技術(文字識別技術)，在天氣圖識別中要把無意義的圖像符號轉化為可以理解的文字進行輸出，直接告訴人員某區(qū)域有什么危險天氣。
具體實施例方式
基于電子海圖和無線電軟件技術的船用傳真天氣圖接收處理設備徹底改變了以往氣象傳真接收機的技術原理。
1、軟件調制解調器。不需要任何AD轉換的硬件就可以接收無線電傳真信號，因此可以把該設備隨時連接到臺式PC機、筆記本電腦以及掌上電腦PDA。無論身處何地，只要能夠收到無線電信號的情況下，這些機器就直接收取氣象傳真天氣圖。
2、接收傳真天氣圖的過程中，完全實現(xiàn)了自動化和無人值守，軟件將按照事先設定的接收表，接收所有需要接收的天氣圖，并且隨時自動調整接收頻率，跟蹤最佳信號，保證圖像的質量。
3、接收到的圖像經(jīng)過計算機復雜的圖形處理，進行去除噪聲處理、旋轉處理、鏡像處理、經(jīng)緯度轉換處理、細化與膨脹處理、去除底圖處理、與電子海圖疊加處理等，最后以矢量化的方式顯示在電子海圖上。由于傳真天氣圖的種類很多，每種類型的天氣圖格式都不盡相同，包含的信息量都很大，因此這部分的處理技術含量較高，工作量大，是設備的核心部分。
4、幫助人員有效準確地分析和預報天氣。
當存在惡劣天氣時，將鼠標移動到該區(qū)域，系統(tǒng)會顯示該區(qū)域所有的危險天氣內容。
傳真天氣圖的很多信息交錯顯示在同一張圖中，有些信息很重要，但由于不是很清晰，使得難以判斷，例如在雨量預報圖中，雨量是以虛線來表示的，有時判斷某個區(qū)域的雨量變化和預報比較困難，當天氣圖變成矢量圖的形式，并且與經(jīng)緯度十分精確的電子海圖疊加在一起時，圖像可以放大顯示而不會變虛，可以很清晰的判斷某個區(qū)域的天氣情況，當區(qū)域處在惡劣天氣的邊緣時，在電子海圖的背景上，也會清晰地顯示出該地區(qū)是否受到惡劣天氣的影響。
5、詳細地給出傳真天氣圖的使用方法。傳真天氣圖種類很多，經(jīng)常添加新的天氣圖類型，非氣象水文專業(yè)人員不能全面掌握這些知識，在軟件中將給出傳真天氣圖的教程。
6、幫助海上人員依據(jù)天氣制定航行計劃和航行路線。將天氣圖存入數(shù)據(jù)庫之中，方便檢索歷史資料，隨時跟蹤惡劣的天氣系統(tǒng)，如熱帶氣旋、冷空氣活動、巨浪、濃霧和爆發(fā)性氣旋大風等。
權利要求
1.是一種接收和處理傳真天氣圖的設備，可以在能夠接收到無線電信號的地方使用，特別適合船只在海上使用。為了克服現(xiàn)有氣象傳真機的缺陷，使用了先進的軟件無線電技術。不需要任何AD轉換的硬件就可以接收無線電傳真信號，因此可以把該設備隨時連接到臺式PC機、筆記本電腦。無論身處何地，只要能夠收到無線電信號的情況下，這些機器就直接收取氣象傳真天氣圖。接收傳真天氣圖的過程中，完全實現(xiàn)了自動化和無人值守，并且隨時自動調整接收頻率，跟蹤最佳信號，保證圖像的質量。接收到的圖像經(jīng)過計算機復雜的圖形處理，最后以矢量化的方式顯示在電子海圖上。幫助人員有效準確地分析和預報天氣。
全文摘要
基于電子海圖和軟件無線電技術的船用氣象傳真設備，屬于氣象領域，是一種接收和處理傳真天氣圖的設備，可以在能夠接收到無線電信號的地方使用，特別適合船只在海上使用。不需要任何AD轉換的硬件就可以接收無線電傳真信號，因此可以把該設備隨時連接到臺式PC機、筆記本電腦。無論身處何地，只要能夠收到無線電信號的情況下，這些機器就直接收取氣象傳真天氣圖。接收傳真天氣圖的過程中，完全實現(xiàn)了自動化和無人值守，并且隨時自動調整接收頻率，跟蹤最佳信號，保證圖像的質量。接收到的圖像經(jīng)過計算機復雜的圖形處理，最后以矢量化的方式顯示在電子海圖上。幫助人員有效準確地分析和預報天氣。
文檔編號H04N1/00GK1968339SQ20061020013
公開日2007年5月23日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權日2006年2月17日
發(fā)明者姚麗, 劉永祿 申請人:姚麗, 劉永祿