水下目标搜索与识别技术
水下目标搜索与识别系统一般分为光视觉系统和声视觉系统，当距离物体十米以内，一般采用光视觉系统，当距离物体大于十米以上时则用声视觉系统。当前流行的趋势是采用激光的方式来进行目标搜索与识别。
一．光视觉系统
传统的光视觉系统包括水下摄像机、照明等设备用来满足获取光学图像和视频信息等基本的要求。而现在的光视觉系统不仅要求满足上述要求，还要求具备对图像和视频信息进行处理、特征提取以及分类识别的功能。总之，只能水下机器人中光视觉系统的使命是：快速、准确德获取水下目标的相关信息，并对信息进行实时处理，将处理结果反馈给计算机，从而指导机器人进行正确的作业。
1.光视觉系统框架
水下光视觉系统主要分为三大块：(1)底层模块:图像采集系统，包括专用水下CCD感光摄像头和图像采集卡，这部分属于硬件部分；(2)中层模块：图像处理，包括图像预处理、图像分割、特征提取、根据目标模型进行学习，形成知识库和逻辑推理机制，得到单幅图像的初步理解和评价。(3)高层模块：分类是水下目标识别最为核心的技术，也是最终实现部分。
1.1硬件组成
光视觉系统硬件包括光视觉计算机、水下CCD摄像头、云台和辅助照明灯。光视觉计算机完成视觉建模、高层视觉信息处理和理解、与机器人主控计算机的网络通讯，实时监控系统每个时间节拍的运行状态与处理参数。
1.2软件体系
水下光视觉系统的软件体系涵盖了两个部分：中层模块和高层模块。中层模块主要负责图像处理工作(图像处理一般包括图像预处理、图像分割和特征提取三方面)。高层模块是水下目标识别系统的最终实现部分，一般采用的是神经网络识别算法进行识别分类。
二．声视觉系统
理想的声视觉系统作为智能水下机器人的传感设备，应该具备灵敏度高、空间分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、自主调节和全天候作业等特点，能适合
探测弱目标和鉴别多目标的需要。同时它能在比较复杂的人为干扰和自然干扰下，实现对目标的自动识别和跟踪选择。声视觉系统最终要完成的任务是目标的自动定位、分类识别以及对运动目标实现跟踪，而完成这一任务的核心和前提条件是拥有一台高分辨率水声探测设备。目前较常用的是多波束声纳系统。
2.1声纳成像技术
随着科学技术的进步，声纳技术得到了突飞猛进的发展。成像声纳的发展速度也很快，已有了接近光学质量的声全息成像实验系统、声透镜成像系统等。尽管这些成像系统的声成像质量较好，但实用性较差。目前技术比较成熟、使用也较多的成像声纳为侧扫声纳和扇扫声纳(前视声纳)。
侧扫声纳是探测海洋的重要工具之一。侧扫声纳为一高频拖曳声纳，其换能器阵一般安装在水下拖曳体的两侧。由母船拖曳在距海底15米左右的距离上工作，波束探测方向与舰体行进方向垂直。由于工作频率高，因而具有较高的解像度，可对海底地形地貌及沉没船只、飞机的残骸进行清晰的解读。
扇扫声纳的研究开展较晚，但发展很快，现已广泛应用于探雷、定位、避障等水下作业中。目前国际上己经用在水下机器人上的扇扫声纳主要分三大类:(1)单波束机械扫描声纳：它由机械旋转的单波束形成全方位或某固定扇面内的扫描来完成探测。结构简单，价格便宜，但成像速率较低；(2)多波束预成电子扫描声纳：具有较高的成像速度，但由于旁瓣的作用，图像质量略逊于单波束机械扫描声纳。(3)三维成像声纳：它能够获得距离、水平、垂直三维空间的目标信息。前两类声纳都只在距离和角度方向具有分辨能力，因而仅能获得目标的二维信息。
2.2水声图像处理技术
随着声纳技术成像和数字成像技术的发展，水声图像处理的研究也随之进入了新的阶段。其主要研究方向包括:(1)图像的增强：改善图像的视觉效果，加强图像的有用信息，削弱干扰和噪声；(2)图像的恢复：把退化模糊的图像复原；
(3)图像的编码：简化图像的表示，压缩表示图像的数据，以便于存储和传输。
(4)图像的重建：由二维图像重建三维图像；(5)图像的分析：对图像中的不同对象进行分割分类识别和描述解释等。
此外，声纳图像本身分辨率不高，噪声严重，也给水下目标探测带来了很大
的困难。因此在实际应用中，我们有必要寻找到适合水声图像物理背景的处理方法。近年来，国内外陆续开展了成像声纳的研制和水声图像处理的研究工作。水声图像处理的研究主要集中在侧扫声纳和扇扫声纳的单帧图像处理和序列图像处理方面。
(1)侧扫声纳图像处理
随着多波束高分辨率侧扫声纳技术的日趋成熟，国外己有侧扫声纳方面的产品问世。目前侧扫声纳图像处理应用的技术有阴影技术、纹理分析技术、数学形态学方法和神经网络分类技术等。
(2)扇扫声纳图像处理
随着声纳技术和信号处理技术的发展，扇扫声纳从早期的单波束机械扫描声纳发展到目前的预成多波束电子扫描声纳。这提高了成像速度和分辨率。目前己有扇扫声纳方面的产品问世，如SeaBat6012等。扇扫声纳图像的预处理通常采用光学图像处理技术，图像识别采用的方法有基于模板的投票法、神经网络分类技术和模板匹配技术等。
(3)声纳序列图像处理
与光学图像相比，声纳图像分辨率低，干扰强，仅凭一幅静止的图像往往很难准确地识别目标。时间序列图像较单帧图像能提供更多的信息，将更有利于目标的识别。因此，近年来人们开始把研究重点转移到了序列图像的处理方面。
2.3水下目标识别与跟踪
水下目标识别技术就是从水声信号中提取水下目标特性并对目标进行分类识别的技术。水下目标包括舰船、潜艇、水雷、鱼群、海底沉物、地貌底质等。水下目标识别一般要求回波信号符合大信噪比条件，分为瞬态回波信号识别和水声图像信号识别两种。前者用于识别航行舰艇，直接能对目标回波或目标噪声信号进行实时辨别，类似语音识别;后者多用于静态目标如海底沉船水雷和地层介质结构等识别。两者都是属于目标识别范畴，因此都要经过特征提取、分类判决等几个过程。其中关键的是目标声特征的描述和提取方法，它长期以来一直是水下目标特性研究的重点。早期的目标识别主要根据目标噪声或回波的波形音调、节奏分布特性。20世纪70年代后，目标回波的亮点分布结构起伏和展宽特性以及目标噪声的线谱分布特性均可作为目标的特征量。但由于目标本身以及声传输信
道的复杂性，目标特征量及其数量的选取问题还始终是有待解决的间题。80年代以来，目标识别技术广泛引入了近代信号处理技术，如高分辨谱估计、自适应滤波、时频分布、子波变换等，为目标特征量提取和数据压缩提供了方便，而且更接近于人类生理功能的人工神经网络分析将目标识别过程进一步智能化。
由于目前预成多波束高频声纳及高分辨率成像声纳的发展，使得用于水下目标自动识别系统的目标特征信息的提取技术得到发展，对声纳图像的自动解释一般可分为三个步骤:图像处理、特征提取及目标识别。为了适应水下机器人自动化的要求，水声图像的自动解释和目标检测显得尤为重要。
目标的检测与跟踪是基于对一个图像序列的研究，力图从复杂的背景中检测甚至辨认出运动目标，并且对目标运动的规律加以预测，实现对指定的目标进行准确且连续的跟踪。水下目标检测是实现水下机器人的避碰作业和目标跟踪作业的前提。而要完成水下目标的跟踪，则必须把不同时刻的声纳图像中的多个目标进行对应和套准，然后根据目标瞄准点进行跟踪，对目标进行运动估计。三．水下激光目标探测
1963年，人们在研究光波在海洋中的传播特性时，发现海水对0.47～O.58nm 波段内的蓝绿激光的衰减比对其他波段的衰减要小得多，从而证实了在海水中存在一个理想的透光窗口。这一物理现象的发现使激光水下探测成为可能。
3.1水下成像技术
光在水中传播．接收器接收的光信息主要由3部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束：光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光：目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光。与大气成像技术相比，水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对水下通信、成像、目标探测所造成的影响。目前主要有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果．它们的工作原理和技术特点如下所述。
(1)同步扫描成像：同步扫描技术是扫描光束(连续激光)和接收视线的同步．利用的是水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收。
(2)距离选通成像：距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机，以时间的先
后分开不同距离上的散射光和目标的反射光。使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。
(3)偏振光水下成像：偏振成像技术是利用物体的反射光和后向散射光的偏振特性的不同来改善成像的分辨率。激光波长与海水及海水中悬浮颗粒和有机物分子的尺寸相当。其相对折射率为1.00-1.15。一般遵从瑞利或米氏散射理论。根据散射理论，悬浮粒子后向散射的退偏振度小于物体后向散射光的退偏振度。如果在水下用偏振光源照明．则大部分后向散射光也将是偏振的。如果采用适当取向的检偏器对后向散射光加以抑制．从而可是图像对比度增强。
(4)水下激光三维成像：条纹管成像激光雷达可提供很好的三维信息。其原理是通过测量短脉冲激光在发射机与目标之间的往返时间，来还原出目标的距离像。目标的距离信息首先转换成为回波信号的时间信息。即回波的时间先后，然后又通过条纹管转换成为条纹像的空间信息。该技术使用脉冲激光发射器和时间分辨条纹管接收器。
3.2相关器件的发展
水下成像系统中的关键器件有两个：(1)高效率、高功率以及高脉冲频率的长寿命的激光器；(2)具备高速外触发功能、高分辨率、高灵敏度、低噪声、足够的增益动态范围的接收器。
(1)激光器：水下成像系统中可供选用在蓝绿光谱区域(450—550nm)发光的高效能激光器种类有很多。如通过倍频产生绿光的钕玻璃激光器和Nd：YAG激光器：通过喇曼下转换产生蓝绿光的氯化氙(XeCI)激光器和氟化氙激光器：直接输出蓝绿光的氩离子激光器、高脉冲能量染料激光器、铜蒸气激光器和溴化汞(HgBr)准分子激光器等，这些都有自己的优点和缺点。目前正在研究的是LD泵浦LiSAF 类激光器。LiSAF是一种迄今为止综合指标最好的可调谐激光材料。该激光器波长最佳又可调，易于与最理想的窄带滤波器铯原子滤波器匹配。并可适用于不同海区最佳透射波长的少量变化。与钛宝石系统相比．转换环节简化。效率提高，且体积、重量、能耗均有减少。另外，LD泵浦LiSAF类激光器可直接采用LD泵浦。可靠性提高。大大延长了使用寿命。
(2)接收器：目前水下成像系统使用的光电成像传感器主要有：高灵敏度CCD成像器件、微光ICCD成像器件、电子轰击CCD(EBCCD)成像器件、电子倍增CCD(EM-
CCD)成像器件。这几种器件相比较而言，CCD通常可用于水质较好、距离较近且成本较低的场合；而ICCD具有较高的灵敏度。且对激光器功率要求较低，在低光照条件下性能优于CCD。为应用最为广泛的一种。也是当前水下成像系统首选的光电接收器：电子轰击CCD(EBCCD)成像器件因器件不受微通道板和光纤面板的影响，具有很高的灵敏度和几乎无噪声的增益。但成本昂贵且器件的寿命较短：EMCCD除了与ICCD器件灵敏度相近外，还具有很高的信噪比以及比ICCD器件更好的空间分辨率，输出图像质量也更好。由于EMC-CD还处于开发阶段，目前还未能得到广泛应用。
水下无线传感器网络 摘要：水下无线传感器网络是一种包括声、磁场、静电场等的物理网络，它在海洋数据采集、污染预测、远洋开采、海洋监测等方面取得了广泛的应用，将在未来的海军作战中发挥重要的优势。描述了水下无线传感器网络的研究现状，给出了几种典型的水下无线传感器网络的体系结构，并针对水下应用的特点，分析了水下无线传感器网络设计中面临的节点定位、传感器网络能量、目标定位等诸多难题，最后根据应用需求提出了水下无线传感器网络研究的重点。 关键词：水下无线传感器网络；能量；定位 1．引言 水下无线传感器网络是使用飞行器、潜艇或水面舰将大量的(数量从几百到几千个)廉价微型传感器节点随机布放到感兴趣水域，节点通过水声无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给接收者。近年来，水下无线传感器网络技术在国内外受到普遍关注，正在被广泛用于海洋数据采集，污染预测，远洋开采，海难避免，海洋监测等。 水下无线传感器网络具有传统传感器技术无法比拟的优点[1]：传感器网络是由密集型、成本低、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃；分布节点的多角度和多方位的信息融合可以提高数据收集效率并获得更准确的信息；传感网络使用与目标近距离的传感器节
点，从而提高了接收信号的信噪比，因此能提高系统的检测性能；节点中多种传感器的混合应用使搜集到的信息更加全面地反映目标的特征，有利于提高系统定位跟踪的性能；传感器网络扩展了系统的空间和时间的覆盖能力；借助于个别具有移动能力的节点对网络的拓扑结构的调整能力可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。因此，传感器网络能够应用于恶劣的战场环境。在军事领域，通过多传感器系统的密切协调，形成空-舰-陆基传感器构成的多传感器互补监视网络，对目标进行捕获、跟踪和识别。 水下无线传感器网络由于其应用环境的特殊性，要考虑海水盐度、压力、洋流运动、海洋生物、声波衰减等对传感器网络的影响，使水下无线传感器网络的设计比陆地无线传感器网络更难，对硬件的要求更高。 2 水下无线传感器网络的研究现状 由于水下无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起世界许多国家军事部门的极大关注。水下传感器网络技术的发展甚至影响到海军军事战略的变革。由于水下传感器网络技术的发展，未来的海战可充分发挥近海空间优势。 最早开展水下无线传感器网络研究的国家是美国，早在上世纪50 年代，美国就在大西洋和太平洋中耗巨资建设庞大的水声监视系统(SOSUS)。近几年美国水下无线传感器网络的较大的项目有：1999~2004 年美国海军研究办公室的SeaWeb 计划；2004 年哈佛大学启动的CodeBlue 平台研究计划；坛上，披露了“近海水下持续监
水下目标搜索与识别技术 水下目标搜索与识别系统一般分为光视觉系统和声视觉系统，当距离物体十米以内，一般采用光视觉系统，当距离物体大于十米以上时则用声视觉系统。当前流行的趋势是采用激光的方式来进行目标搜索与识别。 一．光视觉系统 传统的光视觉系统包括水下摄像机、照明等设备用来满足获取光学图像和视频信息等基本的要求。而现在的光视觉系统不仅要求满足上述要求，还要求具备对图像和视频信息进行处理、特征提取以及分类识别的功能。总之，只能水下机器人中光视觉系统的使命是：快速、准确德获取水下目标的相关信息，并对信息进行实时处理，将处理结果反馈给计算机，从而指导机器人进行正确的作业。 1.光视觉系统框架 水下光视觉系统主要分为三大块：(1)底层模块:图像采集系统，包括专用水下CCD感光摄像头和图像采集卡，这部分属于硬件部分；(2)中层模块：图像处理，包括图像预处理、图像分割、特征提取、根据目标模型进行学习，形成知识库和逻辑推理机制，得到单幅图像的初步理解和评价。(3)高层模块：分类是水下目标识别最为核心的技术，也是最终实现部分。 1.1硬件组成 光视觉系统硬件包括光视觉计算机、水下CCD摄像头、云台和辅助照明灯。光视觉计算机完成视觉建模、高层视觉信息处理和理解、与机器人主控计算机的网络通讯，实时监控系统每个时间节拍的运行状态与处理参数。 1.2软件体系 水下光视觉系统的软件体系涵盖了两个部分：中层模块和高层模块。中层模块主要负责图像处理工作(图像处理一般包括图像预处理、图像分割和特征提取三方面)。高层模块是水下目标识别系统的最终实现部分，一般采用的是神经网络识别算法进行识别分类。 二．声视觉系统 理想的声视觉系统作为智能水下机器人的传感设备，应该具备灵敏度高、空间分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、自主调节和全天候作业等特点，能适合
水下磁异常探测
基于水下磁异常的潜艇探测技术 0引言 目前以声响讯号探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。但由于复杂的海洋环境，声纳探测的灵敏度受到一定的限制，同时，声纳探测还有自身的诸如“声影区”的局限，探测海洋中的运动物体（如潜艇）和海洋资源，非声探测技术将发挥重要的作用，其中水下磁场探测技术是一种基于磁异信号的目标探测技术，是近年来随着磁传感器的测量精度不断提高而新兴的一种目标磁探测技术。虽然电磁波在水中衰减的速率非常的高，但随着减声降噪技术的发展，磁测量定位可以准确地推算出磁体与探头之间的相对位置，获得磁体在不同的位置下准确的磁场信息，磁探测技术被广泛地应用于军事设施上可以定位侵入防护区域的磁性目标（坦克，潜水艇，导弹等）的探测。因此，开展水下目标磁探测研究，根据水下大型目标磁场的远场分布特征，建立目标磁场分布的探测模型，对水下大型目标进行远程探测，迅速准确地判断出目标物的类型，并进一步对其进行定向与定位，已成为在现代海战中取得决胜的关键性因素。 1水下目标磁异常探测原理 磁探测技术是各种非声探测中发展较早、技术较成熟的一种探测方法，与声纳技术相比具有识别能力高、运行时间短、定位精度高及成本低等优点。海洋磁探测是搜索水下磁性体最有效的手段之一，这些磁性体产生的感应磁场叠加在海洋磁背景场之上，会导致海洋磁背景场明显畸变，会改变所在位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号，通过测试和处理磁异信号，可以得到反映磁性目标的探测信息，其物理基础为：含有铁磁性物质的物体会改变所在位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号，其原理如图1所示。 图 1 磁异常现象示意图 可见基于磁异信号的目标磁探测技术与磁异常场和地磁场有关。对磁性目标的探测信息的提取都是通过对磁异信号的测量，从地磁场（近似均匀场）为背景中提取出来的。
一、水下探测技术发展现状 光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3 部分组成：从目标反射回来并经水介质光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3 部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束；光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光；目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光。与大气成像技术相比，水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对水下通信、成像、目标探测所造成的影响。目前主要有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果，它们的工作原理和技术特点如下所述。 1 同步扫描成像 同步扫描技术是扫描光束(连续激光)和接收视线的同步，利用的是水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收。如图1，激光扫描装置器使用窄光束的连续激光器, 同时使用窄视场角的接收器, 探测器与激光扫描装置分开放置，这样使得被照明水体和接收器视场的交迭区域尽量减少, 从而让后向散射光尽量少地进入接收器中,再利用同步扫描技术, 逐个像素点探测来重建图像，有效地提高成像的信噪比和作用距离。 美国Westinghouse 公司为美国海军生产的一种机械同步扫描SM2000 型水下激光成像系统, 其成像距离是普通水下摄像机的3 ～5 倍，有效视场可达70°，在30m 作用距离上可分辨25mm
量级的图像。该系统的有效视场大约为距离选通技术的5 倍, 成像质量(即分辨率)也比距离选通好。 图1： 2、距离选通技术 距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。如图2，采用脉冲激光源照明目标，接收端使用距离选通门，在照射的短脉宽激光的光从目标返回前，相机快门一直关闭，信号光抵达时，快门才打开，这样使得接收器几乎同时接收到整个视场内所有景物的反射光。在该系统中, 非常短的激光脉冲照射目标物体，照相机快门打开的时间相对于照射目标的激光发射时间有一定的延迟, 并且快门打开的时间很短, 在这段时间内, 探测器接收从目标返回的光束, 从而排除了大部分的后向散射光。 此种方法对解决由海水中的悬浮颗粒引起的后向散射问题很有力。系统的距离分辨率由激光脉冲宽度和探测器选通门宽度决定，宽
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910148370.2 (22)申请日 2019.02.28 (71)申请人 中国计量大学 地址 310018 浙江省杭州市江干区下沙高 教园区学源街258号中国计量大学 (72)发明人 严永强 金怀洲 金尚忠 徐睿 石岩 赵天琦 袁骁霖 周亚东 赵春柳 (51)Int.Cl. G01S 15/02(2006.01) G01S 15/89(2006.01) G06K 9/00(2006.01) G06K 9/32(2006.01) G06T 7/70(2017.01) (54)发明名称 一种特定水下目标自动搜索定位的方法 (57)摘要 本发明公开了一种特定水下目标自动搜索 定位的方法，通过将自主水下潜航器AUV作为可 移动的声纳信号接收换能器阵列，使得水底声纳 图像采集更加便捷高效全面，采用EKF -SLAM算法 和芯片级原子钟CSAC提高自主水下潜航器的定 位精度，应用机器学习形成特定水下目标的光学 和声学图像数据特征集，在自主水下潜航器AUV 进行特征识别后对可能的目标数据回传母船进 行人为二次判别， 大大提高了目标搜索的效率。权利要求书2页 说明书8页 附图3页CN 109856638 A 2019.06.07 C N 109856638 A
权 利 要 求 书1/2页CN 109856638 A 1.一种特定水下目标自动搜索定位的方法，该方法包括： S0:特定水下目标自动搜索定位系统构成包括母船、浮标和自主水下潜航器AUV； S1:获取特定水下目标的光学和声学图像特征数据集，并存储于自主水下潜航器AUV 中； S2:目标水下区域的海底声纳图像的获取； S3:对所述海底声纳图像进行分析，选定特定水下目标潜在区域； S4:将母船，浮标和自主水下潜航器AUV进行时钟同步，投放自主水下潜航器AUV对所述特定水下目标潜在区域按照程序规划路线进行自主搜索； S5:对AUV回传的数据信息进行分析，判别后确定特定水下目标位置。 2.根据权利要求1所述的一种特定水下目标自动搜索定位的方法，其特征在于：所述的浮标的功能模块包括： 水下通信模块，包括发射换能器，接收换能器，声波调制解调器； 水上通信模块，用于浮标之间信号中转或浮标与母船之间的通讯； GPS模块，用于浮标的准确定位； 芯片级原子钟CSAC时钟，由芯片原子钟集成，用于时钟同步和提高自主水下潜航器AUV 的定位精度； 能源模块：包括太阳能电池板、蓄电池和可拆卸的与母船相连接的供电电缆。 3.根据权利要求1所述的一种特定水下目标自动搜索定位的方法，其特征在于：所述的自主水下潜航器AUV功能模块包括 水下通信模块，包括发射换能器，接收换能器，声波调制解调器； 水上通信模块，用于自主水下潜航器AUV之间信号中转或自主水下潜航器AUV与母船或浮标之间的通讯； GPS模块，用于自主水下潜航器AUV的准确定位； 芯片级原子钟CSAC时钟，由芯片原子钟集成，用于时钟同步和提高自主水下潜航器AUV 的定位精度； 惯性成像模块，包括多普勒速度仪DVL，光纤陀螺仪FOG，深度计，用于测量自主水下潜航器AUV各项运动参数，提高自主水下潜航器AUV的定位精度； 光学成像模块，包括高清水下摄像机，用于采集图像后用于目标特征判别和回传母船人为二次判定； 声学成像模块，包括主动前视成像声纳，用于形成水下目标物的声纳图像进行目标特征判别和自主水下潜航器AUV定位。 4.根据权利要求1所述的一种特定水下目标自动搜索定位的方法，其特征在于：S1所述的特定水下目标的光学和声学图像特征数据集的获取，具体方法为，在模拟环境下采集特定水下目标的光学和声学数据，通过机器学习神经网络训练形成特征数据集，或者采用已有的相似的特征数据集。 5.根据权利要求1所述的一种特定水下目标自动搜索定位的方法，其特征在于：S2所述的目标水下区域的水下声纳图像的获取，具体方法为：装有大功率声纳设备的母船向水下发射调制声纳信号，自主水下潜航器AUV作为可移动的换能器阵列，对反射的声波信号进行分布式采集，经过数据处理后形成声纳图像。 2
水下图像目标识别的预处理综述 【摘要】图像预处理是对水下图像目标识别处理的一项关键技术，也是一项经典难题。文章分析归纳了基本的预处理技术，以及目标识别方法和应用，提出了一些发展思路和要点。【关键词】目标识别；水下图像；预处理 0、引言 自主式水下机器人（AUV-Autonomous Underwater Vehicle，本文简称水下机器人）是新一代水下机器人，由于其在军事和商业上的重要应用价值和在高技术运用上面临的众多挑战，它越来越多的受到军事工程师和技术人员的重视，并进行了大量的研究与试验工作。在军用领域则可用于侦察、布雷、灭雷和援潜救生等；在民用领域，它可应用于数据收集，海底头探测，海底考察，管道铺设，水下设备的维护与维修等。鉴于水下机器人的诸多重要的应用领域，其视觉分辨能力又是其执行各种任务，获取水下信息的重要途径，所以对水下机器人的图像采集，水下目标的图像处理与识别就显得越来越重要，是水下机器人能够正常工作的不可或缺的技术保障。 水下图像采集的复杂性： 1、江、河、海洋等水体环境复杂。水体流动噪声的波纹、浮游生物以及水中微粒等都会造成成像背景不单一，总会有噪声出现。 2、光源不稳定。入射到摄像头里面的光会因不同类型的物体在水下反射在水下的反射程度不同而不均匀。 3、所采集到的图像是三维景物的二维投影，所以一幅图像本身不具备完全复现三维景物的全部几何信息的能力，造成空间几何失真。 总之，水下目标识别是目前智能机器人技术发展的关键能力之一，既要发挥光学成像技术的分别率高的优势，又要克服噪声相对复杂的一些技术难点。 在对国内外大量的相关文献进行查阅的基础上，进行归纳总结发现近些年的水下目标识别主要采取的方法有以下几个方面：（1）数理统计方法的应用；（2）神经网络方法的应用；（3）数学形态学的处理与识别方法；（4）声图像的阴影暗区方法的应用；（5）Markov 随机场模型理论应用到识别领域。 一般来说，目标识别是在对图像目标进行预处理之后，选取一定的特征量加以识别和分类，然后输出结果。
基于水下磁异常的潜艇探测技术 0引言 目前以声响讯号探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。但由于复杂的海洋环境，声纳探测的灵敏度受到一定的限制，同时，声纳探测还有自身的诸如“声影区”的局限，探测海洋中的运动物体（如潜艇）和海洋资源，非声探测技术将发挥重要的作用，其中水下磁场探测技术是一种基于磁异信号的目标探测技术，是近年来随着磁传感器的测量精度不断提高而新兴的一种目标磁探测技术。虽然电磁波在水中衰减的速率非常的高，但随着减声降噪技术的发展，磁测量定位可以准确地推算出磁体与探头之间的相对位置，获得磁体在不同的位置下准确的磁场信息，磁探测技术被广泛地应用于军事设施上可以定位侵入防护区域的磁性目标（坦克，潜水艇，导弹等）的探测。因此，开展水下目标磁探测研究，根据水下大型目标磁场的远场分布特征，建立目标磁场分布的探测模型，对水下大型目标进行远程探测，迅速准确地判断出目标物的类型，并进一步对其进行定向与定位，已成为在现代海战中取得决胜的关键性因素。 1水下目标磁异常探测原理 磁探测技术是各种非声探测中发展较早、技术较成熟的一种探测方法，与声纳技术相比具有识别能力高、运行时间短、定位精度高及成本低等优点。海洋磁探测是搜索水下磁性体最有效的手段之一，这些磁性体产生的感应磁场叠加在海洋磁背景场之上，会导致海洋磁背景场明显畸变，会改变所在位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号，通过测试和处理磁异信号，可以得到反映磁性目标的探测信息，其物理基础为：含有铁磁性物质的物体会改变所在位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号，其原理如图1所示。 图 1 磁异常现象示意图 可见基于磁异信号的目标磁探测技术与磁异常场和地磁场有关。对磁性目标的探测信息的提取都是通过对磁异信号的测量，从地磁场（近似均匀场）为背景中提取出来的。 2水下磁异常探测研究现状 2.1潜艇磁场模型建立 分析目标的磁特性可以使磁异常探测系统准确确定目标，根据磁场来源可将用于水下目标探测的电磁场主要有四种：第一种是水下潜艇一般都是由不同金属构成的，不同金属之间会产生电化学腐蚀电流从而产生的感应电磁场，还有就是为了防止海水腐蚀金属，外加电流
水下光学图像中目标探测关键技术研究综述 一、引言 近年来，海洋信息处理技术蓬勃发展，水下目标探测技术的应用也日益广泛，涉及海底光缆的铺设、水下石油平台的建立与维修、海底沉船的打捞、海洋生态系统的研究等领域。水下光学图像分辨率较高，信息量较为丰富，在短距离的水下目标探测任务中具有突出优势。然而，由于受水下特殊成像环境的限制，水下图像往往存在噪声干扰多、纹理特征模糊、对比度低及颜色失真等诸多问题。因此，水下目标探测任务面临诸多挑战，如何在图像可视性较差的情况下，精确、快速、稳定地检测识别和跟踪水下目标物体是亟待解决的问题。 根据水下目标探测任务的执行步骤，将基于光学图像的水下目标探测关键技术分为图像预处理和目标探测两部分。其中，水下目标探测特指水下目标检测、识别与跟踪。近年来，国内外研究人员对基于光学图像的水下目标探测关键技术进行了大量研究，水下目标探测技术取得了迅速发展，一些研究人员总结了关键技术的发展现状。Sahu等总结了一系列水下图像增强算法，Han等对水下图像智能去雾和色彩还原算法进行了综述，Kaeli等概述了一组用于水下图像颜色校正改进的算法，郭继昌等对水下图像增强和复原算法进行了
系统归纳并通过实验对比了不同算法，Moniruzzaman等梳理了近年来深度学习在水下图像分析中的应用。然而，这些综述仅总结了水下目标探测某一关键技术的研究成果，目前仍缺少对水下目标探测关键技术的系统概述。 本文从水下图像预处理和水下目标检测、识别、跟踪技术入手，详细归纳了水下目标探测关键技术的研究现状。根据是否需要构建模型，将水下图像预处理分为图像增强和图像复原，并重点分析了水下图像增强的各类方法（基于直方图处理、基于Retinex理论、基于图像融合和基于深度学习的方法）的优缺点。由于水下目标跟踪技术的相关研究论文较少，本文主要从传统方法和深度学习两个角度讨论了水下目标检测与识别相关算法，并简要介绍了常用的水下图像数据集。在上述基础上指出了水下光学图像中的目标探测技术亟待解决的问题，讨论了解决思路和进一步发展方向。 二、水下图像预处理 与大气光学成像技术相比，水下光学成像技术深受水体光吸收和散射的影响，可见光在水体中传播的波长依赖性使得水下图像呈现蓝绿色调，水体中的杂质微粒对光的散射导致图像细节模糊以及表面雾化。为解决上述问题，研究人员提出了大量水下图像预处理算法，分为基于非物理模型的图像增强方法和基于物理模型的复原方法。
Technology Analysis 技术分析DCW 111数字通信世界2019.04（接上页）视，并采取相应有力措施加以解决，以促进高速公路 机电通信新技术的应用，为高速公路的发展提供更多通信技术支 持。 参考文献[1] 黄冠群.高速公路机电系统的维护与管理[J].科技创新与应用，2014，15（06）：199.[2] 王小利.高速公路机电工程通信系统技术浅述[J].工程技术，2017，4（下）：977. 1 研究背景 一般来说，水下目标情况复杂，我们研究的方向主要包括包 括舰船、潜艇、水雷、鱼群、海底沉物、地貌底质等。水下目标识别是实现水声装备与武器系统智能化的关键技术，更是现代信 息化条件下克敌制胜的前提，一直是各国海防领域面临的技术难 题。在20世纪40年代，世界各主要国家就已开始重视水下目标 识别技术，鉴于水下目标识别领域具有复杂性和特殊性，导致 该技术研究进展一直较为缓慢。近年来，尤其是军事应用方面， 低噪声核潜艇的出现对水下目标特征分析和识别技术的需求愈 加强烈。同时，新兴的信息处理技术、微处理器技术、VLSI 和 VHSIC 技术也取得了重大进展。正是基于军事需求和新兴电子技术的推动下，数值计算和实验室仿真技术日趋成熟，水下目标 识别技术迅速发展起来。 2 识别技术的发展 水下目标识别根据回波信号符合大信噪比条件，一般分为瞬态回波信号识别和水声图像信号识别两种。前者主要用于识别航 行舰艇，直接对目标回波或噪声信号进行实时辨别；后者多用于 静态目标，如海底沉淀物、地质结构等识别。早期的目标识别技 术，目标判断主要依据目标噪声或回波的波形音调、节奏分布特 性进行识别。随着研究技术和设备的发展，上个世纪七十年代后，目标回波的亮点分布结构起伏和展宽特性以及目标噪声的线谱分 布特性均已作为目标的特征量。但由于目标本身以及声传输信道 的复杂性，目标特征量及其数量的选取问题还是没有得到有效解 决。八十年代以来，目标识别技术广泛引入了近代信号处理技术，仪器设备研制和测量水平得到大幅提升，这为水下目标特征量提 取和数据收集提供了便利条件，与此同时，人工神经网络分析将 目标识别过程进一步智能化。 在全球电子化、智能化手段的快速发展和广泛应用下，各国 在水下目标识别的多个领域实现了突破。一是日本东京大学和美 国RESON 公司从2010年起联合开发应用于浅海及沿岸港口的自 动声纳目标探测跟踪系统。此系统能在低信噪比情况下，有效跟 踪探测水下运动目标。并在此基础上，使用干涉仪测量法计算相 位差场，这样就能够有效抑制噪声混响及静止假目标的干扰，从而提高识别率。二是美国爱荷华大学2013年深入研究了非稳态干扰下主动声纳目标探测及分类，并提出自适应子空间跟踪算法，在时频区域对目标回波进行动态监测，结果表明此算法能够有效抑制杂波对目标回波的干扰。三是欧美各国均建立了蛙人散射模型，进行水下小目标探测识别研究。通过实验，仿真分析了蛙人的目标强度，并开展水池试验，测量了蛙人呼吸气瓶的目标强度， 海上试验测量了蛙人目标强度。据公开资料显示，蛙人探测声纳（DDS ）的性能描述，几乎所有的蛙人探测声纳均称实现了目标 识别和预警。四是2013年，美国海洋SPAWAR 系统中心海洋系统太平洋分部，应用多普勒方位测定法对多基地连续主动声纳目标进行跟踪。在多收发装置情况下，以此方法对目标进行有效定位和跟踪，取得良好效果。在先进发达国家的推动下，目标特性试验数据资源建设较为完善。俄罗斯、美国、英国在多年前就建立了大西洋海上试验场、DERA 测试场、活动式试验场及靶场，收集并整理了大量本国和盟约国及世界各国的舰艇目标特征数据资源，并对这些数据资源进行了对比分析、深层次挖掘，形成以特征库数据为基准的探测、识别体系。据了解，美俄等军事大国，每艘潜艇上都具有相应数据库，库中记载着各种舰艇、水中兵器的数据库及特征知识库，从而为作战中指挥官的准确判断提供数据支撑。 3 未来发展趋势随着吸声和隔声材料工艺提高、发动机减振降噪技术提升、仿生技术发展、干扰器种类多样化以及安静级潜艇应用给复杂的水下目标探测提出更高要求，识别与反识别技术出现了激烈碰撞。同时，水下目标识别技术和途径也逐渐多样化，己从单一源目标 提高到系统综合识别。据研究发现，现代激光技术可以作为水下目标识别系统的补充，尤其是在浅水区域、环境复杂的海洋区域、不易接近的区域等，使用激光可以快速探测和识别。机载激光扫描系统可以快速部署，用于探测水下目标或水面浮动目标。如果 目标足够大，机载激光扫描还可识别不同类型的目标，在这种情况下，在水面平台或水下平台上部署激光门控视图（LGV ）、水下激光扫描（ULS ）系统，可以确认目标。可以预见，未来的发展方向主要是非声探测、多传感器信息融合和智能目标识别等。人工智能技术与水声目标识别有机结合将是今后水下目标识别研究的重要方向。 参考文献[1] 丁玉薇.被动声呐目标识别技术的现状与发展[J].声学技术，2004，23（4）.[2] 强超超 王元斌.水声目标识别技术现状与发展[J].指挥信息系统与技术，2018，9（2）. [3] 徐慧.水声目标被动识别相关技术研究[D].武汉：中国舰船研究院，2017[4] 柳革命，孙超，杨益新.基于特征融合的被动声呐目标识别[J].计算机仿真，2009，26（8）.水下目标识别技术探究 刘梦琪 （哈尔滨工程大学水声学院，哈尔滨 150000） 摘要：水下目标识别就是从水声信号中提取水下目标特性并做出识别，确定出目标的本质属性，进而采取有效应对措施。在军事方面，水下目标识别是世界各国海防情报处理的重要组成，是武器分配、反潜和鱼雷防御的前提；在民用方面，水下目标识别是现代化海洋开发利用的重要基础。因此，开展水下目标识别研究在国家安全、海洋应用等方面意义重大。 关键词：水声目标；技术发展；综合识别 doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.04.081 中图分类号：TP391.4 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）04-0111-01
水面舰船目标检测识别系统设计 本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！ 在我国近海岸输油、气管道常常会因为不明船只在附近施工、作业或抛锚等危险行为而造成破坏，为了更好的保护海底管道，因而需要在沿管道附近的水域建立一套安防系统，检测过往船只航行状态，对危险目标进行实时预警，并把报警信息实时传送给上位机系统进行处理，以便安防管理人员快速响应报警情况，从而有效保护海底管道的安全。目前，国内外有许多使用图像和视频的方法来检测舰船，但在功耗、硬件实现等方面受到制约。 鉴于此，通过结合水声技术，提出了采用水声与雷达、视频联合自动监测方案，利用水声被动测量可长期工作的特点，实现对海管沿线水面、水下目标的前期声学预警，再利用岸基雷达的短期主动扫描，获取水面可疑目标的准确参数，而视频监测设备则用于雷达近端监测盲区的补充测量，以实现对海底管道附近水域进行全天候无死角的全方位监测。 文中主要论述水声监测分系统的信号处理软硬件设计，即基于浮标的海上舰船目标预警系统设计。其
主要功能包括：实现海上目标声学监测和自动识别，判断目标有无及目标状态;根据船只航行和作业等不同的频谱特性判断监测点附近是否有船只长时间停留或作业等危险存在;如有危险存在，通过北斗数据传输设备向指控中心机房传送报警信息。此外该预警系统还具有位置、电池电压等信息读取和发送功能以及对北斗模块的控制功能。舰船目标检测及识别分系统结合其它的监测系统，可有效降低海管被外部不明船只在附近施工、作业或抛锚等危险行为造成破坏的风险，具有明显的经济效益和社会意义。 1 系统总体设计 舰船目标检测及识别系统的设计思想是由浮标系统阵来完成对目标信号的初步监测，并将结果以无线通信的方式上传至岸基显控系统，岸基系统对结果进行评估，以决定是否开启雷达扫描。 系统工作原理为：首先在海上沿管道走向布放浮标阵，每个浮标上安装水听器，通过将水听器接收到的声信号传送到信号处理系统(模拟和数字)处理，实现对目标信号的检测和识别，当发现危险目标时通过北斗模块上传报警信息。整个系统由基阵、浮标系统、显控系统3 部分组成。 2 系统硬件设计
声波在水中的传播特性和水中目标探测的研究 姓名：刘乂爻天单位：南京理工大学紫金学院 摘要： 1912年4月19日，英国刚刚研制成功的一艘14000吨级的新邮轮“巨人号”，在加拿大纽芬兰岛南部海域被一座浮动冰山撞沉。结果1500余人遇难。在第一次世界大战期间，德国人利用新发明的U型潜艇，击沉了大量协约国的军舰和商船。两件重大事件促使科学家、发明家对声纳的研制和改进加快了进程。声纳的用途十分广泛。在军舰、潜艇、反潜飞机上安装声纳之后，可以准确确定敌方舰艇、鱼雷和水雷的方位。同时，它还能区别前方的目标是鲸鱼还是潜艇，是敌方潜艇还是我方潜艇呢。在民用方面，可以使轮船在黑夜和雾天航行时及时发现前方的船只或暗礁；可以告诉渔民哪儿有鱼群；还可以用来研究海洋地质，搜寻海下沉船，进行水下通信联系等等。 关键词：声纳组成和工作原理简史现状发展趋势 英文翻译： Acoustic wave propagation in the water and the water target detection research Name: Liu Yi Yao Tian Units: College of Nanjing University of Technology and Engineering Zijin Abstract: April 19, 1912, the United Kingdom has just been successfully developed a new 14,000-ton cruise "giant" in the southern island of Newfoundland, Canada, was a sea of floating iceberg sank. Results More than 1,500 people died. During the First World War, the German use of the new invention of the U-shaped submarine to sink a lot of Xiediguo warships and merchant ships. Two major events prompted scientists, inventors of the sonar in the development and expedite the process of improving. Sonar uses very wide-ranging. In warships, submarines, anti-submarine sonar installed on the aircraft, can be accurately determined enemy ships, torpedoes and mines position. At the same time, it can also distinguish between the target is a whale in front of the submarine or is our enemy submarines or submarine it. In the civil context, will enable vessels navigating in the darkness and fog at the time found in front of the vessel or reefs; can tell fishermen where there are fish, but also can be used to study the marine geology and search under the sea shipwrecks, underwater communication links etc.. Key words: sonar composition and working principle history Status Quo Development Trend 正文： 作为弹性波的声波在水中传播具有损耗小、传播距离较远的优点，所以声纳已成为海洋开发和研究中不可缺少和行之有效的探测设备．但根据海洋声学的基本特性，海水中声波的传播速度受海水的温度、
水下磁异常探测 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
基于水下磁异常的潜艇探测技术 0引言 目前以声响讯号探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。但由于复杂的海洋环境，声纳探测的灵敏度受到一定的限制，同时，声纳探测还有自身的诸如“声影区”的局限，探测海洋中的运动物体（如潜艇）和海洋资源，非声探测技术将发挥重要的作用，其中水下磁场探测技术是一种基于磁异信号的目标探测技术，是近年来随着磁传感器的测量精度不断提高而新兴的一种目标磁探测技术。虽然电磁波在水中衰减的速率非常的高，但随着减声降噪技术的发展，磁测量定位可以准确地推算出磁体与探头之间的相对位置，获得磁体在不同的位置下准确的磁场信息，磁探测技术被广泛地应用于军事设施上可以定位侵入防护区域的磁性目标（坦克，潜水艇，导弹等）的探测。因此，开展水下目标磁探测研究，根据水下大型目标磁场的远场分布特征，建立目标磁场分布的探测模型，对水下大型目标进行远程探测，迅速准确地判断出目标物的类型，并进一步对其进行定向与定位，已成为在现代海战中取得决胜的关键性因素。 1水下目标磁异常探测原理 磁探测技术是各种非声探测中发展较早、技术较成熟的一种探测方法，与声纳技术相比具有识别能力高、运行时间短、定位精度高及成本低等优点。海洋磁探测是搜索水下磁性体最有效的手段之一，这些磁性体产生的感应磁场叠加在海洋磁背景场之上，会导致海洋磁背景场明显
畸变，会改变所在位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号，通过测试和处理磁异信号，可以得到反映磁性目标的探测信息，其物理基础为：含有铁磁性物质的物体会改变所在位置周围空间的地磁场分布，从而产生磁场异常信号，其原理如图1所示。 图 1 磁异常现象示意图 可见基于磁异信号的目标磁探测技术与磁异常场和地磁场有关。对磁性目标的探测信息的提取都是通过对磁异信号的测量，从地磁场（近似均匀场）为背景中提取出来的。 2水下磁异常探测研究现状 2.1潜艇磁场模型建立 分析目标的磁特性可以使磁异常探测系统准确确定目标，根据磁场来源可将用于水下目标探测的电磁场主要有四种：第一种是水下潜艇一般都是由不同金属构成的，不同金属之间会产生电化学腐蚀电流从而产生的感应电磁场，还有就是为了防止海水腐蚀金属，外加电流阴极保护系统(ICCP)产生的电磁场(CRE和CRM)；第二种是螺旋桨扰动腐蚀相关产生的轴频电磁场；第三种是舰船各种机电设备泄漏到海水中的电流产生的工频电磁场；第四种是水下目标的铁磁性金属结构的剩磁场和感应磁场。合理的建立目标模型可以从其磁感应磁场的分布特征判断出目标类型、大小以及位置。 目前潜艇磁场建模主要有两个方法：第一种是根据阴极保护系统参数计算出潜艇表面的电势分布，另一种方法就是利用电偶极子阵列和观