船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺建設

章飛，胡瑩

(江蘇科技大學 電子信息學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

一、引言

近年來，船舶工業(yè)的快速發(fā)展對船舶工業(yè)人才培養(yǎng)和船舶科學研究提出了新的更高要求[1-4]。江蘇作為造船大省，確定了重點發(fā)展中小型船舶制造和配套業(yè)的戰(zhàn)略。江蘇科技大學(以下簡稱“學校”)是華東地區(qū)唯一以船舶行業(yè)為背景的高等院校，已為我國船舶工業(yè)、地方經濟和海軍建設輸送了大批優(yōu)秀專業(yè)人才，船舶工業(yè)的快速發(fā)展也給學校發(fā)展帶來了新的機遇。

目前我國船舶電子產品在國際船舶市場上的占有率較低，提高船舶電子系統的先進性、穩(wěn)定性、可靠性，形成具有自主知識產權的船舶電子產品是亟待解決的問題，因此近年來對船舶電子與通信人才的需求正不斷擴大[5-7]?；谏鲜鲂枨髮W校將船舶電子與通信方向作為學校的重要培養(yǎng)方向，目的是為船舶工業(yè)培養(yǎng)高素質的電子與通信人才[8]。

面向船舶行業(yè)，學校在船舶電子專用設備的電磁兼容、高速數據采集、數據壓縮及多平臺多傳感器的智能信息融合、天線優(yōu)化設計、雷達目標建模、雷達信號與電磁環(huán)境仿真、現代導航、星機雙基地SAR成像、船舶信息系統集成、船舶無線通信技術、水聲通信及水下信息感知等方面取得了一系列的科研成果，在信息與通信工程學科已逐步形成了船舶電子信息系統、船舶通信與導航、水下信息感知等服務于船舶工業(yè)和國防科技的多個學科方向，在船舶電子與通信領域具有較強的基礎研究和應用基礎研究能力。為了進一步加強特色學科建設，培養(yǎng)特色學科方向，本文提出建設“船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺”。該實驗平臺的建設緊密圍繞船舶海洋工程領域，在該領域內形成獨特優(yōu)勢，提高培養(yǎng)船舶電子與通信人才的能力和水平，為其他船舶類創(chuàng)新實驗室建設提供有益參考。

二、創(chuàng)新實踐平臺建設的必要性

盡管目前船舶特色電子與通信工程學科已形成船舶雷達信號與信息處理、船舶電子信息系統、船舶通信與導航、圖像信息處理與可視化等研究方向，解決了一些理論和技術難題，取得了一系列成果，但是隨著船舶與海洋事業(yè)的發(fā)展，本學科的研究領域也在不斷拓寬和深入，對學科建設提出了更高的要求，特別是在當今飛速發(fā)展的電子與通信工程領域[9-12]，學校相關的實踐條件較為落后，有不少實驗項目只能通過計算機仿真來完成，不利于學生的動手能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。另外，學科的發(fā)展也需要科研工作作為支撐，如果沒有一個強大的學科實驗和科研平臺，很難形成人才聚集效應，難以把專業(yè)做大做強，不利于船舶特色的電子與通信工程學科的發(fā)展。

“船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺”的建設，以現有學科條件為基礎，通過申報并獲得中央財政支持地方高校發(fā)展專項基金，購置一批學科專業(yè)急需、有特色、預期效益明顯的實驗室設備儀器和軟件，并進一步凝練學科研究方向，強化學校電子與通信工程人才培養(yǎng)的船舶及國防特色，深化人才培養(yǎng)、教學、科研和管理方面的改革，更好地為船舶系統和國防科技服務。

目前支撐電子工程系研究生和本科生的實驗室主要是信息與通信工程學科實驗室，該學科實驗室主要由船舶通信與導航實驗室、船舶電子應用與仿真實驗室和水聲信息與通信實驗室組成，總占地面積約800平方米，主要設備有信號系統實驗箱、高頻電子線路實驗箱、DSP實驗教學系統、嵌入式教學實驗系統、圖像處理平臺、X波段微波實驗系統、雷達通用信號處理機、雷達顯示終端以及示波器、水聲通信、水下定位、多普勒測速儀等各類儀器儀表，共約700臺(套)，總固定資產達到600多萬元，但是目前缺乏一個統一綜合的實踐創(chuàng)新平臺。“船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺”的建設正是由此出發(fā)，旨在通過建立一個開放的船舶電子信息系統實踐創(chuàng)新平臺，完善并發(fā)展船舶電子與通信教學實踐平臺，通過創(chuàng)新平臺的建立，進一步提高學生的實踐創(chuàng)新能力，為相關科學研究提供條件保障。

三、創(chuàng)新實踐平臺的建設目標

以“信息與通信工程”一級學科建設為動力，以服務地方經濟為著力點，將“船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺”建設成教學與科研一體的有特色、綜合型學科平臺。以落實和完善研究生培養(yǎng)方案為基本出發(fā)點，以研究生和本科生為主體，建立有利于培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的實驗教學平臺；建設儀器設備先進、資源共享、開放運行的科研實驗平臺，兼顧實驗教學；建設滿足專業(yè)實驗教學需要的高質量實驗教學隊伍，全面提高實驗教學水平；建立高效、可持續(xù)發(fā)展的實驗室管理機制。

一是圍繞信息與通信工程一級學科，構建一個儀器設備先進、資源共享、開放運行的船舶電子與通信創(chuàng)新實踐綜合平臺，滿足研究生培養(yǎng)方案要求，強化研究生的實踐能力，提高研究生的培養(yǎng)質量，培養(yǎng)適合電子信息行業(yè)及船舶工業(yè)需要的具有實踐能力的應用型高級專門人才，并逐漸形成船舶通信與導航的學科方向，滿足研究生教學和本科生畢業(yè)設計以及教師科研等的需要。

二是通過實驗室建設加強師資隊伍建設，全面提高實驗教學隊伍和理論教學隊伍的綜合素質，凝聚本專業(yè)科研力量，融合現有學科方向專長，進而形成具有船舶特色的專業(yè)方向，為學科建設提供有力支持。

三是以實驗室建設促進管理機制建設，建立高效、可持續(xù)發(fā)展的實驗室管理模式，為實驗教學、學生和教師技能訓練以及研究開發(fā)提供必要的保障。

四、創(chuàng)新實踐平臺的主要建設內容

“船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺”以電子系學科為基礎，在發(fā)揮原有學科研究方向的基礎上，緊密圍繞學校船舶與海洋工程，重基礎的同時突出特色。該平臺包含四個分實驗室：艦載相控陣雷達信號處理實驗室；船舶現代通信與網絡技術實驗室；海洋信息感知與處理技術實驗室和船舶電子系統可靠性實驗室。如圖1所示。

圖1 船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺結構組成

1.艦載相控陣雷達信號處理實驗室

以船舶通信與導航研究方向、雷達信號處理研究方向及船舶通信與導航實驗室為依托，組建艦載相控陣雷達信號處理實驗分室。艦載相控陣雷達是先進艦載平臺的核心傳感器之一，艦載相控陣雷達信號處理實驗分室的構建，將有利于教師、學生了解雷達學科的研究前沿，為新體制雷達的設計、生產提供信號處理基礎。艦載雷達通過輻射電磁波來完成對海面及空中目標的探測與定位。雷達信號分析處理系統是整個雷達系統的關鍵，需要完成對回波信號的接收、變換、處理和目標參數提取及顯示等功能，是船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺的重要組成部分。建設內容如下：

以Agilent ADS 軟件為核心，構建雷達信號設計、雷達回波模擬、雷達探測環(huán)境建模系統及雷達信號回放系統，達到如下要求：滿足現有雷達型號和預研雷達型號的調制類型要求的信號模型；在標準目標回波模型中，引入海雜波、噪聲干擾等模型，仿真受干擾的雷達回波信號，再利用矢量信號源完成波形數據的DAC處理并調制輸出，實現雷達探測環(huán)境的建模；根據ADS提供的開放目標模型，建立雷達目標回波模擬系統；通過信號存儲工具的高速PCI數據傳輸通道，將硬盤作為矢量信號源的波形存儲器，滿足長時間波形建立的要求，有利于科研和教學中進行雷達信號的非實時處理，以進一步提高對雷達信號分析處理的能力。

2.船舶現代通信與網絡技術實驗室

該實驗室以現代無線和有線通信技術為基礎，重點建設船舶流媒體通信和船舶異構網絡互聯和通信技術。

(1)船舶流媒體通信系統：以GIS電子海圖為終端應用系統，通過無線通信技術，構筑面向船舶內部、船與船之間、船與岸之間的信息交流和實時移動監(jiān)控的流媒體通信系統。該系統既可以仿真船舶內部通信，又可以仿真信息壓縮融合，還能夠仿真船舶之間以及船舶和岸導機構之間的實時通信。該系統通過數據采集設備采集有用信息，并通過信息處理平臺采用多種壓縮編碼方案對視頻、音頻進行壓縮編碼，將GPS船位信息以及羅經的船位信息同步融合到音視頻編碼信息中，形成流媒體信息。通過無線通信協議TCP/IP、UDP、串口通信、藍牙通信等實現船內的組網，實現流媒體的實時發(fā)送和接收，實現流媒體船與船以及船與岸之間的通信。

(2)船舶異構網絡通信：“船聯網”是當前船舶信息技術發(fā)展的重要目標[13-14]。船舶異構網絡通信系統作為“船聯網”的核心，將船舶內部、船與船、船與岸基、船與衛(wèi)星、船與水下探測器、岸基與管理服務中心等多種結構和種類的網絡融合構成統一的通信網絡，通過各類接入設備實現異構網絡的融合，通過模擬云計算中心，實現船舶狀態(tài)、資源等不同類型信息的共享和綜合處理，極大提高管理服務效率。

3.海洋信息感知與處理技術實驗室

該實驗室以海洋信息感知的手段與技術為重點，以現有的雷達信號處理研究方向及圖像信息處理研究方向為依托，以原有的船舶通信與導航實驗室為基礎，重點從SAR海洋感知和海洋聲學感知進行建設。

(1)SAR海洋圖像感知：主要建設SAR回波仿真系統、SAR成像及評估系統和SAR圖像處理系統、視覺測量及水下機器視覺系統、水下機器視覺感知平臺系統。以SAR以及圖像處理理論為基礎，構建SAR回波仿真及成像系統以及SAR圖像處理系統；圍繞微波、天線等電子設備和應用技術，通過實物、半實物與仿真等手段，使學生熟悉雷達信號處理和圖像處理的基本原理，掌握天線與微波理論、合成孔徑雷達成像、圖像處理等相關的應用技術、信息處理方法等；以機器視覺技術、計算機應用技術、光學工程及圖像處理技術等為基礎，研究水下成像及測量技術，可以解決產品缺陷檢測、水下自動目標識別和多源圖像信息融合中的技術問題。

(2)海洋聲學信息處理技術：主要建設水下聲學探測系統、水下信息傳輸系統。通過購置相應設備和仿真軟件[15-16]，以現有試驗環(huán)境為基礎構建一個半實物的水下聲學探測仿真系統，可供組建聲吶實物演示系統和半實物仿真系統，將水聲測量所采集的數據作為信號分析的對象，在此基礎上從事二次開發(fā)和算法驗證?；谀殠Ю|將控制單元與水下機器人連接，負責將高清晰攝像機獲取的目標影像、前視聲吶采集的目標聲像和其他儀器的數據信號大容量實時地傳輸至上位機，并在已有通信技術和水聲信號處理的基礎上，融合水下無線傳感器網絡和船舶無線通信實驗平臺，進行更大范圍內網絡通信的技術研究。

4.船舶電子系統可靠性實驗室

面向船舶電磁兼容，構建艦載平臺多天線輻射特性和天線最佳分布仿真系統、船舶電纜耦合干擾仿真系統、艦載大功率設備輻射仿真系統和艦載機柜的電磁兼容仿真系統；面向船舶電子系統可靠性，構建電子產品可靠性測試與分析系統與電子系統綜合可靠性測試與分析系統。

船舶電磁兼容系統通過建立天線輻射模型、天線耦合模型、艦船結構電磁散射模型等天線有關參數的模型，在電磁兼容仿真軟件平臺上對多天線的輻射特性進行仿真，對船上天線最佳布置性能進行評估；建立船舶電纜屏蔽電纜空間場電磁耦合模型，預測電磁場對屏蔽電纜耦合影響；對雷達設備的中波、短波、甚高頻微波天線以及推進設備進行建模，針對設備周圍金屬物結構、距離以及信號幅度和頻率等不同因素，仿真計算其近場功率密度，為天線的布置、武備系統的配置、推動系統的分艙和屏蔽以及人員安全活動區(qū)的劃分提供參考。

通過對船舶電子產品施加氣候和機械以及電應力，完成對船舶電子產品進行可靠性工程試驗和統計試驗，并通過對故障的分析，得到產品的故障發(fā)生機理和規(guī)律；通過對船舶電子系統的硬件接口、軟件功能等進行分析，建立系統可靠性的測試分析剖面，根據不同的測試策略生成測試用例，驅動和執(zhí)行測試用例，得到測試數據，并對測試數據進行可靠性分析，得到船舶電子系統的綜合可靠性。

五、建成效益分析

“船舶電子與通信創(chuàng)新實踐平臺”建成后能滿足包括電子信息學院、船海學院、計算機學院、機械工程學院、數理學院等院系有關教師、研究生和本科生技能訓練、科學研究、實踐創(chuàng)新、承擔課題、應用開發(fā)的需求，能夠滿足“船用無線電通信設備”“船舶通信系統”“船舶電子導論”“船用電子設備”“雷達原理”“數字圖像處理”“信息論與編碼”“光電子技術”“通信原理”“電磁場理論”“軟件工程”“光纖通信”“傳感器技術”“無線傳感器網絡”等多門與船舶電子設備與技術、信號和信息處理方法及應用、通信與信息系統等相關的課程實驗教學，充分體現研究生培養(yǎng)方案中的專業(yè)特色要求。

1.教學和學科建設效益

建成后的創(chuàng)新實踐平臺能夠承擔本科生和研究生的多門課程實驗教學任務，預計每年實驗量增加近2500人時數。此外，還可以為研究生和教師的相關課題研究、本科生的畢業(yè)設計提供平臺。本實踐創(chuàng)新平臺開展仿真與半實物仿真系統研究，涉及大量算法分析與設計和相關軟件開發(fā)工作，同時也涉及相應硬件的建設，所取得的成果，能夠進一步促進信息與通信工程一級學科點的建設。

2.科研和社會效益

建成后的創(chuàng)新實踐平臺，除了完成實驗教學任務外，可充分發(fā)揮其設備和技術優(yōu)勢，加強學校研究特色，進一步開展科學研究和實驗教學研究，承擔更多、更高層次的科研項目，增加學科知名度，增強實驗教學的創(chuàng)新能力。此外，該創(chuàng)新實踐平臺的建設實施，能為周邊光電信息行業(yè)和船舶企業(yè)相關部門和人員提供試驗、咨詢、指導和科研成果產業(yè)化等服務，進一步提高學校人才培養(yǎng)質量，強化學科建設方向，拓寬科研渠道，增強為地方經濟建設的服務能力。

六、保障條件及措施

目前信息與通信工程實驗室已具備一定的規(guī)模，在信號與信息處理技術和船舶電子方面擁有多位高水平的教師，實驗室教師也具有多年的實驗教學經驗，具備建設上水平、多學科綜合實驗室所需的人才、技術、管理等基本條件，可以保障建成后的船舶電子通信創(chuàng)新實踐平臺的日常管理和正常運行。

為使創(chuàng)新實踐平臺建設順利進行和持續(xù)發(fā)展，教師團隊要積極參加全國及江蘇省高等學校實驗室工作研究會的學術活動，認真總結廣大實驗室工作者的實驗經驗，推廣改革成果；深入開展實驗教學質量規(guī)范、技術裝備規(guī)范、管理制度規(guī)范等方面的理論研究；鼓勵實驗人員和實驗技術人員申報各類實驗技術開發(fā)項目，提高科研能力和層次；積極創(chuàng)造條件，保證實驗技術人員有機會參加學術活動，使實驗室工作經驗和改革成果得到交流。