船舶电子与通信创新实践平台建设

章飞，胡莹

(江苏科技大学 电子信息学院, 江苏 镇江 212100)

一、引言

近年来，船舶工业的快速发展对船舶工业人才培养和船舶科学研究提出了新的更高要求[1-4]。江苏作为造船大省，确定了重点发展中小型船舶制造和配套业的战略。江苏科技大学(以下简称“学校”)是华东地区唯一以船舶行业为背景的高等院校，已为我国船舶工业、地方经济和海军建设输送了大批优秀专业人才，船舶工业的快速发展也给学校发展带来了新的机遇。

目前我国船舶电子产品在国际船舶市场上的占有率较低，提高船舶电子系统的先进性、稳定性、可靠性，形成具有自主知识产权的船舶电子产品是亟待解决的问题，因此近年来对船舶电子与通信人才的需求正不断扩大[5-7]。基于上述需求学校将船舶电子与通信方向作为学校的重要培养方向，目的是为船舶工业培养高素质的电子与通信人才[8]。

面向船舶行业，学校在船舶电子专用设备的电磁兼容、高速数据采集、数据压缩及多平台多传感器的智能信息融合、天线优化设计、雷达目标建模、雷达信号与电磁环境仿真、现代导航、星机双基地SAR成像、船舶信息系统集成、船舶无线通信技术、水声通信及水下信息感知等方面取得了一系列的科研成果，在信息与通信工程学科已逐步形成了船舶电子信息系统、船舶通信与导航、水下信息感知等服务于船舶工业和国防科技的多个学科方向，在船舶电子与通信领域具有较强的基础研究和应用基础研究能力。为了进一步加强特色学科建设，培养特色学科方向，本文提出建设“船舶电子与通信创新实践平台”。该实验平台的建设紧密围绕船舶海洋工程领域，在该领域内形成独特优势，提高培养船舶电子与通信人才的能力和水平，为其他船舶类创新实验室建设提供有益参考。

二、创新实践平台建设的必要性

尽管目前船舶特色电子与通信工程学科已形成船舶雷达信号与信息处理、船舶电子信息系统、船舶通信与导航、图像信息处理与可视化等研究方向，解决了一些理论和技术难题，取得了一系列成果，但是随着船舶与海洋事业的发展，本学科的研究领域也在不断拓宽和深入，对学科建设提出了更高的要求，特别是在当今飞速发展的电子与通信工程领域[9-12]，学校相关的实践条件较为落后，有不少实验项目只能通过计算机仿真来完成，不利于学生的动手能力和创新精神的培养。另外，学科的发展也需要科研工作作为支撑，如果没有一个强大的学科实验和科研平台，很难形成人才聚集效应，难以把专业做大做强，不利于船舶特色的电子与通信工程学科的发展。

“船舶电子与通信创新实践平台”的建设，以现有学科条件为基础，通过申报并获得中央财政支持地方高校发展专项基金，购置一批学科专业急需、有特色、预期效益明显的实验室设备仪器和软件，并进一步凝练学科研究方向，强化学校电子与通信工程人才培养的船舶及国防特色，深化人才培养、教学、科研和管理方面的改革，更好地为船舶系统和国防科技服务。

目前支撑电子工程系研究生和本科生的实验室主要是信息与通信工程学科实验室，该学科实验室主要由船舶通信与导航实验室、船舶电子应用与仿真实验室和水声信息与通信实验室组成，总占地面积约800平方米，主要设备有信号系统实验箱、高频电子线路实验箱、DSP实验教学系统、嵌入式教学实验系统、图像处理平台、X波段微波实验系统、雷达通用信号处理机、雷达显示终端以及示波器、水声通信、水下定位、多普勒测速仪等各类仪器仪表，共约700台(套)，总固定资产达到600多万元，但是目前缺乏一个统一综合的实践创新平台。“船舶电子与通信创新实践平台”的建设正是由此出发，旨在通过建立一个开放的船舶电子信息系统实践创新平台，完善并发展船舶电子与通信教学实践平台，通过创新平台的建立，进一步提高学生的实践创新能力，为相关科学研究提供条件保障。

三、创新实践平台的建设目标

以“信息与通信工程”一级学科建设为动力，以服务地方经济为着力点，将“船舶电子与通信创新实践平台”建设成教学与科研一体的有特色、综合型学科平台。以落实和完善研究生培养方案为基本出发点，以研究生和本科生为主体，建立有利于培养学生实践能力和创新能力的实验教学平台；建设仪器设备先进、资源共享、开放运行的科研实验平台，兼顾实验教学；建设满足专业实验教学需要的高质量实验教学队伍，全面提高实验教学水平；建立高效、可持续发展的实验室管理机制。

一是围绕信息与通信工程一级学科，构建一个仪器设备先进、资源共享、开放运行的船舶电子与通信创新实践综合平台，满足研究生培养方案要求，强化研究生的实践能力，提高研究生的培养质量，培养适合电子信息行业及船舶工业需要的具有实践能力的应用型高级专门人才，并逐渐形成船舶通信与导航的学科方向，满足研究生教学和本科生毕业设计以及教师科研等的需要。

二是通过实验室建设加强师资队伍建设，全面提高实验教学队伍和理论教学队伍的综合素质，凝聚本专业科研力量，融合现有学科方向专长，进而形成具有船舶特色的专业方向，为学科建设提供有力支持。

三是以实验室建设促进管理机制建设，建立高效、可持续发展的实验室管理模式，为实验教学、学生和教师技能训练以及研究开发提供必要的保障。

四、创新实践平台的主要建设内容

“船舶电子与通信创新实践平台”以电子系学科为基础，在发挥原有学科研究方向的基础上，紧密围绕学校船舶与海洋工程，重基础的同时突出特色。该平台包含四个分实验室：舰载相控阵雷达信号处理实验室；船舶现代通信与网络技术实验室；海洋信息感知与处理技术实验室和船舶电子系统可靠性实验室。如图1所示。

图1 船舶电子与通信创新实践平台结构组成

1.舰载相控阵雷达信号处理实验室

以船舶通信与导航研究方向、雷达信号处理研究方向及船舶通信与导航实验室为依托，组建舰载相控阵雷达信号处理实验分室。舰载相控阵雷达是先进舰载平台的核心传感器之一，舰载相控阵雷达信号处理实验分室的构建，将有利于教师、学生了解雷达学科的研究前沿，为新体制雷达的设计、生产提供信号处理基础。舰载雷达通过辐射电磁波来完成对海面及空中目标的探测与定位。雷达信号分析处理系统是整个雷达系统的关键，需要完成对回波信号的接收、变换、处理和目标参数提取及显示等功能，是船舶电子与通信创新实践平台的重要组成部分。建设内容如下：

以Agilent ADS 软件为核心，构建雷达信号设计、雷达回波模拟、雷达探测环境建模系统及雷达信号回放系统，达到如下要求：满足现有雷达型号和预研雷达型号的调制类型要求的信号模型；在标准目标回波模型中，引入海杂波、噪声干扰等模型，仿真受干扰的雷达回波信号，再利用矢量信号源完成波形数据的DAC处理并调制输出，实现雷达探测环境的建模；根据ADS提供的开放目标模型，建立雷达目标回波模拟系统；通过信号存储工具的高速PCI数据传输通道，将硬盘作为矢量信号源的波形存储器，满足长时间波形建立的要求，有利于科研和教学中进行雷达信号的非实时处理，以进一步提高对雷达信号分析处理的能力。

2.船舶现代通信与网络技术实验室

该实验室以现代无线和有线通信技术为基础，重点建设船舶流媒体通信和船舶异构网络互联和通信技术。

(1)船舶流媒体通信系统：以GIS电子海图为终端应用系统，通过无线通信技术，构筑面向船舶内部、船与船之间、船与岸之间的信息交流和实时移动监控的流媒体通信系统。该系统既可以仿真船舶内部通信，又可以仿真信息压缩融合，还能够仿真船舶之间以及船舶和岸导机构之间的实时通信。该系统通过数据采集设备采集有用信息，并通过信息处理平台采用多种压缩编码方案对视频、音频进行压缩编码，将GPS船位信息以及罗经的船位信息同步融合到音视频编码信息中，形成流媒体信息。通过无线通信协议TCP/IP、UDP、串口通信、蓝牙通信等实现船内的组网，实现流媒体的实时发送和接收，实现流媒体船与船以及船与岸之间的通信。

(2)船舶异构网络通信：“船联网”是当前船舶信息技术发展的重要目标[13-14]。船舶异构网络通信系统作为“船联网”的核心，将船舶内部、船与船、船与岸基、船与卫星、船与水下探测器、岸基与管理服务中心等多种结构和种类的网络融合构成统一的通信网络，通过各类接入设备实现异构网络的融合，通过模拟云计算中心，实现船舶状态、资源等不同类型信息的共享和综合处理，极大提高管理服务效率。

3.海洋信息感知与处理技术实验室

该实验室以海洋信息感知的手段与技术为重点，以现有的雷达信号处理研究方向及图像信息处理研究方向为依托，以原有的船舶通信与导航实验室为基础，重点从SAR海洋感知和海洋声学感知进行建设。

(1)SAR海洋图像感知：主要建设SAR回波仿真系统、SAR成像及评估系统和SAR图像处理系统、视觉测量及水下机器视觉系统、水下机器视觉感知平台系统。以SAR以及图像处理理论为基础，构建SAR回波仿真及成像系统以及SAR图像处理系统；围绕微波、天线等电子设备和应用技术，通过实物、半实物与仿真等手段，使学生熟悉雷达信号处理和图像处理的基本原理，掌握天线与微波理论、合成孔径雷达成像、图像处理等相关的应用技术、信息处理方法等；以机器视觉技术、计算机应用技术、光学工程及图像处理技术等为基础，研究水下成像及测量技术，可以解决产品缺陷检测、水下自动目标识别和多源图像信息融合中的技术问题。

(2)海洋声学信息处理技术：主要建设水下声学探测系统、水下信息传输系统。通过购置相应设备和仿真软件[15-16]，以现有试验环境为基础构建一个半实物的水下声学探测仿真系统，可供组建声呐实物演示系统和半实物仿真系统，将水声测量所采集的数据作为信号分析的对象，在此基础上从事二次开发和算法验证。基于脐带缆将控制单元与水下机器人连接，负责将高清晰摄像机获取的目标影像、前视声呐采集的目标声像和其他仪器的数据信号大容量实时地传输至上位机，并在已有通信技术和水声信号处理的基础上，融合水下无线传感器网络和船舶无线通信实验平台，进行更大范围内网络通信的技术研究。

4.船舶电子系统可靠性实验室

面向船舶电磁兼容，构建舰载平台多天线辐射特性和天线最佳分布仿真系统、船舶电缆耦合干扰仿真系统、舰载大功率设备辐射仿真系统和舰载机柜的电磁兼容仿真系统；面向船舶电子系统可靠性，构建电子产品可靠性测试与分析系统与电子系统综合可靠性测试与分析系统。

船舶电磁兼容系统通过建立天线辐射模型、天线耦合模型、舰船结构电磁散射模型等天线有关参数的模型，在电磁兼容仿真软件平台上对多天线的辐射特性进行仿真，对船上天线最佳布置性能进行评估；建立船舶电缆屏蔽电缆空间场电磁耦合模型，预测电磁场对屏蔽电缆耦合影响；对雷达设备的中波、短波、甚高频微波天线以及推进设备进行建模，针对设备周围金属物结构、距离以及信号幅度和频率等不同因素，仿真计算其近场功率密度，为天线的布置、武备系统的配置、推动系统的分舱和屏蔽以及人员安全活动区的划分提供参考。

通过对船舶电子产品施加气候和机械以及电应力，完成对船舶电子产品进行可靠性工程试验和统计试验，并通过对故障的分析，得到产品的故障发生机理和规律；通过对船舶电子系统的硬件接口、软件功能等进行分析，建立系统可靠性的测试分析剖面，根据不同的测试策略生成测试用例，驱动和执行测试用例，得到测试数据，并对测试数据进行可靠性分析，得到船舶电子系统的综合可靠性。

五、建成效益分析

“船舶电子与通信创新实践平台”建成后能满足包括电子信息学院、船海学院、计算机学院、机械工程学院、数理学院等院系有关教师、研究生和本科生技能训练、科学研究、实践创新、承担课题、应用开发的需求，能够满足“船用无线电通信设备”“船舶通信系统”“船舶电子导论”“船用电子设备”“雷达原理”“数字图像处理”“信息论与编码”“光电子技术”“通信原理”“电磁场理论”“软件工程”“光纤通信”“传感器技术”“无线传感器网络”等多门与船舶电子设备与技术、信号和信息处理方法及应用、通信与信息系统等相关的课程实验教学，充分体现研究生培养方案中的专业特色要求。

1.教学和学科建设效益

建成后的创新实践平台能够承担本科生和研究生的多门课程实验教学任务，预计每年实验量增加近2500人时数。此外，还可以为研究生和教师的相关课题研究、本科生的毕业设计提供平台。本实践创新平台开展仿真与半实物仿真系统研究，涉及大量算法分析与设计和相关软件开发工作，同时也涉及相应硬件的建设，所取得的成果，能够进一步促进信息与通信工程一级学科点的建设。

2.科研和社会效益

建成后的创新实践平台，除了完成实验教学任务外，可充分发挥其设备和技术优势，加强学校研究特色，进一步开展科学研究和实验教学研究，承担更多、更高层次的科研项目，增加学科知名度，增强实验教学的创新能力。此外，该创新实践平台的建设实施，能为周边光电信息行业和船舶企业相关部门和人员提供试验、咨询、指导和科研成果产业化等服务，进一步提高学校人才培养质量，强化学科建设方向，拓宽科研渠道，增强为地方经济建设的服务能力。

六、保障条件及措施

目前信息与通信工程实验室已具备一定的规模，在信号与信息处理技术和船舶电子方面拥有多位高水平的教师，实验室教师也具有多年的实验教学经验，具备建设上水平、多学科综合实验室所需的人才、技术、管理等基本条件，可以保障建成后的船舶电子通信创新实践平台的日常管理和正常运行。

为使创新实践平台建设顺利进行和持续发展，教师团队要积极参加全国及江苏省高等学校实验室工作研究会的学术活动，认真总结广大实验室工作者的实验经验，推广改革成果；深入开展实验教学质量规范、技术装备规范、管理制度规范等方面的理论研究；鼓励实验人员和实验技术人员申报各类实验技术开发项目，提高科研能力和层次；积极创造条件，保证实验技术人员有机会参加学术活动，使实验室工作经验和改革成果得到交流。