CN116055689B - 一种水下大型潜航器水面观测系统及观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下大型潜航器水面观测系统及观测方法，包括：水面目标检测识别单元，用于采集水面图像数据并识别目标，实时传输至操控显示终端，水面目标检测识别单元具有载压水模块，通过压载水量调节自身的重力与浮力；水下收放装置，用于对水面目标检测识别单元进行释放和回收操作；操控显示终端，作为水面观测系统的指挥控制中心；水面目标检测识别单元还包括目标识别模块、AIS接收器和AIS决策模块；目标识别模块和AIS接收器分别将并将水面图像识别结果和从AIS获取的周边水面船只系泊信息传输至AIS决策模块进行判断，AIS决策模块将判断结果实时传输至操控显示终端，进行汇总决策。本系统和方法具有更好的目标识别精度并且具有更高的安全性。

Description

一种水下大型潜航器水面观测系统及观测方法

技术领域

本发明涉及海洋航行技术及水下潜航器技术领域，具体涉及一种水下大型潜航器水面观测系统及观测方法。

背景技术

本发明中所述大型潜航器是指排水量达50吨以上的潜航器，包括有人潜艇或无人潜航器等。

在大型潜航器执行作业任务时，时常需要上浮至水面利用全球定位系统进行导航误差修正或实现对水面船只系泊情况的观测，然而上浮水面若有其他船只、海上监测系统，则大型潜航器会面临极大风险。研究表明，在天气良好的情况下，长度为12m的大型潜航器其光学隐蔽深度仅为25-35ｍ，此时，在200m高空仅通过目力、望远镜或光学相机即可观测到大型潜航器，对大型潜航器的安全与隐蔽性构成极大威胁。

除上述缺陷外，大型潜航器上常用的海面观测系统常出现（1）上浮过程中，由于对水面船只运动情况不明，存在碰撞的风险。（2）在海况恶劣的环境下，观测系统的准确性较差。（3）现有算法对水面目标的识别与稳定跟踪能力不足。（4）现有技术中，由升降杆控制的摄像头伸出水面的高度不足，易受海浪影响。（5）现有技术中，水面观测模块抗倾覆性较差。（6）现有技术大多采用单摄像头，不能实现360°全方位同时观测。（7）与水下平台刚性连接的水面观测模块在观测过程中会受到水下平台运动的影响。（8）在夜晚及海雾等可视性较差的情况下，单纯的光学摄像头无法完成观测任务。（9）水面观测模块未携带北斗模块，导航定位需要潜航器浮出水面。等多项问题。

因此，发明一种可实现在水下自由释放及回收、在恶劣海况下实现稳定观测跟踪、具备卫星定位功能、鲁棒性好的水面观测装置对保障大型潜航器的安全隐蔽性航行具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种能够精确识别水面船只或障碍物以规避碰撞的水下大型潜航器水面观测系统及观测方法。本发明中所述大型潜航器是指排水量达50吨以上的潜航器，本系统可广泛适用于有人潜艇或无人潜航器等。

为实现上述目的，本发明提供一种水下大型潜航器水面观测系统，所述系统包括：

水面目标检测识别单元，用于采集水面图像数据并识别目标，实时传输至操控显示终端，水面目标检测识别单元具有载压水模块，通过压载水量调节自身的重力与浮力；

水下收放装置，用于对水面目标检测识别单元进行释放和回收操作；

操控显示终端，作为水面观测系统的指挥控制中心，可对水面目标检测识别单元传回的图像数据以及进行采集、处理和显示，实现对水面目标检测识别单元和水下收放装置的控制；

其中，水面目标检测识别单元还包括目标识别模块、AIS接收器和AIS决策模块；目标识别模块和AIS接收器分别将并将水面图像识别结果和从AIS获取的周边水面船只系泊信息传输至AIS决策模块进行判断，AIS决策模块将判断结果实时传输至操控显示终端，进行汇总决策。

进一步，所述水面目标识别单元包括低密度浮标舱体、水面成像组件、综合控制箱、压载水模块和深度计；

所述水面成像组件通过摄像头采集海面目标光学影像，完成360°视野范围内观测；综合控制箱包含通信主控模块、目标识别模块、目标跟踪模块、磁罗经及北斗模块，实现供电、定位、定向功能；目标识别模块和目标跟踪模块通过大气光强值估计和图像对应透射率图，为水面目标检测识别单元提供算法支撑；压载水模块由压载水舱和水泵组成，用于水面目标检测识别单元释放与回收时通过压载水量调节系统的重力与浮力。

进一步，其中水面成像组件包括多个全景相机、自稳云台以及防水透明罩和升降杆，全景相机安装在自稳云台上，之后两者置于防水透明罩内，防水透明罩与升降杆连接，使用时升降杆伸出，使水面成像组件置于浮标舱体上方且高于水面设定距离。

进一步，低密度浮标舱体分为综合控制箱室、压载水舱室和水面成像组件回收安置区，水面成像组件回收安置区位于压载水舱室中心并通过浮标舱体的第一隔板与压载水舱室隔离开，第一隔板形成的圆柱形内腔成为水面成像组件回收安置区；综合控制箱室位于低密度浮标舱体的下层，通过低密度浮标舱体的第二隔板与压载水舱室隔离开。

进一步，所述自稳云台包括由方位座、俯仰球及支撑结构组成的转台，和由陀螺、控制单元、伺服执行机构组成的陀螺伺服系统。

进一步，所述升降杆采用气动式，通过对气缸内注入与排出空气实现气缸上升与下降运动。

进一步，水下收放装置包括释放器、主驱动电机、牵引电机、牵引导向部、压绳装置、排线装置和绞车框架；回收时牵引电机将拖拽力作用至线缆上，使得线缆受到拉力，向绞车框架内回收，之后经压绳装置和牵引导向部到达排线装置，最后在主驱动电机作用下将线缆圈起回收，由此实现对水面目标识别单元的回收。

进一步，所述释放器可实现在接收到操控显示终端指令后释放水面目标识别单元，并在回收水面目标识别单元时实现锁紧功能；释放器为声学释放器或机械锁紧装置。

进一步，AIS决策模块获取AIS接收器所采集的船只系泊及航行信息，并结合北斗模块传回的信息及目标识别模块的水面目标识别结果进行数据融合与船只信息综合绘算决策；结合AIS接收器采集的信息与目标识别模块识别到的船只信息，通过AIS决策模块内嵌程序对两者船只信息的时间和空间情况进行船只信息的相关性判断，将达到置信度阈值的船只判断为同一目标，标记为AIS识别船只；其余为AIS接收器未接收到但被目标识别模块识别出的船只标记为AIS未识别船只；将AIS未识别船只的信息进行重点标记，并发送至目标跟踪模块；AIS决策模块将判断结果发送至操控显示终端进行汇总决策；对AIS未识别船只通过目标跟踪模块进行进一步跟踪观测，并将观测结果实时汇总至操控显示终端。

另一方面，本发明提供一种水下大型潜航器水面观测方法，所述方法包括以下步骤：

S1.水下大型潜航器需要对海面进行观测时，可通过操控显示终端对水下收放装置及水面目标识别单元发出释放指令，在收到释放指令后水下收放装置中的释放器从锁紧状态转变为释放状态，水面目标识别单元内部压载水舱开始排水，此时水面目标识别单元浮力大于重力，开始上浮；

S2.在水面目标识别单元上浮至露出水面并达到设定深度时，停止放缆，升降杆开始伸出，使成像组件置于浮标舱体上方且距水面预定距离；在操控显示终端启动水面目标检测系统以及对观测设备的参数进行设置及控制；此时水面目标检测识别单元开始工作，结合AIS接收器采集的信息与目标识别模块识别到的船只信息通过AIS决策模块自动进行决策，将采集决策结果实时传输回操控显示终端，同时利用成像组件对水面的舰船目标进行观测、识别和跟踪，并将采集到的水面图像及识别结果实时传输至操控显示终端；

S3.在完成对水面目标相关信息的采集后，由操控显示终端对水下收放装置及水面目标识别单元发出回收指令，水面目标识别单元中的升降杆回收至安置区，压载水舱往水舱内注水，直到整个水面目标识别单元重力大于等于浮力；

S4.水下收放装置开始以恒张力模式回收零浮力线缆，并在操控显示平台上显示张力及收缆速度，直到水面目标识别单元被收回，水下收放装置的释放器感应到水面目标识别单元，从释放状态转变为锁紧状态，完成一次观测流程。

本发明的有益效果如下：

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

（1）采用AIS决策模块与水面成像组件共同实现对周边水面船只系泊情况的观测及自身的定位，对AIS系统上未出现的船只或障碍物也可通过水面成像组件进行观测识别，可最大程度上对水面情况无遗漏的采集，规避因大型潜航器上浮导致与水面船只或障碍物发生的碰撞。

（2）在海况恶劣的环境下，利用带陀螺稳定的指向器有效隔离洋流的影响， 使得安装在其中的摄像机镜头始终对准目标，极大程度上克服了海面波动、海浪颠簸对图像影响。通过基于偏振光学的大气光强值算法，图像自动跟踪算法等提高观测系统的整体性能。通过操控显示终端控制、气动式升降布局、带陀螺稳定的指向器、抗倾覆性强的浮标体等使得观测系统在提高升降杆最大高度的同时，有效抑制了洋流和海风对观测系统的影响。

（3）采用3组摄像头协同工作，实现360°全方位无死角实时观测。

附图说明

图1为根据本发明水下大型潜航器水面观测系统内部连接关系示意图；

图2为根据本发明水下大型潜航器水面目标识别单元工作时场景示意图；

图3为根据本发明水下大型潜航器水面目标识别单元回收时场景示意图；

图4为根据本发明水下大型潜航器水下收放装置结构图；

图5为根据本发明水下大型潜航器操控显示终端结构图；

图6为本发明的AIS决策模块与其他模块连接关系图；

图7为本发明的AIS决策模块决策流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合图1至图7对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，根据本发明实施例的水下大型潜航器水面观测系统包括水面目标检测识别单元100、水下收放装置200、操控显示终端300三部分，水面目标检测识别单元100与水下收放装置200之间通过线缆连接，并通过传输线与操控显示终端300进行连接。

其中，水面目标检测识别单元100可对水面的舰船目标进行观测、识别、跟踪，并将采集到的水面图像及识别结果实时传输至操控显示终端。水面目标识别单元100的结构和工作时场景如图2所示，水面目标识别单元100包括低密度浮标舱体110、水面成像组件120、综合控制箱130、压载水模块和深度计。水面成像组件120采用多种摄像头组合采集海面目标光学影像，该部分可完成360°视野范围内观测，能在部分极端环境完成观测任务。

目标识别和目标跟踪模块包括光学图像的识别算法、针对海雾条件下的透雾算法、基于红外图像的识别算法、基于偏振光学原理的大气光强值估计算法及图像对应透射率图等，用于为水面目标检测识别单元提供算法支撑，在对水面目标进行观测时，各模块及算法协同作用，根据天气及海况自动设定算法置信度权重，完成夜晚及海雾条件下的观测任务，并对观测结果进行汇总处理；压载水模块由压载水舱和水泵组成，用于水面目标检测识别单元释放与回收时通过压载水量调节系统的重力与浮力，并在升降杆伸出水面时通过调节压载水量提高抗倾覆性。

其中，水面成像组件120由全景相机121、自稳云台122以及防水透明罩123和升降杆124组成，全景相机121安装在自稳云台122上，之后两者置于防水透明罩123内，防水透明罩123与升降杆124连接，使用时升降杆124伸出，使水面成像组件120置于低密度浮标舱体110上方且距水面有一定距离。水面成像组件120通过线缆与综合控制箱130连接，实现数据传输。低密度浮标舱体110分为综合控制箱室111、压载水舱室112和水面成像组件回收安置区113，水面成像组件回收安置区113位于压载水舱室112中心并通过浮标舱体110的第一隔板114与压载水舱室112隔离开，第一隔板114形成的圆柱形内腔成为水面成像组件回收安置区113。综合控制箱室111位于低密度浮标舱体110的下层，通过低密度浮标舱体110的第二隔板115与压载水舱室112隔离开；综合控制箱130通过零浮力线缆与操控显示终端连接，实现数据与信息的传输。

水面成像组件120采用摄像头环式排列结构采集海面目标光学影像，该部分共由3组摄像头A、B和C及其配套云台等组成，每组摄像头视场角为59度，扫描60度后每组摄像头视场角范围为120度，三组摄像头组合即可完成360°视野范围内观测。摄像头采用全景相机121。

摄像头包括：由高清变焦镜头和高清摄像机组成的高清摄像系统，由红外镜头和非制冷红外热像仪组成的红外热像仪。

可选地，全景相机镜头：6.7~154.1mm；变焦倍数：10x光学变焦；对焦速度：<4S；有效像素：800万4MP（2160P）；最小物距：10mm（W）-1500mm（T）；视场角：H 59.6-3.5°；夜视等级：星光级（0.002Lux）；存储功能：64GB。

自稳云台122由方位座、俯仰球及支撑结构组成转台，由陀螺、控制单元、伺服执行机构等组成的陀螺伺服系统。

可选地，自稳云台122可360°连续方位监视，-30°～+90°（可调节）俯仰监视；以40°/s转动速度平滑调节,转动最大角加速度：水平40°/S²,垂直30°/S²；角度抖动量：±0.03°；跟踪方式：手动/自动；结构：总体流线形，光电舱球形；工作温度：-40℃～+60℃；存储温度：-50℃～+65℃；尺寸：≤149.7mm(L)×117.4mm(W)×203(H)mm；重量：≤1kg。

透明防水罩123耐压200-300m。

升降杆124采用气动式，由操控显示终端进行升降及升降高度的可选控制，通过对气缸内注入与排出空气实现气缸上升与下降运动。升降杆包含陀螺、风速测试仪等传感器件，可将自身姿态信息及采集信息传回至操控显示终端及自稳云台，并利用姿态算法控制压载水舱112调节压载水量，提高抗倾覆性。

可选地，升降杆124长度：

400.0cm ; 底座直径：/>

180.0mm ；杆体节数：3 ；工作温度：-55℃～+80℃；重量：≤15kg。

低密度浮标舱110其材料采用环氧树脂加微玻璃珠组成，密度0.4，耐压500m，压缩强度大于12MPa。

压载水舱112设有可正反转水泵（未示出），在操控显示终端下水面目标识别单元释放指令时，压载水舱112接收到操控显示终端指令，根据洋流流速，水深情况等自动设定合适的排水量，将压载水舱112内的水排出，此时水面目标识别单元浮力大于重力，通过水下收放装置释放线缆，直至水面目标识别单元浮出水面。在升降杆124升起后操控显示终端结合升降杆124传感器传回的数据，利用姿态算法控制往压载水舱112内注水，使其在水面目标识别单元浮力大于重力情况下尽可能负载，水面目标识别单元回收时，通过往压载水舱112内注水，使得水面目标识别单元100重力大于等于浮力，当压载水舱112检测到水量达标后，将信号发送至水下回收装置200，此时水下回收装置200通过绞缆机将水面目标识别单元100回收。水面目标识别单元100回收时如图3所示。

水面目标识别单元120具有以下功能：能提供可见光波段的视频图像，对空中、地面和海面目标进行昼夜搜索、监视；具有在运动UUV上对视轴进行稳定的功能（两轴稳定）；可人工操作瞄准线运动，并对目标进行人工或自动图像跟踪；能通过通讯接口将分系统的状态信息对外输出；能通过通讯接口接收系统外设备发出的指令信息；能进行在线零位校准、 漂移修正等维护操作。能从外部系统中接收目标位置信号，使瞄准线随动至该位置；准确实时地报告瞄准线位置；实现搭载光电设备的调焦、变倍功能。能接收UUV上的北斗、电罗经的串行数据，数据解算后，为图像取证提供目标地理位置。

综合控制箱130包含通信主控模块、目标识别模块、目标跟踪模块、AIS决策模块、磁罗经及北斗模块，实现供电、定位、定向、防碰等功能；综合控制箱130中AIS决策模块与其他模块连接关系如图6所示。

AIS决策模块决策流程如图7所示，AIS决策模块获取AIS接收器所采集的船只系泊及航行信息，并结合北斗模块传回的信息及目标识别模块的水面目标识别结果进行数据融合与船只信息综合绘算决策；结合AIS接收器采集的信息与目标识别模块识别到的船只信息，通过AIS决策模块内嵌程序对进行判定。

AIS决策模块采集AIS相关船只信息形成基于AIS的二维船只分布电子海图，并且形成基于AIS系统的船只时空运动信息表。随后AIS决策模块接收到目标识别模块识别到的船只系泊运动信息，结合电罗经及自稳云台的陀螺信息形成基于目标识别模块的船只时空运动信息表，其中包含所有疑似船只目标一段时间内每秒的相对于潜航器本体的计算方位，计算距离，计算速度信息。

在AIS决策模块接收到目标识别模块相关信息后，将结合两者船只信息的时间、空间情况进行船只信息的相关性判别。

首先将目标识别模块发送的船只时空运动信息表中的数据进行坐标变换，采用预制格式，并进行归一化处理。将归一化处理后的数据按照不同船只进行分类，逐项与AIS系统的船只时空运动信息进行相关性判别，对方位、距离、速度信息利用相关系数计算各项信息的相关性，并根据预置系数进行加权求和，求和所得值可视为与该对比船只的置信度。所述相关系数优选使用Pearson相关系数。对于达到置信度阈值的船只可判定为同一目标，称为AIS识别船只。当有多批目标达到置信度阈值时，取信置信度最高者，所有已被采纳置信的目标立即清理其所有置信度。当所有船只信息都逐项比对完成后，融合判定为同一目标的船只，其余则判定为AIS接收器未接收到且被目标识别模块识别出的船只，称为AIS未识别船只。

将AIS接收器未接收到且被目标识别模块识别出的船只信息重点标记，并发送至目标跟踪模块；将绘算结果汇总至操控显示终端，形成二维船只分布电子海图；在该电子海图上有周边船只的航行信息与识别来源标注，所有被AIS系统上显示的船只标记为AIS识别船只；对其余仅被目标识别模块识别出的船只则重点标注为AIS未识别船只，且通过目标跟踪模块进行进一步跟踪观测，并将观测结果实时汇总至操控显示终端。

以下为AIS决策模块目标决策过程的示范性实例：

S1.AIS系统采集到AIS目标M1,M2,M3，共计三艘船在潜航器附近海域的系泊航行信息，包括方位，速度，距离等。根据采集信息形成基于AIS的二维船只分布电子海图，并且形成基于AIS系统的船只时空运动信息表。

S2.目标识别模块识别出疑似目标K1，K2，K3，K4，K5,K6共计六艘船，并采集计算相关信息发送至AIS决策模块。AIS决策模块结合电罗经及自稳云台的陀螺信息形成基于目标识别模块的船只时空运动信息表，包括方位，速度，距离。

S3.将目标识别模块的船只时空运动信息表中的数据进行坐标变换，格式与基于AIS系统的船只时空运动信息表一致，并进行归一化处理。

S4.分别将疑似目标K1，K2，K3，K4，K5,K6逐一与AIS目标M1,M2,M3进行相关性判别。利用Pearson相关系数（皮尔逊相关系数）计算公式，将K1的船只时空运动信息表中方位，速度，距离信息分别与M1的船只时空运动信息表中方位，速度，距离进行相关系数计算，将计算所得的三项数值，根据预置的系数进行加权求和，得到置信度P11（左标数字代表K中对应编号，右标数字代表M中对应编号）。随后重复此步骤，分别计算疑似目标K1与AIS目标M2,M3的置信度P12,P13。

随后重复以上步骤，分别得到K2，K3，K4，K5,K6与M1,M2,M3的置信度。

S5.根据置信度阈值D对所有置信度进行筛选，将所有小于置信度阈值D的置信度去除，仅保留大于置信度阈值D的置信度。剩余P11、P12、P32、P43、P53。优先对仅有一个置信度达到阈值的M船只进行判定。此时对于M2与M3均有多个置信度达到阈值，故而优先对M1目标进行判定。此时对于M1目标，仅有K1与其置信度达到阈值，故取信K1与M1为同一目标，去掉其所有置信度。

此时对于M2目标，原本有K1与K3达到置信度阈值，但K1已被去除，仅剩一个置信度达到阈值，则此时优先选择对M2进行判定，取信K3与M2为同一目标，去掉其所有置信度。

最后对M3目标进行判定，由于P43与P53均达到阈值，故而比较P43与P53大小,取信置信度高者。由于P43>P53,故取信K4与M3为同一目标，去掉其所有置信度。

此时所有M船只均被判定完成,对其进行标记为AIS识别船只。

S6.对于剩余未被判定的疑似目标K2,K5,K6则重点标注为AIS未识别船只。将所有信息发送至操控显示终端，在操控显示终端形成二维电子海图，海图上显示AIS识别船只M1,M2,M3，AIS未识别船只K2，K5,K6共六艘船及其相关信息。

S7.将未被判定的AIS未识别船只K2,K5,K6发送至目标跟踪模块进行进一步跟踪观测，并将观测结果实时汇总至操控显示终端。

水下收放装置200结构如图4所示。水下收放装置200主要由释放器210、主驱动电机220、牵引电机230、牵引导向部240、压绳装置250、排线装置260、绞车框架270等部分组成，水下收放装置200完成浮标准确收放，视频线、网络线预置于收放系统缆绳中，可实现对水面目标检测识别单元的快速释放、回收、丢失保护；回收时牵引电机230将拖拽力作用至线缆上，使得线缆受到拉力，向绞车框架270内回收，之后经压绳装置250和牵引导向部240到达排线装置260，最后在主驱动电机220作用下将线缆圈起回收。

水下收放装置200具有以下功能：通过预置的程序收集水下收放装置200与压载水舱112传回的数据，并自动控制水下收放装置200在压载水舱112内水量达到释放/回收阈值时进行线缆的放/收，实现低密度浮标零张力自主释放和自动锁定；具有张力显示；实现水面目标识别单元丢失保护；实现恒张力操作模式；显示收/放缆速和线缆长度；实现自动排缆。

可选地，线缆为零浮力线缆，可适应深海环境，缆长50m～3000m；缆径3mm～40mm；张力5N～5000N；

释放器210可实现在接收到操控显示终端300指令后释放水面目标识别单元100，并在回收水面目标识别单元100时实现锁紧功能。

可选地，释放器210选择声学释放器或者其他机械锁紧装置。

如图5所示，操控显示终端300包括显控一体机310、霍尔手柄320和电罗经330，作为水面目标检测系统的指挥控制中心，可对外部设备传回的数据进行采集、处理、显示等，同时具备人机操作交互功能，通过键盘操作实现对整个系统的灵活控制，包括对水面目标检测识别单元相关设备及软件的控制、对释放与回收动力装置的控制，可根据应用场景的改变灵活移植到有人船载平台。

显控一体机310可利用面板按键完成对光电转塔、光学传感器等外围设备进行参数的设置；通过液晶显示屏周边按键和功能键实现对光电转塔系统的控制及参数设定；通过液晶显示屏显示视频信息和参数信息；

操控台面板上的功能键和开关具有以下功能：实现对光电指向器电源控制（上电、断电）；高清摄像机的焦距变倍调整；聚焦微调；一键式手动/自动跟踪；一键式在跟踪；一键式看录像回放；一键式拍照取证；陀螺稳定模式选择；搜索模式；零位模式；收藏模式；速度切换；零漂校准；零漂校准参数保存。

液晶显示屏可实时显示观测目标的地理信息（含地图和坐标信息）；通过液晶显示屏显示摄像机视场角的信息；视频跟踪功能：利用视频图像信息技术，结合针对海雾条件下的透雾算法、基于红外图像的识别算法、基于偏振光学原理的大气光强值估计算法及图像对应透射率图实现对指定目标的高精度自动跟踪，然后带动光电指向器锁定目标，采用模板匹配跟踪算法，在复杂背景的情况下实现对目标的提取，识别，跟踪。

显控一体机自身能够存储、回放光电指向器的视频信息，并能将储存数据导出到U盘；

霍尔手柄320可通过小型霍尔方向操纵杆实现光电转塔转台的方位、俯仰运动的控制；

系统实施的整个示范性流程如下：

当UUV需要对海面进行观测时，可通过操控显示终端300对水下收放装置200及水面目标识别单元100发出释放指令，在收到释放指令后水下收放装置200中的释放器210从锁紧状态转变为释放状态，水面目标识别单元100内部压载水舱112开始排水，此时水面目标识别单元100浮力大于重力，开始上浮。

水下收放装置200开始以恒张力模式释放零浮力线缆，并在操控显示平台上显示张力及放缆速度。

在水面目标识别单元100上浮至水下额定安全深度时，停止放缆，升降杆124开始伸出，使成像组件120置于浮标舱体上方且距水面有一定距离。在操控显示终端通过显控一体机310的面板按键以及霍尔手柄320实现对水面目标检测系统的启动以及对其观测设备的参数设置及控制。此时水面目标检测识别单元100开始工作，对水面的舰船目标进行观测、识别、跟踪，并将采集到的水面图像及识别结果实时传输至操控显示终端。

在完成对水面目标相关信息的采集后，由操控显示终端对水下收放装置200及水面目标识别单元100发出回收指令，水面目标识别单元100中的升降杆124回收至安置区，压载水舱112开始往水舱内注水，直到整个水面目标识别单元100重力大于等于浮力。

水下收放装置200开始以恒张力模式回收零浮力线缆，并在操控显示平台上显示张力及收缆速度，直到水面目标识别单元100被收回，水下收放装置200的释放器210感应到水面目标识别单元100，从释放状态转变为锁紧状态。整个观测流程结束。

本发明流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为表示包括一个或多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，可以实现在任何计算机刻度介质中，以供指令执行系统、装置或设备，计算机可读介质可以是任何包含存储、通信、传播或传输程序以供执行系统、装置或设备使用。包括只读存储器、磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，本领域的技术人员可以在不产生矛盾的情况下，将本说明书中描述的不同实施例或示例以及其中的特征进行结合或组合。

上述内容虽然已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型等更新操作。

Claims (9)

1.一种水下大型潜航器水面观测系统，其特征在于，所述系统包括：

水面目标检测识别单元，用于采集水面图像数据并识别目标，实时传输至操控显示终端，水面目标检测识别单元具有压载水模块，通过压载水量调节自身的重力与浮力；

水下收放装置，用于对水面目标检测识别单元进行释放和回收操作；

操控显示终端，作为水面观测系统的指挥控制中心，实现对水面目标检测识别单元和水下收放装置的控制；

其中，水面目标检测识别单元还包括目标识别模块、AIS接收器和AIS决策模块；目标识别模块和AIS接收器分别将水面图像识别结果和周边水面船只系泊信息传输至AIS决策模块进行判断，AIS决策模块将判断结果实时传输至操控显示终端，进行汇总决策；

所述水面目标识别单元包括低密度浮标舱体，低密度浮标舱体分为综合控制箱室、压载水舱室和水面成像组件回收安置区，水面成像组件回收安置区位于压载水舱室中心并通过低密度浮标舱体的第一隔板与压载水舱室隔离开，第一隔板形成的圆柱形内腔成为水面成像组件回收安置区；综合控制箱室位于低密度浮标舱体的下层，通过低密度浮标舱体的第二隔板与压载水舱室隔离开。

2.根据权利要求1所述的水下大型潜航器水面观测系统，其特征在于，所述水面目标识别单元还包括水面成像组件、综合控制箱、压载水模块和深度计；

所述水面成像组件包括摄像头，摄像头包括：由高清变焦镜头和高清摄像机组成的高清摄像系统，由红外镜头和非制冷红外热像仪组成的红外热像仪；通过摄像头采集海面目标光学影像，完成360°视野范围内观测；综合控制箱内包含AIS接收器、AIS决策模块、目标识别模块、目标跟踪模块和北斗模块；压载水模块由压载水舱和水泵组成，用于水面目标检测识别单元释放与回收时通过压载水量调节系统的重力与浮力。

3.根据权利要求2所述的水下大型潜航器水面观测系统，其特征在于，水面成像组件包括多个摄像头、自稳云台以及防水透明罩和升降杆，摄像头安装在自稳云台上，之后两者置于防水透明罩内，防水透明罩与升降杆连接，使用时升降杆伸出，使水面成像组件置于低密度浮标舱体上方且高于水面设定距离。

4.根据权利要求3所述的水下大型潜航器水面观测系统，其特征在于，所述自稳云台包括由方位座、俯仰球及支撑结构组成的转台，和由陀螺、控制单元、伺服执行机构组成的陀螺伺服系统。

5.根据权利要求4所述的水下大型潜航器水面观测系统，其特征在于，所述升降杆采用气动式，通过对气缸内注入与排出空气实现气缸上升与下降运动。

6.根据权利要求1-5任一项所述的水下大型潜航器水面观测系统，其特征在于，水下收放装置包括释放器、主驱动电机、牵引电机、牵引导向部、压绳装置、排线装置和绞车框架；回收时牵引电机将拖拽力作用至线缆上，使得线缆受到拉力，向绞车框架内回收，之后经压绳装置和牵引导向部到达排线装置，最后在主驱动电机作用下将线缆圈起回收，由此实现对水面目标识别单元的回收。

7.根据权利要求6所述的水下大型潜航器水面观测系统，其特征在于，所述释放器可实现在接收到操控显示终端指令后释放水面目标识别单元，并在回收水面目标识别单元时实现锁紧功能；释放器为声学释放器或机械锁紧装置。

8. 根据权利要求2所述的水下大型潜航器水面观测系统，其特征在于， AIS决策模块获取AIS接收器所采集的船只系泊及航行信息，并结合北斗模块传回的信息及目标识别模块的水面目标识别结果进行数据融合与船只信息综合绘算决策；结合AIS接收器采集的信息与目标识别模块识别到的船只信息，通过AIS决策模块内嵌程序对两者船只信息的时间和空间情况进行船只信息的相关性判断，将达到置信度阈值的船只判断为同一目标，标记为AIS识别船只；其余为AIS接收器未接收到但被目标识别模块识别出的船只标记为AIS未识别船只；将AIS未识别船只的信息进行重点标记，并发送至目标跟踪模块；AIS决策模块将判断结果发送至操控显示终端进行汇总决策；对AIS未识别船只通过目标跟踪模块进行进一步跟踪观测，并将观测结果实时汇总至操控显示终端。

9.一种水下大型潜航器水面观测方法，所述方法应用于根据权利要求1-8任一项所述的水下大型潜航器水面观测系统；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1.水下大型潜航器需要对海面进行观测时，可通过操控显示终端对水下收放装置及水面目标识别单元发出释放指令，在收到释放指令后水下收放装置中的释放器从锁紧状态转变为释放状态，水面目标识别单元内部压载水舱开始排水，此时水面目标识别单元浮力大于重力，开始上浮；

S2.在水面目标识别单元上浮至露出水面并达到设定深度时，停止放缆，升降杆开始伸出，使水面成像组件置于低密度浮标舱体上方且距水面预定距离；在操控显示终端启动水面目标检测系统以及对水面观测系统的参数进行设置；此时水面目标检测识别单元开始工作，结合AIS接收器采集的信息与目标识别模块识别到的船只信息通过AIS决策模块自动进行决策，将采集决策结果实时传输回操控显示终端，同时利用水面成像组件对水面的舰船目标进行观测、识别和跟踪，并将采集到的水面图像及识别结果实时传输至操控显示终端；

S3.在完成对水面目标相关信息的采集后，由操控显示终端对水下收放装置及水面目标识别单元发出回收指令，水面目标识别单元中的升降杆回收至安置区，压载水舱往水舱内注水，直到整个水面目标识别单元重力大于等于浮力；

S4.水下收放装置开始以恒张力模式回收零浮力线缆，并在操控显示终端上显示张力及收缆速度，直到水面目标识别单元被收回，水下收放装置的释放器感应到水面目标识别单元，从释放状态转变为锁紧状态，完成一次观测流程。

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