舰船检测

舰船检测（共10篇）

舰船检测 篇1

0 引言

舰船目标的检测与监视,对于确保取得海上军事行动的成功起到重要作用,更加关系到国家的安全和发展利益[1]。现有的舰船检测方法主要有阈值法、形态学对比度法[2]、Gabor滤波法[3,4]和基于特征的方法等等。形态学对比度法借助形态学滤波实现检测;Gabor滤波法通过模拟人眼的视觉特性对图像进行处理,能够有效抑制复杂海况背景和增强黑极性目标,具有较高的检测率和较强的鲁棒性。但受海浪、岛屿、光照和舰船材料等多方面因素的影响,图像中背景和目标复杂多样,使得上述方法的检测效率和检测精度下降,严重影响情报工作的开展[5]。为快速稳定地从海洋背景中检测目标,本文从基于视觉显著图的目标定位入手,对舰船进行精细检测与分割,能够在提高检测效率的同时更好地保留目标形状,从而有效地实现舰船目标的快速精确检测。

1 基于视觉显著图定位与超像素分割的舰船快速精细检测

为快速有效地从图像中检测出候选目标,首先对其进行定位。根据人眼视觉注意机制[6]的迅速聚焦能力,提出一种基于局部与全局整合的视觉显著模型,利用舰船目标与海洋背景在颜色、亮度、纹理、梯度等显著特征上的差异,度量并整合各特征的局部与全局显著性,再利用提出的强度对比法将各显著图加权融合,以便生成针对舰船目标的显著图,最后通过区域提取方法将显著区域提取出来,得到目标切片;为准确提取出目标区域,利用改进的均值聚类法将目标切片分割为超像素集合;最后通过融合显著图和超像素分割结果,筛选属于目标的超像素来实现精细分割,得到舰船目标区域。具体包括视觉显著图定位、超像素分割和目标精细分割三个步骤,如图1 所示。

1.1 视觉显著图定位

基于局部与全局整合的视觉显著模型框架如图2 所示,具体包括显著特征提取、显著性度量和显著图融合三个步骤。

1.1.1 显著特征提取

经典的ITTI模型[7]提取图像中的颜色、亮度和方向三类特征来描述显著区域,但提取方向特征计算量大且无针对性的方向搜索会影响检测结果的精准程度。考虑到舰船目标的亮度通常与周围有一定差异,即图像上灰度的不平滑过渡,因此本文引入梯度特征来描述舰船目标的显著性。

1) 颜色与亮度特征提取。若图像是灰度图像,可以直接将图像I作为亮度特征图L,且后续的特征提取都在L上进行。若图像是彩色的,则通过式(1)计算其亮度特征图

其中R、G、B分别代表RGB颜色空间中的红、绿、蓝三个分量。

对于彩色图像,还需提取其颜色特征。由于RGB空间中各分量的相关性较大,为减少冗余,本文选用Lab颜色空间的三个分量组成特征向量作为颜色特征,则有Lcolor={l ,a,b}。

2) 梯度特征提取。常用的梯度算子对噪声敏感,并常常在提取梯度特征的同时加强噪声。而形态学梯度对噪声敏感度低,能得到较好的提取效果,定义式:

式中:f为原始图像,g为结构元素,f ⊕ g、fΘg表示对图像进行膨胀、腐蚀运算。

为充分考虑舰船目标的尺度特征,本文利用大、小结构元素的各自优点,计算多尺度形态学梯度。设Bi(1≤i ≤n)表示尺寸为(2i-1)×(2i-1)的结构元素,则多尺度梯度为

文中取4 个由小到大的结构元素,n=4 时能保证强化目标的边缘,并刚好弱化目标的内部结构,避免了内部特征对检测的影响。利用单尺度和多尺度梯度共同描述图像的梯度特征,能够在锁定舰船目标边界的同时突显舰船目标区域。

3) 纹理特征提取。对图像L进行离散矩变换,得到纹理特征图。设窗体大小为2k+1,则图像L中每个像素(x,y)的离散矩变换可以表示为

式中:(p,q)=0,1,2,…。p,q的偶奇、奇偶和奇奇组合分别反映了垂直、水平和全局方向上对亮度的响应,为减少计算量,文中仅计算T0,1,T1,0,T1,1。为统一符号,用F11代表亮度特征图,用Fcolor代表颜色特征向量,用F2j(j=1,2)代表单尺度和多尺度梯度特征图,用F3j(j=1,2,3)代表纹理特征图。

1.1.2 视觉显著性度量

视觉显著性度量是引导视觉注意的最常用方法,即特征图变换为显著图的过程。为充分利用遥感图像的信息优势,更好的度量图像的显著性,本文提出将局部显著度和全局显著度融合得到总的视觉显著度,以此来刻画图像中目标的显著程度。对于灰度图像,采用本文方法度量其显著性;而对于彩色图像,采用HC方法[8]度量其颜色显著性,再采用本文方法度量其它特征的显著性,最后将两者整合构成最终显著图。

1) 局部显著性度量。经典的ITTI模型通过多尺度图像的差值来凸显区域的局部显著性,但由于采用降采样处理,使得检测结果块状效应严重,不能准确的刻画目标且耗时较多。因此,本文用式(5)代替降采样来度量局部显著性,既保留了目标细节又降低了计算复杂度。

其中:AC( Fij)为图像的平均像素值,Fij为第i类第j幅特征图,Jij表示第i类第j幅局部显著图,FM(x ,y)为图像Fij的中值滤波结果,借以凸显小目标,并抑制背景噪声。

2) 全局显著性度量。通过统计像素相对于整幅图像的特征差异,来进行全局显著性度量。本文采用文献[9]的方法计算全局显著性,公式如下:

其中:Qij为得到的第i类第j幅全局显著图,r和c分别为Qij的行数和列数,HQij为Qij的直方图,Vmin和Vmax分别为Qij的最小值和最大值。

1.1.3 特征整合

1) 特征权值的计算。针对常用的特征整合法[10]没有考虑各特征对最终显著图贡献程度的问题,提出利用特征图中显著区与非显著区的显著强度比值作为该特征图的权重系数进行整合,本文称之为强度对比法(IC)。首先,利用Otsu法对每个特征图进行显著区域分割,得到许多独立的显著连通区域RT(R1T,R2T,…,RmT)和非显著连通区域RD(R1D,R2D,…,RnD)。然后分别计算显著和非显著区域的显著强度值,得到局部显著值总量Sik和平均强度系数Iik,进而得到属于该特征图的强度值Ck。

其中:Aik为区域Rik的面积,sk(x,y)为给定显著图点(x,y)的显著值。最后,将显著区域与非显著区域的显著强度值之比作为该显著图的权重值w=CT/ CD。

2) 合成显著图。首先计算除颜色特征外第i类特征对应的显著图Si。对于每类特征,先通过算子N(⋅)[9]将局部与全局显著图融合并归一化,再对处理后的显著图进行加权合并,得到显著图Si:

其中:wij为第i类第j幅显著图对应的权值系数,Skij为Fij对应的第k类显著图:k=1 时,Ski j=JSij;k=2时,Skij=QSij。FNumi为第i类特征的特征图数目,FNum1=l,FNum2=2,FNum3=3。

在得到各类特征对应的显著图Si后,计算它们在总特征图中的权重系数Wi。根据得到的权重将各特征显著图进行加权组合,最终得到一幅总显著图S,计算公式如下:

对于彩色图像,还需要加入颜色特征图Scolor,则式(11)变为

1.1.4 显著区域提取

对于得到的显著图,采用Otsu方法将其提取出来,显著值大于阈值的部分置为“1”;反之,置为“0”。阈值处理后的图像,会存在一些孔洞,采用形态学运算或区域填充方法去除。对得到的区域进行统计,以区域为中心,根据区域的长宽信息建立候选目标切片,以便进行下一步工作。

1.2 超像素分割

超像素分割[11]就是利用中层视觉特征对图像进行过分割方法的过程。本文将超像素与视觉显著图结合,利用目标的显著信息实现对复杂性目标的描述。Achanta等人提出的简单线性迭代算法[12]采用均值聚类获取超像素,以其快速的运算速度,灵活的实用性和出色的分割效果广泛应用于图像分割领域。本文在其基础上进行改进,具体步骤如下:

1) 在显著图定位的基础上,仅对候选目标切片进行均值聚类分割,在降低计算量的同时大大提高了分割效率,分割的准确性也得到大幅度提升。

2) 设置分割参数T。也就是超像素的数量。通过实验发现,图像分辨率R对超像素个数的选取有一定影响,当分辨率高于2.5 m时,T取50 效果较好;当分辨力低于2.5 m时,T取20 效果较好。本文中图像分辨率均高于2.5 m,因此T=50。

3) 构建分类向量。在利用颜色或灰度信息的基础上,加入位置信息共同作为聚类依据。对于灰度图像,每一个候选目标切片i的聚类向量表示为Pgray={gi,xi,yi},其中,gi为灰度值,{xi,yi}为位置信息。对于彩色图像,聚类向量表示为Pcolor={li,ai,bi,xi,yi},其中{li,ai,bi}为Lab空间中的颜色信息。

4) 利用特征向量P和分割参数T进行均值聚类,将聚类得到的结果用[0,1]之间的灰度值随机标记,并依次存入相应超像素集合Ci中,以便进行精细分割,流程如图3。

1.3 目标精细分割

如图4,首先,需要计算每个目标切片中每一超像素的平均显著性和自适应阈值,对于任一切片si:平均显著性sij,即显著图中超像素的平均显著值,定义式:

自适应阈值Ti,即决定超像素是否保留的阈值,充分考虑到超像素在切片背景下的显著性,将其定义式(14):

其中:S(x,y)为(x,y)位置处的显著值,Cij表示切片si的第j个超像素,m为Cij中的像素个数,M、N分别为切片si的行数和列数,a为切片si的平均显著值。

然后,将切片中每一超像素的平均显著值与阈值进行比较,若sij>Ti,则将该超像素保留;反之,将其剔除。最后,将该切片中保留下来的超像素合并。待所有切片都完成精细分割,再将所有切片的超像素结果合并,从而得到最终的检测结果。图5 给出了超像素分割与精细分割的结果。切片中目标与背景对比较明显,但背景纹理复杂,灰度分布不均;本文方法不受纹理的干扰,能够将图像分成超像素集合且目标超像素边缘清晰准确;再根据精细分割要求,利用切片的局部显著图计算阈值,保留目标超像素得到,最后去除非目标超像素,得到该切片的检测结果。

2 实验结果对比与分析

2.1 检测结果图像分析

为验证本文方法的可行性与有效性,实验在Intel(R) Corel(TM) 2.66GHz(内存4G)的硬件环境下进行,将本文方法与常用的形态学对比度法和Gabor滤波法进行对比分析。根据背景干扰的不同分为两组实验:

第一组:基于灰度或颜色分布不均的海洋背景

图6(a)为一幅航母编队的图像,受成像角度和光照的影响图像中海洋背景颜色分布不均。从图中可以看出,Gabor滤波法受光照不均的影响,仅检测到低亮度区域的舰船,而其他目标被高亮度区域的海洋淹没,造成大量漏检;形态学对比度法虽然能够降低分布不均对算法造成的影响,检测到了大部分目标且检测率较高,但不能较好的保持目标完整性,目标缺失严重;而本文方法表现出很大优势,既能很好地抑制干扰、保证很高的检测率,又能完整地刻画目标。

第二组:基于多因素干扰的海洋背景

图7(a)和图8(a)为两幅包含小目标、碎云、尾迹和复杂颜色分布等多种干扰的遥感图像。形态学对比度法和Gabor滤波法受到不同程度背景干扰的影响,使得检测结果出现大量虚警或漏检。虽然两种方法都能检测到目标,但前者得到的结果较贴近目标的真实形状,无法对尾迹进行处理;而后者检测结果较真实目标稍大,可用于目标定位,不利于进一步目标识别,但能在一定程度上屏蔽尾迹干扰。而本文方法不存在以上问题,能够避免背景干扰,更好的贴近目标的真实形状,具有较好的检测效果和较高的检测精度。

2.2 实验结果参数分析

为客观、定量地评价本文方法,采用检测率(DR)、虚警率(FAR)、查准率(PR)和F-measure[8]等参数对实验结果进行分析,此外,提出检测精度(Detection Precision,DP,用PD表示)来分析各算法反映目标细节的能力,定义如下:

其中:Ameas检测到的目标图像,Astan为标准目标图像。通过比较检测结果与真实目标的像素个数差异来衡量算法刻画目标的精确程度,当出现像素漏检或虚检时,PD值变小;检测结果越贴近真实目标,PD值越接近于1。

如表1 所示,Gabor滤波法的平均检测率都很低,不能满足检测的需要;又由于形态学对比度法和Gabor滤波法的虚警数量较多且检测结果不稳定,因此无法准确计算这些方法的PR、F-measure、FOM和DP等参数,检测性能很低;而本文方法的检测率较高,平均在95%以上,且从PR、F-measure、FOM和DP等参数可以突出本文方法在检测准确率和检测精确度上的极大优势;此外,从检测时间上看,本文方法的检测时间略高于检测性能很低的形态学对比度法,但仅为Gabor滤波法的1/3。综上可知,本文方法能够在复杂、多背景干扰的情况下,稳定有效地检测出舰船目标,较好地保持了目标的形状和结构信息,具有较高的检测效率和精度,在检测性能上具有较大优势。

3 结论

针对常用的舰船目标检测方法易受复杂背景干扰,导致检测效率降低、检测精度下降以及耗时长等问题,提出一种基于视觉显著图定位与超像素分割的方法,利用舰船目标与背景在初级视觉特征上的显著性差异构造显著图,检测并定位图像中的候选舰船目标,提取目标切片;然后利用改进的均值聚类方法将目标切片分割为超像素集合;再通过筛选属于目标的超像素来实现精细分割,得到舰船候选区域检测结果。并通过实验验证该方法相比其它算法具有以下优势:

1)能够快速准确地定位目标,舰船检测率高,具有较高的检测效率;

2)能够清晰地刻画舰船的边界轮廓及形状结构,具有较高的检测精度。

参考文献

[1]Corbane C,Marre F,Petit M.Using SPOT-5 HRG data in panchromatic mode for operational detection of small ships in tropical area[J].Sensors(S1424-8220),2008,8:2959-2973.

[2]肖利平,曹炬,高晓颖.复杂海地背景下的舰船目标检测[J].光电工程,2007,34(6):6-10.XIAO Liping,CAO Ju,GAO Xiaoying.Detection for ship targets in complicated background of sea and land[J].Opto-Electronic Engineering,2007,34(6):6-10.

[3]施鹏.基于光学遥感图像的舰船目标自动检测技术[D].北京:中国科学技术大学,2010:10-25.SHI Peng.The Ship Detection based on Optical Remote Sensing Images[D].Beijing:University of Science and Technology of China,2010:10-25.

[4]Bau T C,Sarkar S,Healey G.Hyperspectral region classification using a three dimensional Gabor filterbank[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing(S1545-598X),2010,48(9):3457-3464.

[5]赵英海,吴秀清,闻凌云,等.可见光遥感图像中舰船目标检测方法[J].光电工程,2008,35(8):102-106.ZHAO Yinghai,WU Xiuqing,WEN Lingyun,et al.Ship Target Detection Scheme for Optical Remote Sensing Images[J].Opto-Electronic Engineering,2008,35(8):102-106.

[6]Frintrop S,Klodt M,Rome E.A Real-Time Visual Attention System Using Integral Images[C]//Proc.of the 5th International Conference on Computer Vision Systems(ICVS 2007),Bielefeld University,Germany,March 21-23,2007:512-518.

[7]TAI S L.Image representation using 2D gabor wavelets[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence(S1939-3539),1996,18(10):959-971.

[8]CHENG Mingming,ZHANG Guoxin,Mitra N J,et al.Global Contrast Based Salient Region Detection[C]//Proc.of 2011IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognitions,Colorado Springs,Colorado,USA,June 20-25,2011:409-416.

[9]张鹏,王润生.基于视点转移和视区追踪的图像显著区域检测[J].软件学报,2004,15(6):891-898.ZHANG Peng,WANG Runsheng.Detecting Salient Regions Based on Location Shift and Extent Trace[J].Journal of Software,2004,15(6):891-898.

[10]邱新洁.视觉注意机制建模中的特征调制和选择策略研究[D].天津:天津大学,2010:20-31.QIU Xinjie.Study on the Feature Modulation and Selection Strategies for Modeling Visual Attention Mechanisms[D].Tianjin:Tianjin University,2010:20-31.

[11]Achanta R,Shaji A,Smith K,et al.SLIC Superpixels Compared to State-of-the-Art Superpixel Methods[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence(S1939-3539),2012,34(11):2274-2282.

[12]Goferman Stas,Zelnik-Manor Lihi,Tal Ayellet.Context-Aware Saliency Detection[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence(S1939-3539),2012,34(10):1915-1926.

701所：隐身的舰船大师 篇2

71岁的朱英富，中国工程院院士，公开资料显示此前曾担任三个型号战舰的总设计师。而吴晓光已出现在十八大代表名录中，为国家航母工程副总设计师。

因为他们肩负的特殊任务，这两个在行业内如雷贯耳的名字，对公众而言却陌生异常。

而在他们工作生活的地方——九省通衢之地武汉，还有许多同样远离公众视野的舰船大师。这是一家公开名称为中国舰船研究设计中心的研究机构，也被称为“中国战舰的摇篮”。人们更愿意按照传统称之为701所。

承载了中国人进军海洋的梦想与期望，这个研究机构正在奋力冲刺，“辽宁号”肯定不是它荣耀的顶点。

“辽宁号”链条

《湖北日报》在报道吴晓光当选十八大代表时这样写道：武昌紫阳湖畔，有家神秘的军工单位701研究所。

吴晓光自2004年以来担任701所所长，朱英富为前任所长。

历史资料说，701所创建于1961年，主要承担舰船总体研究、设计、开发的任务，尤以舰船总体系统工程见长，亦是“唯一同时承担水面、水下舰船总体研究设计任务的核心科研单位”。上世纪80年代起，许多军工单位自负盈亏，目前它仍然属国家事业单位。

701所在上海设有分部，整个机构有超过700名专业技术人员、1500名员工。在2011年朱英富当选院士之后，应已有两位院士。另一位是被称为“中国驱逐舰之父”的潘镜芙。

701所至少有10个研究部门。根据其研究生招生信息，这些部门的名称分别是第一研究室、噪声振动试验室、水面舰船研究部、第四研究室、电磁兼容实验室、计算中心、信息系统研究室以及上海分部等。它最为自豪的科研设施，是拥有亚洲一流的高标准弱磁实验基地和中国最深的室内现代化试验水池。

由于现代战舰电子设备复杂，极易互相干扰，因此其电磁设计异常重要。这凸显出电磁实验基地的重要性。

701所隶属中国船舶重工集团公司。701所原副所长、副总设计师潘镜芙此前接受《瞭望东方周刊》采访时曾回忆，中国军舰设计单位的体制经历了很多变化。共和国成立初期，这些单位都归一机部船舶工业局管理。上世纪60年代划归国防科工委，虽然属于海军装备单位，但他们并不穿蓝色制服，“我们也成了军人，穿黄色军装”。

1966年，舰船科研机构又划归工业部，研究人员全体“退伍”。改革开放后实行企业化管理，成立了中国船舶工业总公司。

到1999年，为推进国企改革、促进竞争，中国船舶工业总公司一分为二，成立以南方为基地的中国船舶工业集团公司和以北方为基地的中国船舶重工集团公司。它们目前都是中国重要的军工集团。

中国船舶重工集团公司的核心单位之一是大连船舶重工集团有限公司，它应该承担了“辽宁号”航母的续建任务。中国船舶工业集团公司最受关注的则是上海船舶工业公司，即通常所说的江南造船厂，其核心研究机构是位于上海的708研究所，即中国船舶及海洋工程设计研究院。

中国最好的战舰研发机构主要集中于武汉和上海。比如前者，还有以舰船总体研究、设计为主的719研究所，其他舰船研究机构还涉及数字工程、推进、通信等等。

公开资料显示，在杭州、北京、大连、南京等地，也有以7开头的声学、情报、测控、雷达等专门研究所。这些机构，相信也承担了“辽宁号”的续建任务。

比如位于哈尔滨的703所是目前中国船舶动力领域的权威机构，中国海军水面、水下大型舰艇的动力装置均由这个研究所研制。它理应已经解决了“辽宁号”的动力装置问题——这是这艘战舰续建过程中最大的挑战之一。而在洛阳的725所是唯一一家研制舰船材料的军工单位，传闻在整个“辽宁号”续建过程中，这里夜晚灯火通明。

体现这些科研机构实力的标准之一是国家科学技术进步奖。自1985年这一奖项设立当年历史性地评选了近20个特等奖之后，特等奖每年不超过5个，其中2000年至2002年连续空缺。

而公开信息显示，1986年以来有两个海军装备项目获得国家科学技术进步特等奖，均与701所有关。

战舰的传承

根据公开发布的招生简章，到2006年， 701所有博士生导师9名：朱英富、夏飞、马运义、吴崇健、应文烨、许建、吴晓光、谢伟、朱显明。他们都是中国最优秀的舰船大师，也是除核科研领域之外，曝光度最低的军工研发人员。

朱英富籍贯宁波，小时做钳工，后考入上海交大。《长江日报》说他自1991年起担任701所所长，并有很好的英语基础。这篇报道也确认，他就是“中华神盾”的总设计师。

据潘镜芙向《瞭望东方周刊》回忆，中国在1966年开始设计第一代国产导弹驱逐舰，即051型，他本人就是两名总设计师之一。当时由701所牵头总体设计，全国22个省的100多家单位参与。051型前后建造了十余艘，曾是中国海军的主力舰只。

到上世纪80年代初，中国启动第二代驱逐舰项目，“也就是052系驱逐舰”。第一艘052军舰在90年代上半期开始服役。

1999年，舷号为167的“深圳号”服役，即后来国内专业媒体所说的051B。最近海军装备部前部长郑明少将向专业媒体披露，这种试验性的051后续型只建造了一艘，但改变了苏式战舰的设计理念，曾被国内报刊称为“神州第一舰”。

051B型的建造是窘迫的。虽然它是一艘全新战舰，但由于经费有限、无法立项，只好沿用了051的研发序列。郑明说，为了保证蒸汽轮机生产线的延续，不得不仍然采用蒸汽轮机驱动，没有使用先进的复合动力装置。

但051B型毕竟与老式导弹驱逐舰不同，具有很强的对空作战能力，被称为多用途战斗舰艇。同在1999年，潘镜芙主持的“新型导弹驱逐舰”获得国家科学技术进步特等奖。这一年获特等奖的还有“FBC— 1歼击轰炸机”，即人们常说的“飞豹”战机。

郑明说，上世纪90年代，中国海军只有“深圳号”和两艘052型军舰，总吨位1. 5万吨。而同期日本有10多艘驱逐舰服役，总吨位超过6万吨。

此间，潘镜芙逐渐退出一线，为中国设计更大、更好战舰的任务，交到继任者手中。

据公开资料，朱英富于“1996年开始主持中国新一代两型驱逐舰研制”，最终“研制完成达到当代世界同类水面舰艇先进水平的新一代驱逐舰”。

军队媒体报道说，这两类军舰参加了第一次赴亚丁湾的护航任务。据此可以认为，它们就是被人们称为052B型的“武汉号”和053C型的“海口号”。而中央电视台的纪录片也确认，朱英富在这两种军舰的总体设计中处于领衔地位。

潘镜芙说，这两种军舰都可以执行编队区域型防空任务，也就是说，在“自保”的同时可以为航空母舰等其他舰只编队提供保护。此外，它们大量采用了隐身等新舰船技术。

最新的一个型号、人们常说的053C，装备有和美国宙斯盾系统类似的垂直导弹发射系统，被称为“中华神盾”。公开信息说，朱英富主持的新型导弹驱逐舰项目获得2008年度国家科技进步奖一等奖，而他本人“在船舶流体动力学、结构、隐身性、计算机辅助设计等研究方面取得了很好的成果”。

701所现任所长吴晓光，1982年毕业于华中工学院。根据公开信息，他担任国家航母工程的技术副总设计师以及总体设计行政总负责人。作为技术人员，吴晓光之前曾担任军贸护卫舰、护卫艇的总设计师，并主持过高速导弹攻击艇、导弹快艇等舰艇的研制工作。

在当选十八大代表之后，他曾说：“航母是大国地位的象征。联合国安理会常任理事国中只有中国没有航母，我们必须要有强大的海军，必须有强大的航母编队！”

全能研究所

在几位博士生导师中，吴崇健是另一位备受关注的大师——他的研究领域应涉及中国最为重要的潜艇工程。

根据《解放军报》、《科技日报》报道，“历时十多年的第三代常规动力潜艇项目”曾获得2009年度国家科技进步特等奖。

当时701所的领奖代表吴崇健对上述媒体表示：“我们追求的是安静——无声的打击，无声的威力。”

他进一步解释说：“潜艇减震降噪，是一个综合的科学问题，没有理论就带不动实际研究。各国都对理论研究投入很大。我们必须在理论上继续创新，才能在国际上抗衡。”

吴崇健也是“蛟龙”项目的水面支持系统总设计师，主要负责“蛟龙”探测器自“向阳红09”母船上的投放和回收。相关报道还称他为701所副所长。

而马运义和许建曾联合著作《现代潜艇设计原理与技术》，这也从一个侧面反映了他们的研究领域，但关于他们的公开信息非常稀少。

另一位博士导师朱显明曾接受国内专业刊物专访，谈潜艇的降噪问题。所有上述科技人员，可能都在“第三代常规动力潜艇项目”中发挥了重要作用。

境外媒体曾称这一型号潜艇为041型“元”级。它们认为，“元”级由于在线型设计上的较大突破，使其在水下快速性、机动性、声隐蔽性都得到很大程度的提高。“其线型性能已经与世界先进常规潜艇的线型处于同一水平线上，这是中国潜艇设计人员通过多年努力获得的成果，意义重大。”

2009年获得国家科学技术进步特等奖的军工项目，还有中国航空工业集团公司613研究所和中国空空导弹研究院参与完成的“1110工程”。

当我们探究这些隐身幕后的舰船设计大师之时，公开信息都是只言片语，甚至他们的年龄和籍贯都不曾被公布。比如名列第二位的夏飞，只能查询到一两篇他署名的论文，谈及战舰的隐身问题。

科研成果还显示，应文烨专注的领域是数字化造船，即舰船三维工程等。这位生于上世纪40年代的研究员至少担任过701所副总工程师。

谢伟的专业也是舰船总体设计，包括“总体优化设计研究”等。他应该为“辽宁号”贡献了相当大的作用。

除了建造军用舰艇，701所也正为中国全面进军海洋服务。

2011年夏秋两季，由701所设计的两艘海监船“海监84”和“海巡168”先后完工。“海巡168”总设计师、701所设计师邓爱民在接受专业媒体采访时说，他们还在研发吨位更大的执法船，比如5500吨级的大型巡航救助船，续航力超过1万海里。

这种大型船只除了可以起降大型直升机，还配备两艘高速艇，配有两座射程超过150米的水炮。

而2005年的消息说，当时701所与中国海洋油田服务股份有限公司签订了用于海洋石油储存量探测的“水鸟”研制项目合同。

这种装备又称为电缆定深器，一根电缆上安装有100多个。此前中国企业从国外进口该设备，但目前出口到中国的“水鸟”都被限定在30米深度，无法进行深海作业。在与国内多家单位联系后，最终由701所进行相关研制。

根据中船重工消息，701所甚至还刚刚设计完成了中国第一艘专业考古船。

在这个庞大的研究机构里，还有其他20多名研究生导师。

事实上，也许还有很多大师级人物的名字从未被公布过。但是他们的心血结晶：传闻中的052D型导弹驱逐舰、041后续型潜艇以及全国产航空母舰等等，必定将不断出现在人们的视野中，成为这个国家保卫蓝色国土的坚实后盾。

舰船检测 篇3

关键词：变化检测,港口舰船,海陆分割,高分辨遥感图像

1 引言

在多时相遥感图像的变化检测中，光照变化、传感器噪声、配准噪声等因素使得检测结果中产生很多无意义的变化，导致检测结果的虚警率(非变化点确认为变化点)很高。由于图像中有意义的变化主要源于图像结构(物体的轮廓、纹理等)的变化，因此基于结构的变化检测可以克服照度、噪声的影响。如何根据被检测目标的特性，寻找合适的结构信息并充分利用其结构特征是基于结构信息变化检测的关键。在港口遥感图像中，海岸与舰船的整体轮廓不依赖于照度的变化，是一种稳健的结构信息。本文将港口中的舰船与陆地视为一体，通过海陆分割提取其共同的轮廓，由于海岸的轮廓相对稳定，舰船的变化会引起整体轮廓的变化，以此作为变化检测的依据。

2 海陆分割的提取轮廓信息

目前已有很多的海陆分割方法，从分割策略上讲，可以分为基于区域生成的方法、基于边界检测的方法和区域生成与边界检测的混合方法。虽然海陆分割方法很多，但至今还没有找到对所有图像都很有效的分割算法。要使海陆分割算法效果好，应充分利用港口图像的特点。

在典型的港口遥感图像中，由于海面较平静，海域的灰度相对于陆地一般较暗，灰度分布比较均匀，而陆地区域灰度一般较亮，地物分布复杂，其中有一些灰度较暗的区域或小面积的水域，经验表明，影响海陆分割结果的主要因素是海岸附近的阴影、植被等低亮度因素。根据港口图像的这些特点，本文将港口图像分为3类区域，如图1所示：(1)为平坦并连通的海面区域;(2)为复杂地物区域;(3)为低亮度的植被纹理区域。根据地物的不同可采用不同的分割方法。

2.1 对复杂地物区域的分割

本文中的复杂地物区域是相对于平坦区域而言的，即在其一定的邻域范围内不能用统一的纹理特征来描述，分布复杂，由建筑物、树木、植被等多种地物交织而成的连续区域，如图1中的区域2。该类区域的显著特点是蕴含有大量的梯度信息，可以提取大量的边缘，而平坦区域不具有该特点，本文充分利用这一特征实现复杂地物区域的分割。分割的流程如图2所示。

在边缘提取算法中，Canny[1]提出的边缘检测方法具有很好的边缘检测性能，其检测到的边缘点即为高斯函数光滑后的图像拐点，其中高斯函数的标准差σ为尺度因子。σ值大小的选取影响Canny边缘的提取结果，因为Canny算法的噪声平滑能力与边缘定位能力相矛盾[1]，当σ取值较小时，边缘定位精度高，但图像平滑作用较弱，在有噪声的情况下不稳定;要获得好的噪声抑制效果，必须增大σ的取值，但这样又会导致模板增大，边缘位置偏移严重，定位精度不高，且运算量增加。不同的σ取值得到的Canny边缘如图3所示。

根据本方法的分割思想，提取的复杂地物中的边缘越多越精确，越有利于后述的分割，即σ越小越好，但σ太小时容易受噪声的影响，如图3a所示。根椐经验，当σ在0.4～0.9之间取值时，可得到较好的分割结果。

图4为复杂地物区域分割的范例，其中形态学膨胀与腐蚀采用相同的结构元素，即3×3的全1矩阵。

2.2 对平坦纹理区域的分割

海岸附近的阴影、植被等低亮度因素是影响海陆分割结果的主要因素，这些区域同样具有平坦特性，但在纹理上与海面区域有较大差别。在20世纪70年代，Haralick等研究人员就提出了用共生矩阵(co-occurrence matrix)表示纹理特征的方法，该方法从数学的角度研究了图像纹理中灰度级的空间依赖关系，首先建立了基于像素之间方向性和距离的共生矩阵。文献[2]利用图像的中值和等灰度游程信息，把传统的共生矩阵中两个明确的统计信息之一模糊化，将模糊的灰度信息和明确的灰度游程信息相结合，来提取纹理特征，然后对特征采用自组织映射神经网络(SOFM)进行聚类，实现不同纹理的分类，该方法对分布平坦的纹理有很好的分类效果，但不适用于复杂地物的分类。

经过第一步对复杂地物的分割后，剩下平坦的纹理区域与海面区域的分割，本文采用文献[2]中的方法实现其分割，最后的分割结果如图5所示。分割结果反应了海岸和舰船的整体轮廓，且不受照度变化等无意义变化因素的影响。

3 港口舰船目标的变化检测

在港口舰船目标变化检测中，感兴趣的是舰船的变化，对陆地上的变化并不感兴趣，而舰船的变化会引起海岸舰船的整体轮廓发生变化，因此只需对变化前后图像的分割结果图像做“异或”运算，再作相关处理即可得到发生变化的舰船目标所在的区域，该方法可有效消除陆地上不感兴趣的变化引起的虚警。

经上述的海陆分割，将其作为变化检测的输入，变化检测流程如图6所示。

输入的海陆分割结果图为二值图，“异或”运算检测出两者之间所有的不同区域。由于两图像存在一定的平移或旋转误差，结果中包含了未发生变化的海岸线引起的伪变化，其表现出明显的线状特征，如图7所示，如何去除这些伪变化是该变化检测方法的关键所在。

形态学的开运算可以去除比结构元素小的特定的图像细节，切断细长粘连，起到分离作用，但由于形态学膨胀与腐蚀并不互为逆运算，所以开运算的结果会对原图像产生一定的几何失真。本文对形态学开运算方法进行了改进，以避免这种几何失真，并精确地提取出变化舰船的轮廓，如图8所示，其中SE为结构元素。

改进后的开运算与传统的开运算有以下两点不同：

1)腐蚀和膨胀所用的结构元素的大小不同，SE1

2)让膨胀后的结果与输入图像进行“与”运算，用于还原发生几何形变的区域。

舰船目标是本方法中感兴趣的目标，可以根据舰船目标的一些特征，进一步去除其中的一些伪变化，首先对其大小特征进行分析，见表1。

从表1可知，在高分辨力遥感影像(空间分辨力小于5 m)中，舰船的像素尺寸最小可达30×6，将舰船视为规则的椭圆，则舰船的最小像素面积约为142(π×15×3)，因此可以去除区域面积小于142个像素的独立区域，步骤如下：

1)给连通的区域依次编号;

2)对每个连通区域，如果其总像素数小于阈值trd，则该连通域内的像素全部置为0，此处trd取142,142为trd的最小值，其具体取值可根据变换检测图像的分辨力做调整。

图9为7a与7b图像最终的变化检测结果，图10a与图10b分别表示检测结果在原图像上的标识。

4 实验与分析

与其他方法相比，本文提出的方法对照度噪声和配准误差具有较强的稳健性。通过使用实测图像，对比WM[3]模型法、基于微分不变性方法[4]、ET法[5]以及本文方法的检测性能。以图7a与图7b作为检测图像，两图像中存在很大的照度差，陆地上地物受其影响明显。图11为这3种方法的检测结果。

从运算速度上进行比较，如表2所示。

从图11与图9的检测结果以及表2显示的运算时间可以看出，本文的方法有以下特点：

1)本文方法不受陆地上不感兴趣的变化的影响，有效克服了照度变化带来的虚警。而基于像素级的WM法以及基于结构信息的微分不变法、ET法都无法完全克服照度变化的影响。究其原因，基于像素级的变化检测是以像素为研究对象，稳健性弱;微分不变法和ET法等基于结构信息的方法是通过提取两图像中对应像素点有限邻域内的结构特征，进行相似性比较来作出判决，是以局部有限邻域为研究对象，稳健性较像素级方法有所增强，但无法有效克服显著性的照度变换影响。本文方法从图像的整体结构出发，避开陆地的影响，直接针对舰船做变化检测，体现了全局提取结构信息对港口舰船变化检测的优点。

2)本文方法避免了特征提取与相似性运算等复杂的计算过程，大大提高了运算速度。

3)本方法主要针对高分辨力港口遥感图像的舰船变化检测，虽然能克服一定范围内的配准误差的影响，但当舰船侧靠时，如果其宽度对应的像素尺寸较小，就会被掩盖在海岸线的配准误差中，当图像为高分辨力图像时，该因素可以得到有效削减，因为在高分辨力图像中舰船的像素宽度远大于配准的误差。

5 小结

笔者采用基于海陆分割的方法将舰船的变化转化为海岸舰船整体轮廓的变化，有效去除了照度变化的影响，降低了虚警率。对于高分辨力遥感图像，舰船的变化会引起海岸舰船轮廓的明显变化，从而也降低对配准精度的要求，因此本文的方法对于港口舰船目标的变化检测具有较强的实际应用价值。

参考文献

[1]CANNY J.A computational approach to edge detection[J].IEEE Trans.Patten Analysis and Machine Intelligence,1986,8(6):679-698.

[2]潘文卿,李毅.基于中值-游程共生矩阵的纹理特征提取[J].微计算机信息,2007,23(21):303-305.

[3]DURUCAN E,EBRAHIMI T.Change detection and background extraction by linear algebra[J].Proceeding of the IEEE,2001,89(10):13681381.

[4]房自立,陈涛,周石琳.一种基于微分不变量的图像变化检测方法[J].计算机仿真,2007(9):172-175.

提高舰船装备可靠性的对策研究 篇4

关键词：舰船装备；可靠性；对策研究

Abstract: This paper anlysizes the importance of reliability for ship equipment and dicusses five probable reasons for which a system do not meet the requiment of reliability. Finally, this paper puts forward suggestions how to improve the reliability of ship equipment.

Key words: Ship equipment; Reliability; Countermeasures

随着舰船装备系统性能越来越强大，其复杂性也大大增加，由于现代大型装备系统各种零部件复杂繁多，若要使系统正常而稳定的工作，发挥最大的作战效能，系统的可靠性就显的越来越重要。达不到可靠性要求会降低系统的任务效能，会增加系统寿命周期内大量甚至难以预测的额外使用和保障费用。然而，由于项目进度的要求或系统复杂程度的影响，经常出现装备系统不能满足其可靠性要求的情况。一般来说系统不能满足可靠性要求的原因有很多，导致其重复发生的主要原因有五个：①研制过程早期可靠性设计不够；②底层次的试验不充分；③主要依靠预计而不是依靠进行工程设计分析；④缺乏对所采用的现成设备的工程分析；⑤对提高可靠性缺乏有效的激励措施。本文从注重设计、底层试验、进行相应的分析、对现成设备进行评估和对可靠性提出激励等五个方面来探讨如何提高可靠性的问题。

1 加强研制过程早期的可靠性设计工作

研制和总体单位要对系统、分系统或部件所处的作战使用环境有一个充分、全面的理解和认识，并在可靠性分配时确保供货方也对此有充分的理解和认识。有了这种深刻的认识为基础，在研制过程早期就可发现并排除许多潜在的失效，另外，应该最大程度的利用现有的外场试验结果来支持失效分析工作。

排除失效的工作需要采用多种技术方法和手段，包括做热分析和振动分析等，以研究潜在的失效机理和失效部位。这些分析经常用到疲劳分析工具、有限元模型、动态仿真、热传导分析和其他工程分析模型。目前，工业部门、科研单位和有些政府单位已经用大量成熟的工程工具和试验方法来进行该类试验，尤其在民用领域。如果设计低劣的部件进入系统级的研制试验、使用试验，甚至更高层次的试验，诸如一些电路板因设计和安装的问题，出现类似元件和导线间应力过大的问题，这类问题在设计过程早期花费很少的经费进行工程分析就可发现，而进一步去纠正发现的问题也只需要再多花更少的经费，而不过没有及时发现的话，面临的将可能是付出上百万经费的代价进行后续的补救。

2 注重进行较底层次的试验

元器件级的底层次试验，如高加速度寿命试验和高加速环境应力筛选等试验项目，对于早期检测失效和识别设计缺陷极为重要，因此要鼓励多进行这种以工程和失效机理分析为基础的试验。如果对有些项目没有或只对一小部分部件进行了试验，或者只是对经过分析认为比较关键的部件进行了试验，这虽然减少了开支，但是也留下了后患。其实，这种试验一般都是比较经济的，可是一旦出现缩减预算情况时，它们却是首当其冲被砍掉的。如果设备没有经过这种早期试验，以便发现问题并在设备开发早期进行设计，那么后面就极有可能导致不可预见的问题，造成重大的进度拖延和使用保障费用的增加。另外，应该尽可能的尽早将用户纳入试验和研制过程，这可以避免影响用户使用的问题出现。此外，要重视研制试验，研制试验是上一层次纠正遗留问题和提高系统研制成功概率的最后一个机会。如果一个系统达到了研制试验的可靠性要求，那么就会有60%的概率符合使用试验的可靠性要求。一个研制项目的重大挫折经常发生在试验受进度或成本制约而减少或取消的时候。研制试验不仅对确保系统可靠性是必要的，而且可以降低使用试验过程中达不到可靠性要求的风险，不充分的研制试验方案经常会导致系统失效。

早期的底层试验加上有针对性的较高层次试验，是产生高可靠性产品的关键。如果没有对大部分或所有关键装配件的全面的较底层次试验，没有重大集成综合和研制试验，就几乎没有可能实现高水平的可靠性。

3 在项目中多进行精确的工程设计分析，减少使用可靠性预计

现在很多装备和项目，如果需要了解可靠性工作情况时，我们看到的往往是一套系统或子系统的可靠性预计结果，但是，可靠性预计与产品的实际可靠性毕竟不会完全一致的。很多情况下，给出预计结果的人可能并不在研究设计团队中。一直以来，设计单位注重预计结果的统计，而不注重如何在设计过程中尽量消除失效，这极大的限制了生产出高可靠性产品的能力。另外，在某些情况下，在研制试验中，将预计结果作为回避对合同规范进行验证的一种手段，导致不能符合使用试验要求。高可靠性不是通过可靠性预计就能获得的。

大部分人想到可靠性模型时，都会想到可靠性预计、可靠性框图、失效模式影响与危害性分析、故障树和可靠性增长等工具，当然，产品设计过程中采用上述工具以提高其可靠性是十分必要的。然而，最重要和最基本的可靠性工具是结构、热、疲劳、故障机理和振动模型，设计单位使用他们来确保拿出无故障工作时间足够长的产品。承制单位要经常进行热分析和振动分析，研究潜在的失效机理和失效部位。当系统的可靠性工作的重点放在可靠性预计上时，很有可能会导致不确定的结果。

4 对系统中采用的现成设备和部件进行可靠性工程分析

现成的民用设备为提高可靠性、减少成本和采用最新技术提供了很大的机会。然而，现成的民用设备并不意味着我们要摒弃工程分析和早期试验。在许多场合，我们会听到这样一句话“那个设备是现成的产品，其可靠性就那样了”。这种认识是十分片面的。热、振动、疲劳和失效机理建模，以及早期的加速试验，可以量化和最大限度降低现成民用设备在军事使用环境中失效的几率，毕竟军用装备有其特殊、严酷的使用环境。哪怕进行相对简单的振动和热分析也可以检测出大部分潜在的故障。而如果不充分进行早期分析，导致的损失也可能是巨大的。此外，在采用现成民用部件时前，也应该进行严格和高标准的可靠性分配工作。

5 在项目要求中明确激励措施，提高承制单位对产品可靠性工作的投入力度和积极性

通常情况下，即使可靠性要求在技术规格书或规范中作了明确要求，装备承制单位和设备厂也没有太高的积极性来提高产品的可靠性，因为装备承制单位经常不得不以低价投标来增强其竞争力。在他们调整其项目时，可靠性通常是首先被去掉的。更有甚者，对装备承制单位特别是设备厂来说，不可靠的设备会导致部队大量采购维修备件，从而从后续补充备件中获得很大利润。除非采用一定的方式激发装备承制单位提高产品可靠性的积极性，否则尽管装备承制单位有足够的提高设备可靠性的技术能力，我们将会眼睁睁的将可靠性水平远低于民用消费品的装备投入战场。

6 结论

据估算，使用和保障费用占了装备系统整个寿命周期费用的60%，提高可靠性直接影响到大部分的使用和保障费用。在一个重大系统的整个寿命周期内，适度的提高可靠性可以节省大量的维护保障费用。许多人认为高水平的可靠性必须花高价才能取得，这种认识基于这样一种概念：只有昂贵的军用的部件和顶级的材料才具有高可靠性水平，更高的可靠性等同于增加试验次数和延迟项目进度。我们必须改变这种观念。当把各种可靠性试验和改进技术作为装备设计和研制过程的一个组成部分时，就能得到良好性价比的高可靠性的装备。另一方面，通过对如何提高可靠性问题的探讨，从观念和意识上，对如何提高和保证民用船舶设备质量和可靠性有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 黎放, 等. 武器装备可靠性费用研究[J]. 系统工程与电子技术，2005(7).

舰船检测 篇5

关键词：可见光图像,舰船目标检测,检测特征,Contrast box滤波,目标验证

1 引言

在可见光遥感成像过程中,不同的海面波浪状况对光照的反射能力不同,同时受天气条件、太阳照射角度及成像传感器曝光控制的影响,使可见光遥感图像的亮度、对比度等信息存在很大变化,表现出以下特点:1)海面背景具有不稳定性:海面背景平均亮度存在起伏,其高频信息在幅度上受海浪、航迹的影响变化很大。2)舰船目标灰度表现不确定:受光照、舰船表面涂层的影响,可见光舰船目标在亮度上可能高于或低于海面背景亮度,分别称为舰船的白极性表现和黑极性表现。目前,国内外舰船目标检测研究大都集中于SAR、IR数据[1,2],针对宽覆盖可见光遥感图像的舰船目标检测算法相对较少。文献[3]通过对窗口图像直方图进行分解和曲线拟合,判断窗口内是否存在舰船目标以及目标的黑、白极性,但该方法在检测过程中只利用了目标的灰度统计特性,没有考虑目标的空间结构信息,并且直方图形状与图像内容的联系也不具有确定性。文献[4]基于灰度形态学对比度方法在海面背景比较平稳的情况下表现很好,但对于海面有浪、尾迹的情况和舰船的黑极性问题并不能够处理。针对上述问题,本文提出了一种新的可见光遥感图像舰船目标检测方法:利用窗口灰度标准差作为目标检测特征,消除海面背景亮度变化的影响,并且使目标与背景保持了很好的可区分性;在图像二维检测特征平面上通过Contrast box滤波检测获取疑似目标位置信息,同时利用了背景特征的统计特性和目标的空间结构信息。实验表明,该方法能有效抑制海面亮度变化和背景杂波的影响,对不同极性的舰船目标均能获得满意的检测结果。

2 Contrast box滤波

Contrast box滤波算法最早应用于红外图像中的陆上车辆检测,其改进算法后来被用于SAR图像中的舰船目标检测[5]。Contrast box定义一个目标窗口和一个背景窗口,分别表示为T和B,如图1。

算法在目标窗口T中计算图像的灰度均值µT,在对应的背景窗口B中计算灰度均值µB和灰度标准差δB。利用窗口B灰度统计特征µB、δB的组合公式确定局部自适应阈值。常用检测准则为

K为常数,用来控制检测虚警率,通常K取1.25能够以概率满足检测要求[6],满足上述准则认为是疑似目标点。窗口B、T组合按准则(1)在图像中滑动滤波完成疑似目标点检测,图像中多个相邻的疑似目标点组成一个疑似目标区域。

Contrast box滤波方法基于高斯分布假设对背景数据进行统计,利用了图像中目标灰度与背景灰度的局部统计相关性,能够适应背景杂波的变化。但是,准则(1)假定图像中目标灰度值一定高于背景灰度,这对于SAR图像舰船目标是成立的,然而在可见光图像中,舰船目标存在黑、白极性问题,海面背景亮度变化较大并且受海浪、航迹等因素干扰,简单用Contrast box滤波进行舰船检测会造成很大的漏警和虚警。

3 基于标准差特征平面Contrast box滤波的舰船目标检测方法

在计算机视觉中,物体识别系统一般包括四个部分:特征检测器、假设生成、假设验证和模型库[7]。其中特征检测器负责选择有效的物体检测特征;假设生成根据检测特征为每一个疑似物体分配置信概率,最后结合先验物体模型对疑似物体集合进行假设验证。本文提出的可见光遥感图像舰船目标检测算法按照这种划分方式可分为检测特征平面建立、Contrast box滤波舰船检测、舰船先验特征模型、疑似舰船目标验证四个组成部分,算法流程如图2所示。

3.1 检测特征平面建立

可见光图像中表现为黑、白两种极性的舰船目标在灰度上相对于海面背景呈非对称分布,其中黑极性舰船与背景灰度相对接近。在海面背景亮度变化的情况下,直接利用灰度作为检测特征不能对目标与背景进行有效区分。可见光图像中海面灰度近似呈高斯分布,灰度分布范围很窄,表现为较小的灰度方差。有目标存在的局部区域灰度存在跃变,分布范围变大,产生较大的局部灰度方差,如图3(b)所示。

通过对大量舰船图像实验分析得出,灰度标准差能很好的描述这种灰度上的统计变化,可以作为检测特征将舰船目标与海面背景区分开。灰度图像上的一个局部区域用它的灰度标准差来描述,整个灰度图像用一个由标准差特征点组成的二维平面来表征。灰度图像X(i,j)的二维标准差特征平面D(m,n)的创建可以通过滑动窗口统计的方式完成,计算方法如下:

其中:W代表特征统计窗口,S为滑动步长。利用标准差代替灰度作为检测特征,特征平面上的变化与海面背景平均亮度无关,在保留目标相对于背景灰度变化信息的同时消除背景亮度变化影响。舰船目标检测问题可转化为在标准差特征平面D(m,n)上寻找局部极大值区域问题。图3(a)、(c)分别为一局部区域舰船图像及其标准差特征平面,可以看出目标在特征平面上具有很好的可区分性。

3.2 Contrast box滤波舰船检测

可见光遥感图像的辐照范围很广,不同的区域,海面波浪复杂状况不同,反映在标准差特征平面上不同区域的起伏程度不同。因此检测特征平面上的不同局部区域需要不同的目标检测阈值,若在特征平面上用全局阈值分割获取疑似目标点,许多局部相对明显的变化会被湮没在全局统计过程中,造成漏警。同样,分类器方法中克服数据不平衡性的预处理过程也会带来信息的丢失。

本文通过Contrast box滤波比较局部范围内前景与背景特征数据的相对统计变化,自适应确定局部目标检测阈值,实现疑似舰船目标在特征平面上的定位。Contrast box滤波基于背景特征数据统计的检测准则能够很好的克服平面上由杂波引起的噪声点的干扰。由于舰船在图像中的姿态、方向任意,目标窗口T与背景窗口B均选为正方形。窗口T的设置与感兴趣舰船在一定分辨率图像中的统计大小相关。为保证背景窗口覆盖足够充分的背景特征数据,取窗口B为窗口T面积的4~16倍。特征平面中滤波得到的疑似目标点设为1,其余为0。每一个疑似目标点代表舰船空间结构的一部分,连通的疑似目标点组成一个疑似目标区域,如图4(a)中白色区域所示。每一个疑似目标区域在空间上与灰度图像上一个目标区域相对应,实现目标在灰度图像中的定位。空间结构信息的利用能够更准确地定位舰船目标、提取特征去除虚警。

3.3 舰船先验特征模型

舰船模型是抽象的特征描述矢量,结合先验数据的训练结果来去除疑似目标集合中的虚假目标。根据特征优选原则,所选目标特征量应有很好的可区分性,计算量小且具有位移、旋转不变性。

根据舰船外形上的规定性,可以选取舰船长度l、长宽比r和面积a作为特征量;由于舰船几何上近似表现为简单凸多边形,可选用紧致度c、矩形度f两个区域形状描述特征。区域紧致度c的定义如下:

其中lborder代表目标区域的边界长度。紧致度c与目标区域的边界复杂性相关;矩形度f定义为目标区域面积与目标区域的最小外接矩形面积的比值;利用这两个特征可有效去除海浪和云边界处产生的形状不规则的虚警。组合上述目标特征量构造一个5维的目标特征矢量V(l,r,a,c,f)对舰船目标进行表达。

3.4 疑似舰船目标验证

进一步对检测到的疑似舰船目标集合进行验证,将特征平面上的疑似目标位置信息映射到灰度图像,在灰度图像上提取特征去除虚警。首先,在检测特征平面上计算每个疑似目标区域的最小面积外接矩形Ri(p 1,p2,p3,p4),pk为矩形四个顶点,如图4(a)中矩形所示。然后,将iR顶点按照空间对应关系映射回灰度图像,完成图像中目标定位并通过图像旋转获取疑似目标灰度子图,如图4(b);对子图分割获取疑似目标区域,如图4(c);针对目标区域提取验证特征矢量Vi(l,r,a,c,f)。最后结合舰船先验特征模型,用决策树算法对疑似目标集合分类,去除云、海浪等引起的虚假目标,输出最终检测结果。

4 实验结果及分析

检测模型中参数的设置及优化对目标检测具有重要的意义,本文以SPOT-5卫星2.5 m分辨率遥感图像为数据进行实验,分析特征统计窗口W、目标窗口T、背景窗口B的设置对目标检测的影响。随机选取200个不同海面背景下的舰船目标,所选图像海域面积累计超过350 km2。其中,白极性舰船数目为123,暗极性舰船数目为77,有49个目标航行中带有尾迹,图像中舰船大小变化从16 pixels×7 pixels到122 pixels×15pixels。实验中窗口W、T步长各取为窗口长度的一半,同时保持窗口B与T的大小相关性,用长度比B/T表达。

首先设定模型中窗口B与T的长度比B/T=2(数据量比值为4),当参数W∈{6,8,10,12,14,16},T∈{2,4,6,8}时,实验目标检测率PD与虚警率PFA如表1中数据所示。

由表1数据可以看到:模型中W的变化对目标检测率的影响较大,检测率随W的增大先逐渐升高,在12、14时相对稳定,然后缓慢降低;在W设置相同的情况下,检测率受T的变化影响不明显,当T为4、6时检测效果相对较好。下面进一步考察参数B/T的变化对舰船检测效果的影响,根据对表1数据的分析结果,选取W∈{12,14},T取值范围同上,当B/T∈{2,3,4}时目标检测结果如表2中数据所示。

由表2数据看出:T变化,长度比B/T=2时,检测效果相对优于其他设置;并且W取14时检测效果好于12。综上,当模型参数W=14,T=6,B/T=2时,在虚警率相等的前提下目标检测效果最好:检测率99.5%,虚警率5%。下面是以此参数设置为检测模型,结合本文算法步骤给出的一个完整实例。

图5(a)是一幅SPOT-5可见光遥感图像,大小为1 275 pixels×635 pixels。图中海面存在均匀波浪,海面亮度较高,有舰船3艘,其中2艘表现为白极性,1艘为黑极性,均带有清晰可辨的尾迹。利用本文算法模型创建的二维检测特征平面如图5(b)所示,平面中存在3处明显的局部极大区域,中间幅值较小的尖峰区域与图5(a)中黑极性舰船相对应,由于船身亮度与海面接近而在标准差平面中的起伏相对较小,但在其局部区域范围内却很显著。受舰船尾迹的影响,特征平面中左侧局部范围内起伏较大。

图6为通过Contrast box滤波并结合目标空间结构信息在灰度图像上疑似舰船目标定位和虚警去除后的结果(圆圈标示疑似目标定位结果,矩形标示最终检测结果)。两处由尾迹引起的虚假目标区域在目标验证过程中被成功剔除,最终3艘舰船都被正确检测,没有产生虚警。

文献[4]形态学对比度检测方法首先利用灰度形态学滤波对图像进行平滑,然后对背景进行消解,在消解后图像上进行目标检测。图7是用文献[4]方法进行舰船检测的局部结果图像,对应图5(a)中左上黑、白极性两舰船区域,图中白色像素为检测到的目标点。可以看到该方法没能消除图像中海浪的影响,留下大片的海浪斑点。舰船目标的结构信息在消解过程中存在丢失,黑极性舰船由于与背景相对接近而受到消解,在检测过程中很难与残留的海浪斑点区分开,在检测过程产生漏警。

图8(a)为另一幅大小为1 150 pixels×750 pixels的可见光卫星图像。图中海面存在轻微波浪,有舰船5艘,均呈现黑极性特点,但部分目标中船身局部表面灰度高于海面背景灰度。在模型参数设置相同的情况下,目标检测结果如图8(b)。结果显示,本文方法对于船身表面灰度存在变化的目标仍能实现准确的定位。

5 结论

针对可见光遥感图像,本文提出了一种基于标准差特征平面Contrast box滤波的舰船目标检测方法。在检测过程中充分利用了目标的灰度统计特性和目标的空间结构信息,相对于其他检测算法,能够很好的处理可见光遥感图像中舰船的黑、白极性问题并且不受海面背景亮度变化的影响。实验证明,本文算法目标检测准确率高并具有较强的鲁棒性。在中高分辨率可将光图像中,舰船目标具有更加精细的特征表现,对检测到的舰船进行自动类型识别是下一步研究的重点。

参考文献

[1]种劲松,朱敏慧.SAR图像舰船及尾迹检测研究综述[J].电子学报,2003,31(9):1356-1360.CHONG Jin-song,ZHU Min-hui.Survey of the Study on Ship and Wake Detection in SAR Imagery[J].Acta Electronica Sinica,2003,31(9):1356-1360.

[2]温佩芝,史泽林,于海斌,等.基于小波变换的海面背景红外小目标检测方法[J].光电工程,2004,31(4):38-41.WEN Pei-zhi,SHI Ze-lin,YU Hai-bin,et al.Wavelet transform-based detection method for small IR target in sea background[J].Opto-Electronic Engineering,2004,31(4):38-41.

[3]储昭亮,王庆华,陈海林,等.基于极小误差阈值分割的舰船自动检测方法[J].计算机工程,2007,33(11):239-242CHU Zhao-liang,WANG Qing-hua,CHEN Hai-lin,et al.Ship Auto Detection Method Based on Minimum Error Threshold Segmentation[J].Computer Engineering,2007,33(11):239-242.

[4]肖利平,曹炬,高晓颖.复杂海地背景下的舰船目标检测[J].光电工程,2007,34(6):6-10.XIAO Li-ping,CAO Ju,GAO Xiao-ying.Detection for ship in complicated background of sea and land[J].Opto-Electronic Engineering,2007,34(6):6-10.

[5]David Casasent,Wei su,Deepak Turaga.SAR Ship Detection Using New Conditional Contrast box Filter[C]//SPIE Conference on Algorithm for Synthetic Aperture Radar Imagery.Orlando,Florida,1999:274-284.

[6]Knut Eldhuset.An Automatic Ship and Ship Wake Detection System for Spaceborne SAR Images in Coastal Regions[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote sensing,1996,34(4):1010-1019.

舰船检测 篇6

1 传感器信号的互相关处理

由于信号和噪声是相互独立的过程,根据互相关函数的定义,信号与噪声不相关,利用参考信号与输入的有用信号具有相关性,而参考信号与噪声互不相关,可以达到抑制噪声的目的[1]。

设x(t)是伴有噪声的待测信号,即

其中,s(t)为有用信号,其幅度为A,角频率为ωc,初相角为φ;n(t)为噪声信号。正弦型参考信号为y(t)=B sinωc(t),则二者的互相关函数为

理论上,若T无限长,则有Rny(τ)=0,因此有

式(3)说明,Rxy(τ)正比于有用信号的幅值,若取ωcτ-φ=0,即y(t)与s(t)同相,则Rxy(τ)取最大值。

2 检测电路设计

2.1 电路结构

为了克服极化效应,传感器都采用交流激磁[2],若输入imsin(ωt+φ),则传感器在信号电极间将产生一个交变磁场,可表示为Bmsin(ωt+φ),设两电极间距离为L,且两电极连线安装与舰艇艏艉线相垂直,则感应电势e(t)=BmLv(sinωt+φ),由于噪声的影响,e(t)=BmLv(sinωt+φ)+n(t)。激磁电流幅值和频率均会有微小变动,输出也会随之线性变化,由于采用相关处理的方法,这些不会影响输出结果[3]。

将输入电流i(t)作为检测仪的参考输入信号,参考信号通道包含0~180°移相器[4]。e(t)作为输入信号。图1为检测系统框图,e(t)经过前置放大滤波,与参考信号i(t)同时经过A/D转换,数据送入DSP中先进行频谱分析,由滤波器滤除无用频段,再将参考信号与输入信号进行互相关运算,由于信号频率、相位与参考信号频率、相位均一致,得到的互相关输出噪声很低,互相关函数保留了输入信号的振幅等信息,由此可以检测出微弱的电压信号,后续处理及控制由主板来完成[5]。

2.2 前置放大滤波电路

传感器输出阻抗较高,且其值随环境条件而变化,因此前置放大电路采用了高输入阻抗的高精度仪表放大器AD524[6]。其输入阻抗高达109Ω,低噪音,线性度较好,低失调电压,低漂移且具有高共模抑制比[7]。为了方便改变放大倍数,在AD524输出端串联一块可编程增益放大器AD526,可通过主板编程进行增益的控制[8]。

滤波器采用max267构成的4阶契比雪夫带通滤波器来实现。max267是一种应用非常广泛的4阶开关电容滤波器,中心频率与Q值均可通过芯片引脚方便地选择。芯片有外部时钟的输入引脚,可精确地设定滤波器的中心频率与时钟频率的比值。其中心频率范围0.4 Hz~40 k Hz,时钟频率范围40 Hz~4MHz。max267内部有2个二阶滤波器,每个滤波器均由开关电容网络组成,性能相同,参数也相同,可以级联成4阶、6阶或8阶等更高级的滤波器使用。由于激励源采用50 Hz交流电,故滤波器中心频率f0取50 Hz,带宽BW=f2--f1=80-31.25=48.75 Hz。电路原理图如图2所示。

3 仿真分析

根据检测原理设计仿真。由于传感器激磁信号频率为50 Hz,输出信号也为50 Hz,输出感应电势大小约350μV,放大倍数为200倍。模拟仿真输入信号为x(t)=0.1sin(100πt+φ0)+0.1sin(100πt+φ0+90)+n(t V[9],其中第二项为传感器的90°干扰,n(t)为模拟的高斯噪声,均值为0 V,方差为1。设参考信号为y(t)=2sin(100πt+φ)V。设置采样频率为1 000 Hz,采样点数为N,对输入信号和参考信号进行采样,按照算法进行FFT运算,经过滤波处理后做互相关运算。调节φ的值,当φ=φ0时互相关函数取最大值,这样就得到了输入信号幅值和相位的信息。图3是模拟的含噪声波形。可以看出,信号完全被噪声淹没。图4为仿真结果。从图4可以看出,当增大采样点数时,得到的曲线更加光滑,互相关结果也更接近真值。由于参考信号与输入信号同频同相,所以不仅噪声受到抑制,且传感器的90°干扰信号也受到了抑制。

4 结语

设计了电磁传感器的检测电路,并通过仿真分析提取出了微弱信号的幅值信息。由仿真分析可以看出,即使经过互相关处理,输出波形仍然包含噪声,其幅值信息含有少量噪声信息,故仍需进一步处理,得到更高精度的输入信号信息,例如可以使用小波分析、混沌理论对信号进行预处理。

科技的迅速发展,各种学科相互交叉,提供了很多判断传感器工作状态的方法,例如利用导体在海水中的电化学性质对传感器进行检测,对电磁传感器动态特性进行建模等,这些都将是以后研究的要点。

参考文献

[1]聂春燕,石要武.基于互相关检测和混沌理论的微弱信号检测方法研究[J].仪器仪表学报,2001,22(1).

[2]徐科军.传感器动态特性的实用研究方法[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999:28-62.

[3]戴逸松.微弱信号检测方法及仪器[M].北京:国防工业出版社,1994.

[4]张三慧.大学物理学(第三册)电磁学[M].北京:清华大学出版社,2005.

[5]曾庆勇.微弱信号检测[M].杭州:浙江大学出版社,1994.

[6]刘红丽,李昌禧.一种测量微弱信号的锁定放大电路设计[J].武汉理工大学学报,2002,26(5):619-621.

[7]韩磊,宋诗哲.基于虚拟仪器的便携式腐蚀电化学测试装置[J].仪器仪表学报,2008,29(5).

[8]陈佳圭.微弱信号检测[M].北京:中央广播电视大学出版社,1987.

舰船检测 篇7

舰船高压空气压缩机的气阀数量众多, 工作条件恶劣, 阀片在高温、高压下以很高的频率开启和关闭[1]。例如:某四级高压空气压缩机, 共有吸、排气阀62个, 额定转速为1330rpm, 则吸、排气阀每秒要开关各22次, 阀片两侧作用有一定的压差。因此, 气阀是空气压缩机中最容易损坏的部件。气阀工作可靠性将直接影响压缩机的排量、可靠工作和功率消耗[2]。目前, 舰船上普遍采用的办法是, 利用人的听觉对空气压缩机故障气阀进行判断, 这一方面对维修人员的维修技能和经验要求非常高, 另一方面, 即使具有优秀维修技能的人员, 在62个气阀当中查找到故障气阀平均工时约为2～3小时。因此研制一套气阀故障诊断系统, 对工作中的空气压缩机气阀进行监测和故障诊断, 将故障精确定位到某个气阀, 以减少维修工作量, 提高维修效率, 对空气压缩机气阀检测与维修具有重要意义。

1 检测仪硬件组成

检测仪的总体构成于图1所示, 以微控制器C8051F120为核心, 辅以电源变换、操作按键、LCD显示模块、信号调理电路、AD变换器等组成。

ICP加速度传感器用于探测气阀的振动状态, ICP传感器驱动电路用于给传感器内部放大电路供电;信号调理电路将ICP加速度传感器采集振动信号, 经放大、滤波后送至微控制器C8051F120内部12位AD进行AD变换;C8051F120微控制器为系统核心元件, 用于采集气阀的振动参数、分析气阀的工作状态;电源变换部分提供检测仪的工作电源;操作按键可控制装置的工作状态、查看检测结果等;LCD显示模块显示工作状态和检测结果结果。

1.1 C8051F120单片机

C8051F120单片机是Silicon Labs公司的完全集成的混合信号片上系统型MCU, 有以下主要特性:

高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核, 峰值运行速度达100MIPS

全速、非侵入式的在系统调试接口 (片内)

真正12位100 ksps的ADC, 带PGA和8通道模拟多路开关

真正8位500 ksps的ADC, 带PGA和8通道模拟多路开关

两个12位DAC, 具有可编程数据更新方式

2周期的16×16乘法和累加引擎, 方便进行数字信号处理

128K可在系统编程的FLASH存储器

8448 (8K+256) 字节的片内RAM

可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口

硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口

5个通用的16位定时器

具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列

片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器

因此C8051F120是真正能独立工作的片上系统, 所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置;FLASH存储器还具有在系统重新编程能力, 可用于非易失性数据存储, 并允许现场更新8051固件;由于峰值运行速度高达100MIPS, 且内部具有2周期的16×16乘法和累加引擎, 为数字信号处理提供极大的方便。

1.2 ICP加速度传感器

压电加速度传感器在振动与冲击测试中应用最为广泛, 为减小其灵敏度受电缆分布电容的影响以及电缆芯线和绝缘体之间、绝缘体和金属屏蔽层之间由于相对移动摩擦产生静电荷造成的电缆噪声对传感器输出信号影响, 采用ICP传感器, 其内置集成电路的压电传感器 (Integrated Circuits Piezoelectric) , 与外置前置放大器相比, 可克服以上缺点。

1.3 ICP传感器驱动电路

ICP传感器的内置集成电路需恒流源驱动, 恒流源电路由电压基准LM336通过仪表运算放大器运算放大器组成的V/I变换电路实现, 设基准电压为Vref, 则IE=Vref/Rf, 适当选取Rs, 可得到ICP传感器所需的驱动电流, 如图2所示。

1.4 ICP传感器信号调理电路

如图3所示, ICP传感器供电电缆同时作为振动信号输出线, 由于振动信号为交变信号, 因此通过交流耦合至AD817高速运算放大器组成的高阻抗仪表放大器进行电压放大, 为真实检测信号频谱, 仪表放大器输出经抗混叠低通滤波器后输出至数据采集模块。该部分电路电源为单独电源, 以方便为AD提供双端输入信号, 抑制共模干扰, 提高测量精度。

1.5 AD变换电路

图4给出了AD变换电路, 信号来自于信号调理电路。AD转换器采用MCU内部的12位AD变换器, 采用差动输入方式, 可有效抑制干扰信号, 提高检测精度。AD转换器工作在100 ksps, 根据采样定理, 最高可计算出50KHz频谱分量, 完全满足气阀故障检测的频域分析要求。

1.6 其它电路

LCD显示模块用于显示检测过程和结果, 采用了HB128*240M2型带汉字字库的图形点阵式液晶显示模块, 其控制方式为TTL电平的异步串行通信接口, 如图5所示。

控制按键直接接至单片机的口线上, 用于可控制装置的工作状态、查看检测结果等。

2 检测仪软件设计

软件流程如图6所示, 软件运行分为两个状态, 一是特征提取状态, 微控制器C8051F120采集时域振动信号存储于C8051F120RAM中, 之后进行频谱分析, 得到气阀的故障特征存储于Flash存储器中, 作为故障数据库, 二是故障诊断状态, 在已建立故障库的基础上, 通过C8051F120连续采集空压机气阀的振动信号, 并进行频谱分析, 再与故障库的故障特征进行相关分析, 进行气阀的故障诊断。

3 试验结果

图7给出了空气压缩机气阀工作过程中的振动的时域及频域信号, 其中图7a气阀弹簧故障频域信号。其中图7b气阀正常状态的频域信号, 可以看出, 气阀振动的频域信号在正常状态与故障状态下差异明显。

4 结语

本文基于C8051F120微控制器设计了空气压缩机气阀故障诊断装置, 通过样机的测试表明, 该装置可实现舰船用空气压缩机气阀工作状态的监测和故障的快速诊断, 为空气压缩机气阀故障检测提供了一种有效的手段。

参考文献

[1]高翔.船舶辅助机械[M].北京:国防工业出版社, 2005.

[2]郭林平.空压机气阀故障及其预防[J].贵州化工, 2004, 8 (4) :41-42.

舰船通信安全性分析 篇8

(一) 网络侦查。网络侦查是目前网络通信技术中常见一种网络威胁, 主要通过各种手段来获取到目标舰船的网络结构、网络服务、网络配置以及网络安全漏洞等, 然后利用获得到的目标舰船网络通信系统特征来获取目标舰船的通信信息, 从而找出通信情报。常见的网络侦查方式有主动探测、被动监听、投放木马以及破解密码等, 也有一些非技术手段, 其最终的目的是打探情报, 获取信息, 为下一步的行动方案提供指导。

(二) 网络攻击。网络攻击需要建立在网络侦查的基础上, 通过网络侦查到的数据和信息, 对目标舰船的通信系统中薄弱环节或者漏洞进行针对性的攻击, 从而使目标舰船的通信中断或被破坏, 使目标舰船无法进行正常的通信, 常见的方式有病毒攻击、后门攻击、逻辑攻击、服务攻击以及欺骗攻击等, 其目的就是通过网络攻击是目标舰船处于无法通信的状态, 使目标舰船处于孤立无援的危险境地。

二、舰船通信安全防护策略

(一) 设置网络隔离。网络隔离技术是常用的一种防护技术, 其作用是将对方的网络侦查和网络攻击隔离在舰船的通信网络外, 相当于在舰船网络通信上增加了一个保护膜, 保护膜内部保证网络通信的安全, 防止内部信息被窃取, 从而能够网络数据安全交互。网络隔离的实现方式是在舰船的视频会议系统、闭路电视系统、视频监视系统、电话系统、内部局域网系统中增添网络隔离设备, 隔离设备的要求是不影响舰船内部通信以及内外通信并对外来的网络攻击进行隔离, 保证舰船通信安全。

(二) 设置防火墙。防火墙对于每个人来说并不陌生, 卡巴斯基、金山、360等都是较为出名的防火墙系统, 防火墙就相当于设置起了一面又一面的安全防护墙, 能够抵御外来的网络攻击, 其实现的方式是在舰船通信网络边界上构建起一个网络监控系统, 随时的监控舰船通信的状态, 一旦发现网络遭受攻击或出现异常, 则直接进行消灭、清除并报警, 防火墙根据其设置的位置有多种分类, 如在舰船内部通信网络边界上可以设置其硬防火墙, 在舰船内部局域网主机上设置其软防火墙, 其作用都是为了防止舰船网络和主机受到攻击, 确保舰船通信的安全性。

(三) 提高病毒预防。在网络攻击中, 病毒攻击作为最常见的攻击同时也是危害性极大的攻击, 病毒具有的隐蔽性、破坏性、传染性、寄生性、潜伏性等特点都使舰船的整个通信遭受极大的威胁, 轻则导致通信信息泄露或被窃取, 重则直接导致整个舰船的通信系统瘫痪, 并且由于病毒的传染性和隐藏性很强, 一旦遭受病毒攻击不易完全清除完毕, 因此防病毒攻击技术就成为了舰船通信系统中的重要技术, 需要及时地对舰船通信网络、主机以及终端设备进行防毒、查毒和杀毒, 将舰船通信风险降低, 保证通信安全。

(四) 运用网络入侵检测技术。网络入侵检测技术是整个舰船通信网络边界的又一道防护屏障, 其特点是能够及时的检测舰船内部人员操作是否违规, 同时能够及时地检测出外部网络攻击, 其能够将舰船内部人员的操作和外部网络攻击的所有信息进行收集和记录, 一旦内部人员的操作和外部攻击超过了设置的最低阀值, 则进行及时地报警和切断处理, 从而保证整通信网络安全。

(五) 运用访问控制技术。访问控制技术是一种全方位的保护技术, 能够规范舰船内部通信行为以及内外的信息交互, 防止内外部人员对舰船的网络资源非法进行操作和资源访问, 其实现的方式是对人员的网络访问权限、访问属性、访问方式等进行控制, 人员仅能通过其规定的方式进行资源操作和资源访问, 访问控制技术对于舰船的通信来说能够有效的规范人员的访问行为, 防止敌人冒充, 从而保证舰船通信的规范性。

三、结束语

对于舰船通信来说, 一个安全的、完善的、保密性强的网络通信系统是舰船内部人员开展各类活动的前提和基础, 而面临越来越突出的网络威胁, 为了保证舰船通信的安全性, 需要舰船内部建立起一个安全防护体系, 本文就主要分析了内部安全防护体系中需要运用到的相关安全技术, 采用这些安全防护技术能够极大的避免网络威胁, 为舰船的通信构建起一个安全的通信环境。

参考文献

[1]禹勇, 李继国, 伍玮, 等.基于身份签名方案的安全性分析[J].计算机学报, 2014, (5) :1025-1029.

舰船检测 篇9

关键词：舰船；综合全电力推进；标准

Analysis on Standards for Marine Integrated Full Electric Propulsion System

ZHANG Ping1, CHEN Tao2

(1.Navel Representatives Office of 427 Factory in Guangzhou, Guangzhou 510715; 2. Navel Representatives Office of Jiangnan Shipyard, Shanghai 200011)

Abstract: This paper introduces the main characteristics, significance and standards of marine integrated full electric propulsion technology,analyzes the applicability of existing standards of each system and presents the suggestion for standardization of marine integrated full electric propulsion technology.

Key words: Marine; Integrated full electric propulsion (IFEP); Standard

1 概 述

综合全电力推进技术的特点主要包括：高电压、大容量的电站系统；分布式环型母线结构的配电网络；永磁、多样化的大功率推进电机；拓扑结构优化的变流器；采用集成模块方式的系统设计和新的推进方式等。

发展综合全电力推进系统的主要目的是开发新的推进系统，将发电和能量管理系统一体化，采用最先进的推进电机和电力电子设备，降低系统成本，延长系统寿命，提高系统效率。综合全电力推进系统是未来舰船推进、电力系统的发展方向和趋势。

而面对当前综合全电力推进系统突飞猛进地发展，我国目前还没有针对综合全电力推进系统这一整体相适应的标准，例如《舰船通用规范》对潜艇用电力推进装置做了规范要求，它是综合全电力推进系统的一种简单形式，二者之间存在较大差异。

2 各分系统的特点与相关标准分析

综合全电力推进系统主要包括发电模块、区域配电模块、变流器模块、能量管理（监测与控制）模块及推进电机模块[2]，以下是各模块相关标准的适用情况分析。

2.1 发电模块

水面舰船综合全电力推进系统主发电机组未来的发展方向是采用以燃气轮机为原动机的高速发电机组,特别是采用永磁和高温超导的高速发电机组[1]，目前，有关永磁和高温超导的高速发电机组还处于实验室研究阶段，相关技术问题还有待进一步解决。但随着这些新技术的不断成熟与应用，需要制定一系列标准规范，更好的促进技术的发展进步。

2.2 区域配电模块

《舰船通用规范》只适用于现有干馈式与简单环形结构的交直流配电系统，而对于交流中压（1 kV~15 kV）与分布式直流区域配电系统，它们的电压等级、拓扑结构、设计、电气安全、系统保护等要求都不适用。同时现有标准有关分布式直流区域配电系统的标准规范还处于空白状态。《舰船用分配电箱通用规范》只适用于AC不大于1 000 V、DC不大于1 200 V舰船照明和电力分配电箱； 《舰船电力配电系统通用规范》对于交流中压配电系统也不适用，对于其配电网络结构、电能品质、系统保护、安全性等都需要制定相应的标准。

2.3 变流器模块

《舰船通用规范》、《舰用三相大容量静止变频器通用规范》和《舰用中、小容量静止变频器通用规范》对变流设备的性能、指标、要求做了明确规定，但由于综合全电力推进系统的变流模块采用了以上很多新技术、新器件及新的控制方式，原有的标准规范已并不完全适用，对新型舰船上变流设备的设计、检验验收、维修等带来诸多不便，需要对其中许多标准规范做出修订。

2.4 能量管理(监测与控制)模块

目前有关电站及电气传动控制与监测系统的规范相对较少，仅有《舰船通用规范》对电气集中控制与监测系统，主要是对电站和电气传动设备做了要求与规定。而且综合全电力推进系统的能量管理模块功能更强、范围更广、要求也更高，《舰船通用规范》只是对其监测与控制系统做出要求，并没有对能量管理与分配做出规定，因此有必要对能量管理模块制订新的标准。

2.5 推进电机模块

《舰船通用规范》对潜艇用直流推进电机做了规定和要求，《舰用电机通用规范》适用范围并不包括推进电机，其它标准规范主要是关于控制电机、微特电机及发电机的标准。目前，先进感应电机、永磁推进电机、高温超导电机等还处于项目预研阶段，技术问题有待解决，因此制定相关的标准规范还不够成熟，但确立其标准化需求还是很有必要的。

3 结束语

可以预见综合全电力推进系统将有很好的发展前景。然而，目前我国现有标准规范缺乏与综合全电力推进技术适用性较差，比如区域配电、新型推进电动机、能量管理与分配等，都缺乏相应的标准，这必将严重制约其技术发展，也不利于综合全电力推进舰船的设计、建造、验收工作。

因此，我认为要在充分收集、整理、分析现有技术资料的基础上，深入开展舰船综合全电力推进系统相关标准的需求分析，提出标准制定及修订建议，确保综合全电力推进技术顺利地应用。

参考文献

[1] 郑定泰. 水面舰艇综合电力系统的技术进展[J].舰船科学技术, 2005(5):5-12.

[2] 张伟,陈辉. 面向21世纪的船舶电力推进技术[J].交通科技,2003(2):48-50.

[3] 邓林,印德武,李明. 综合电力系统在舰船上的应用[J].中国舰船研究,2007(4):44-46.

新型舰船轴流风机优化设计 篇10

关键词：风机,低噪声,高效,尺寸小,高流量

随着国内外舰船制造事业的飞速发展, 带动了舰船舱室通风设备的更新升级。高效率、低噪声、重量轻、外形结构紧凑的新型舰船用通风设备将会成为主流产品。而目前舰船用轴流通风机的结构型式过于单一, 外形结构尺寸固化, 对于舰船某些舱室特殊位置的通风换气, 常规型号的轴流风机, 虽然性能参数满足设计要求, 但是由于外形尺寸的限制, 风机不能进行正常安装使用。针对目前舰船用风机的发展现状和主流产品设计趋势, 对舰船上通风设备的优化改进设计, 将是一项很有研究意义的工作。在当前节能低噪声的大背景下, 一种新型的低噪声、高效、结构紧凑的舰船通风设备将会拥最有广阔的风机市场。

1 设计参数及风机结构

本文设计的舰船用轴流风机是对传统型号的轴流风机的一个优化系列产品。具体设计参数为:

风机叶轮直径740mm;

风机转速为1450r/min;

风量27500 (1±5%) m3/h;

全压690Pa;

振动烈度4.5mm/s;

噪声≤90d B;

风机输送介质为空气, 密度为ρ=1.2kg/m3。

风机的基本结构如图1所示:

本文设计的舰船轴流风机主要由风筒、叶轮、静叶支撑及电动机等部件组成。叶轮直接安装在电动机轴上, 电动机借助端盖凸缘上的螺孔与风机内静叶支撑内筒法兰连接。风筒为优质钢板焊接结构, 风机进气端为集流形结构, 排气端带有法兰以便于管道连接。叶轮由轮毂和多片叶片通过螺栓连接组成, 轮毂和叶片均为铸铝材质。叶轮采用静态叶角可调节型结构, 通过在叶轮静态时改变叶片的安装角度, 来调节流量和压力, 以达到多种设计需要。

2 风机气动性能计算

本次设计是以叶轮直径 (即外形结构图中φD=740mm) 740mm做实验样机的型式, 根据样机的设计参数进行的气动性能计算, 风机型号定为JCZT-75, 风机转速n=1450r/min。

2.1 计算比转速ns

由比转速的大小, 参照通风机设计手册中全压系数ηt与比转速ns的关系曲线, 取风机的全压效率ηt=70%。

2.2 叶轮圆周速度Ut

由已知参数叶轮外径D=0.74m, 转速n=1450r/min, 根据叶轮圆周速度计算公式得:

2.3 流量系数

2.4 全压系数Ψt

2.5 确定叶轮轮毂直径d

根据通风机设计手册中Ψt与d軈的关系选择表 (表1) :

取d=0.41m, 即轮毂直径为d=410mm。

则得到轴向速度Ca为:

2.7 判断叶轮叶片根部是否产生气流分离

由上述计算数据及选取的风机的全压效率ηt=70%, 计算风机理论全压系数Ψt·th为:

根据通风机设计手册中给出的通风机最佳计算参数n2=0.15~0.25, 由最佳计算参数和理论全压系数间的关系图, 选取n2=0.25, 则:

λm为平均半径叶片处的展弦比, λm值可在下述范围内取:

所以叶片数量范围Z=10.82× (0.9~1.5) =9.7~16.2。

综合上面的计算和舰船轴流风机的叶轮比较, 取叶片数量Z=16, 即叶轮采用16片铸铝叶片和铸铝轮毂通过螺栓组成。

2.9 计算风机的轴功率N及电动机的选择

由设计参数Q=27500m3/h;P=690 Pa和风机全压效率ηt=70%;则N为:

根据电动机功率与风机轴功率的关系P≥N=8.28kw, 选取电动机的功率为11kw, 转速为1450r/min。

3 主要部件技术要求

3.1 风筒

风机风筒采用优质钢板焊接而成, 保证足够的强度。设计过程中采用先进的ANSYS10.0有限元分析软件, 对风筒进行三维造型, 并模拟分析其强度, 保证其满足使用条件的要求。

3.2 电动机

电机作为风机的重要组成部件, 其防护等级、绝缘等级、防湿热等都要有一定的保证, 选取具有舰船产品制造合格认证的电动机产品。

3.3 叶轮

叶轮作为风机中的关键部件, 重新设计叶型和计算叶片角度, 和风筒一样采用三维Solid Works软件对叶轮进行三维造型设计, 并根据叶轮的三维造型开设模具, 轮毂和叶片均经过模具铸造成型, 保证轮毂和叶片具有良好的型面要求。材料的选择上, 轮毂和叶片我们均采用铸铝材质、并对每件铸件进行X射线探伤检验, 保证其使用寿命和强度。

4 性能试验

由于该型结构风机的设计是对常规舰船轴流风机的优化, 因而该型风机的实际流量和压力计算需要通过试验测得数据, 得出该型号风机的压力-流量关系曲线, 通过将实验数据与设计数据进行对照比较, 得出试验结果。实验记录详见表2, 风机试验性能曲线图如图2所示。

从上表中数据可以清晰的看出, 该型风机各项性能指标不仅均能满足设计参数的要求, 而且通过对风筒结构和叶型的重新设计, 使得该型风机实际性能比预期效果还理想。风机委托中国船舶重工集团公司第七0四研究所, 对样机进行了舰船设备可靠性试验, 并由第七0四研究所出具权威检验报告, 证明风机符合军品设计的规范。

5 结论

该型舰船轴流风机设计满足了小尺寸、中高压高流量要求。在叶轮直径740mm, 叶片数16片, 转速1450r/min的条件下, 最高效率点时的风机流量可以达到28615m3/h、风机全压722Pa、A声级噪声≈85.3d B, 风机实际性能参数均优于原设计值。根据通风机的相似计算原理, 推算出该系列其他机号JCZT-50、55、60、70、80、90、95在不同转速下的各种性能参数。通过与常规舰船轴流风机实际比较, 总结出该型风机优化设计后的优点:

1) 该型舰船轴流风机的叶轮采用叶片静态叶角可调节型结构, 通过对叶片安装角度的调节, 可以得到多种不同的性能参数, 使该型单个型号风机的用途更广。叶轮的轮毂和叶片都经过设计计算后开模具, 采用铸铝材质, 型面更好, 外形更美观;对铸件进行X射线探伤检验, 保证每一枚叶片都具备高强度等优点, 确保间歇性运转的安全可靠铸造而成。

2) 该型舰船轴流风机通过对叶片叶型的流线型优化设计, 使得该系列风机作业状态时的噪声比其他规格轴流风机产品的噪声大大降低;在不影响风机性能的前提下, 对风筒进行了重新设计, 缩短风筒长度的同时, 在进风端设计流线型喇叭口, 不仅改善了风机的通流能力, 还对风机的工作效率大大提升, 并经试验证明整机效率可提高5~7个百分点, 相比其他型号的风机, 该型不仅整机重量较轻, 还起到了很好的节能降噪作用, 更适合现在的产品市场需求。

该型风机已经成功投入中船重工集团第七一一研究所设计的舰艇项目, 并以实现产品的批量生产, 首批产品的使用获得了研究所和船厂的一致好评。

参考文献

[1]商景泰.通风机实用技术手册.北京:机械工业出版社, 2005.

[2]续魁昌, 王洪强, 盖京方.风机手册第2版.北京:机械工业出版社, 2010.

[3]杨诗成.轴流风机[M].北京:水利电力出版社, 1995.

[4]智乃刚, 肖滨诗.风机噪声控制技术.北京:机械工业出版社, 1985.