Publishing Service

Polishing & Checking

Journal of Zhejiang University SCIENCE C

ISSN 1869-1951(Print), 1869-196x(Online), Monthly

2018 Vol.19 No.8 P.947-1062

<<<                         CONTENTS                         >>>


Special Issue on Marine Information Technology

Guest Editor-in-Chief: Yuan-liang MA; Executive Editor-in-Chief: Wen XU

Editorial

Editorial: Marine information technology: the best is yet to come

Wen Xu, Yuan-liang Ma, Fumin Zhang, Daniel Rouseff, Fei Ji, Jun-hong Cui, Hussein Yahia

DOI: 10.1631/FITEE.1820000 Downloaded: 2233 Clicked: 6839 Cited: 0 Commented: 0(p.947-950) <Full Text>

Chinese summary   <43>  海洋信息技术：最好的时代即将来临

概要：海洋信息技术（marine information technology，MarineIT）涉及海洋信息的获取、传输、处理和融合。一般地，这个主题涵盖海洋环境的声学、光学和电磁感知，典型如声纳/雷达处理和卫星遥感。随着其内涵变得丰富、应用范围得到扩展，尤其是伴随着有线或无线海洋观测网络的发展，已成为信息技术的一个专门学科。海洋信息技术在许多应用中发挥着重要作用，例如海洋科学研究、环境调查、资源开发和安全防卫。由于其应用环境的特殊性，也成为信息技术研究的热门方向之一。
与其他信息科学分支一样，海洋信息技术近30年来的发展明显得益于信息理论的进展与成果，同时凸显出传播物理、信号处理与海洋环境的紧密关系，这种结合在其他信息领域较为少见（Xu et al., 2016）。实质上，海洋信息技术有着许多与陆上不同的特点，将常规信息方法直接应用于海洋环境通常无法获得预期的效果。例如，海洋是“声透明”的，声波被用作水下传感和通信的主要信息载体。远程声传播受到所谓的波导效应的影响，在空间上受海面与海底的限制，在时间上经历由海洋动力学导致的剧烈变化。虽然匹配滤波器依然适用，但用于匹配的拷贝信号不再是自由场解，而是必须针对特定信道进行全场解建模、数值计算和跟踪，即传播物理建模和信号处理应该与海洋环境相匹配。
近年来，由于信号和信息处理、传播物理建模和海洋数据收集等细分领域的发展，海洋信息技术有了重大进展。诸如水下和水面航行器、海底观测和无线网络等新型观测平台的使用，为海洋信息技术的发展提供了新的重要机遇。本期特刊汇集了8篇同行评审论文，涉及水声信号处理和通信、光学图像处理、遥感以及无人水下航行器应用等领域，旨在帮助学界获得海洋信息技术领域的最新进展，并提供一些见解以确定有待解决的重要科学问题。
1 特刊文章综述
由于水声信道的独特性，包括时间延迟和多普勒双扩展、快速时变环境、非视距传播路径以及动态海面散射，水声通信（underwater acoustic communication，UAC）近年来在声学和无线通信领域引起重点关注。Huang et al.（2018）详细讨论了水声通信系统面临的困难，并概述了从物理层到网络层的研究成果，重点介绍了短程和中程水声通信的高数据速率调制方案，即单载波时域均衡（single-carrier time-domain equalization，SC-TDE），单载波频域均衡（single-carrier frequency-domain equalization，SC-FDE），正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）和相对较新颖的正交信号分割复用（orthogonal signal division multiplexing，OSDM）。他们还提出了一种所谓的“PIEs”标准，作为评估总体性能的工具，并从系统设计者角度协助水声通信系统设计。在所提出的水声通信总体性能评估标准下，作者总结了2000年后具有高数据率的短程和中程水声通信系统的实验结果。
Liu et al.（2018）提出一种基于具有潜在网络应用的直接序列扩频的水声通信方案。为解决信息数据速率与多普勒估计、信道估计、帧同步准确度3者之间的矛盾，作者设计了一种基于双扩频码的数据帧结构，将长扩频码用作训练序列，短扩频码用于调制消息。仿真结果验证了低信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）下的性能。
由于中国载人潜水器“蛟龙”的试验成功，水下视频传输受到越来越多关注。目前水下视频传输方案通常对视频编码和传输机制分别处理。Zhang et al.（2018）基于对视频部分和信道条件两者重要性的考虑，设计了一种自适应收发机。针对理想和非理想信道状态信息（channel state information，CSI）条件对预编码器和均衡器进行推导。仿真结果表明，新的设计方案在更好峰值信噪比和更高视频结构相似性指标方面是有效的，并能有效对抗信道估计误差。
水下无线传感器网络（underwater wireless sensor networks，UWSNs）作为地面无线传感器网络的扩展，在过去10年中得到深入研究，在环境传感和目标跟踪方面具有潜在应用。除通信外，节点定位也是一个需要解决的重要问题，特别是考虑到水下节点可能伴随洋流移动且水下环境缺少GPS。Chen et al.（2018）提出一种具有移动性预测能力的高精度定位算法。他们还提出同步定位和目标跟踪算法，根据目标跟踪过程中的测量结果更新传感器位置。仿真数据证实该算法具有较高能量效率。
水声学本质上是一种观察科学，但水下无线传感器网络的研究缺乏有意义的实验，一直以来为人诟病。最近，无人水下和水面航行器取得显著进展，给水下无线传感器网络实地部署以回应外界批评与质疑提供了机会。配备信息设备的航行器在移动过程中产生信息/数据流，这一设计革新了海洋观测技术。Tao et al.（2018）介绍了一种小型声学通信设备与微型自主水下航行器（autonomous underwater vehicle，AUV）的集成。作者在有限空间水池环境中评估了声学通信链路的数据包接收速率和误比特率，并与湖试结果比较。多径、路径跳跃和多普勒效应等因素被认为对移动通信性能有显著影响。
续航时间和导航准确度是AUV应用中的两大限制因素。水下入坞技术极大地促进和扩展了AUV的操作方式，学界和应用行业对此都很感兴趣。Li et al.（2018）介绍了使用欠驱动AUV的入坞系统，该系统需要高度精准的垂直路径和航向控制机制以确保成功入坞。考虑到实际场景中存在未知海流，作者着重设计和实现了入坞策略、控制器、海流估计器和补偿器。一系列海试结果验证了控制策略以及海流估计器和补偿器的可行性和有效性，这也是这篇论文相较同主题其他论文的突出之处。另外值得注意的是，海试结果也体现入坞系统整体上具有鲁棒性。
Tan et al.（2018）分析了由远程遥控潜水器（remotely operated vehicle，ROV）采集的深水视频序列，用于评估挪威龙虾丰度。作者提出一个自动视频分析框架，采用经过ROV航行姿态修正的数据来检测、跟踪和量化特殊的底栖物种及其生物成因特征，如主洞穴的入口。在比较了人类专家手动计数与基于视频的自动丰度估计后，有关视频的测试结果令人鼓舞。尽管有这些研究结果，作者指出，目前遗漏和错误识别的洞穴数量过大，这项技术还不能在实场中应用。
Yahia et al.（2018）开展了一项为期一年的遥感数据收集实验以获得海洋系统的不同湍流统计量，旨在研究风应力对海气界面海洋动力学的影响。该研究是通过计算微正则多重分形形式框架内谱形的统计矩来进行的，探讨了由速度范数和涡量数据计算的奇异谱性质，并由此突出了湍流区域地转流速度场在有/无风应力条件下的差异。值得一提的是，尽管该文是本专辑收录的有关遥感处理的唯一研究工作，毫无疑问，遥感是海洋信息研究的主要领域之一。
2 科学思路与研究展望
正如展示的这些论文所示，典型的海洋信息问题涉及观察、通信与控制3大类。理论基础在于以信息理论和估计理论为核心的信息学。信息和物理构成我们存在的世界，或称之为空间，海洋信息研究通常是在探索信息、物理和空间的关系。信息的寄存和处理面对的物理问题可归结为传播物理。信息与空间的联系是信号。通信、观察和控制要做的事即为提取深藏在信号中的信息，以实现物理世界的可估计性、可检测性、可稳定性、可控制性和可观察性（Xu et al., 2016）。
信息、物理和空间的框架如图1所示，该图从物理和信息两方面完备地描述了自然界（Xu et al., 2016）。估计理论、Hilbert空间和算子理论以及信息理论构成了3个基本元素，这3个基本元素的相互作用产生各种逆问题推断的理论限和基本信号处理方法。该框架也使得观察和通信统一起来。O’Sullivan et al.（1998）系统介绍了观察问题的信息理论成像模型与方法。目标源—传感器—介质—估计器—目标源再生，代替了信息源—编码器—信道—解码器—信息源再生。虽然信息理论像形成还处于早期研究阶段，但它有望在观测问题中发挥类似于Shannon的源—信道模型在通信问题中的作用。
上述框架体现在过去许多研究中，我们相信它将为未来的研究提供更多动力。海洋信息技术最好的时代即将来临，若干未来主题研究方向举例如下（Xu et al., 2016）：
1. 利用声、光、磁等方法及其与环境的耦合关系，探测海洋的物理机制：最新研究已从静态环境建模逐渐发展到动态环境建模，力图捕捉海洋过程与传播物理的动态耦合。由此，可以将遥感延伸至深水环境，也可以基于动态耦合开发新型信号处理和数据同化方法。
2. 广域水下成像与情景分析：海洋观测问题通常表现为欠定条件下逆问题求解，成像是有效的解决方案之一。
3. 水下通信与跨界信息传输：自适应调制、双工声通信、水声信道建模和识别、强约束条件下的网络资源动态调度以及海气跨界通信。
4. 面向海洋传感的潜水器自主能力：海洋数据流网络空间循环是实现航行器自主操作的关键。最新研究趋势是分布式循环，以便信息在潜水器间平稳流动。这将允许更灵活的数据流和变换，例如，使用一群潜水器来测量水下声场，或从水下传感器网络收集数据。
5. 海洋智能数据处理和大数据：海洋数据处理涉及海量、多源、多尺度、多手段立体观测得到的数据。智能处理涉及多源异构数据融合、数据挖掘分析、数值模拟、快速计算和可视化等一系列理论和方法。大数据方法至少可以用于处理来自遥感或Argo浮标的大量数据。
最后，我们感谢所有作者、审稿人和编辑人员，没有你们的参与和协助就不会有这期海洋信息特刊。特别感谢宫先仪教授对信息、物理和空间关系的深刻见解。

Review Article

Review Article: Underwater acoustic communication and the general performance evaluation criteria

Jian-guo Huang, Han Wang, Cheng-bing He, Qun-fei Zhang, Lian-you Jing

DOI: 10.1631/FITEE.1700775 Downloaded: 4273 Clicked: 6247 Cited: 0 Commented: 0(p.951-971) <Full Text><PPT> 1808

Chinese summary   <39>  水声通信系统与一般性能评价准则

概要：在过去的几十年中，由于探索海洋的巨大需求，水下无线通信技术获快速发展。水体自身复杂的物理特性使声波成为唯一的适用于任意距离水下无线通信载体。水声通信是水下无线通信领域中的一个主要研究方向。首先介绍水声信道的特性，并将其与无线电波信道特性对比，以此体现水声通信的研究难点。通过介绍当前水声通信中的主要研究领域来描述水声通信的发展状况。此外，分析总结了高速中近程水声通信的各种主要调制解调方式。基于中近程水声通信经验，总结了针对水声通信系统性能的3种一般评价准则。所提一般评价准则对水声通信系统设计和评价具有重要指导意义。

关键词组：水声通信；水声信道；高数据率；通信距离；带宽利用率；一般评价准则

Research Articles

An underwater acoustic direct sequence spread spectrum communication system using dual spread spectrum code

Lan-jun Liu, Jian-fen Li, Lin Zhou, Peng Zhai, Hao Zhao, Jiu-cai Jin, Zhi-chao Lv

DOI: 10.1631/FITEE.1700746 Downloaded: 2649 Clicked: 6710 Cited: 0 Commented: 0(p.972-983) <Full Text><PPT> 1918

Chinese summary   <40>  基于双扩频码的水声直接序列扩频通信系统

概要：针对水下点对点通信和水下码分多址(CDMA)组网高稳定性、高可靠性水声通信需求，提出一种基于双扩频码的水声直接序列扩频通信系统。为解决信息数据速率与多普勒估计、信道估计和数据帧同步精度之间的矛盾，设计了一种基于双扩频码的数据帧结构。其中，训练序列采用长扩频码，可用于数据帧检测与同步、多普勒估计和信道估计，有效信息数据的扩频调制采用短扩频码。系统多普勒估计采用一种延迟互相关算法，信道估计采用一种相关算法。水下组网应用时，每个用户分配一对扩频码。仿真结果表明，该系统具有良好的抗多径、抗干扰、抗多普勒性能，信噪比大于−10 dB时系统误码率可低于10−6， 数据速率可高达355比特/秒，可用于水下CDMA网络的下行链路中。

关键词组：水声通信；直接序列扩频；多普勒估计与补偿；信道估计与均衡；Gold码；单载波；码分多址

Underwater video transceiver designs based on channel state information and video content

Rong-xin Zhang, Xiao-li Ma, De-qing Wang, Fei Yuan, En Cheng

DOI: 10.1631/FITEE.1700767 Downloaded: 2487 Clicked: 6109 Cited: 0 Commented: 0(p.984-998) <Full Text><PPT> 1822

Chinese summary   <38>  基于信道状态信息与视频内容的水下视频收发机设计

概要：水下复杂多变的信道条件给视频传输的设计带来了很大挑战。目前方案通常将视频编码与数据传输视为两个单独模块。提出一种自适应视频收发方案。该方案兼顾视频组件重要性以及信道条件，获得比传统方案更好的传输性能。然而在现实中，通常无法获得理想的信道状态信息。因此，对该方案与已知方案在不完全信道状态信息下进行相应性能比较。仿真数据与实验数据显示，该方案具有更高峰值信噪比以及更高视频结构相似指数。

关键词组：水下视频传输；收发器设计；不完全信道状态信息

Energy-efficient localization and target tracking via underwater mobile sensor networks

Hua-yan Chen, Mei-qin Liu, Sen-lin Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.1700598 Downloaded: 2487 Clicked: 7260 Cited: 0 Commented: 0(p.999-1012) <Full Text><PPT> 1820

Chinese summary   <33>  水下移动传感器网络高能效节点定位和目标跟踪

概要：水下移动传感器网络（UMSNs）不需要固定，易实现快速部署，其节点可随洋流飘动扩散，易实现大范围监测。因此，UMSNs是远海环境下实现短期、迅速、大范围组网监测跟踪的有效手段。UMSNs目标跟踪的挑战在于高精度的目标跟踪效果需要以高精度的实时节点定位为前提，而UMSNs的节点位置是不断变化的。为获得高精度的实时节点定位结果，运用传统定位方案对其连续定位会消耗大量能量。为减少UMSNs目标跟踪过程中节点定位所消耗的能量，利用节点移动在时间空间的相关性，结合多步Levinson-Durbin线性预测算法，提出高精度的长周期节点位置预测算法（HLMP）。通过高精度位置预测减少节点对实时通信定位的依赖，进而减少网络能耗。根据目标跟踪过程中节点与目标的相关性，提出同时定位跟踪算法（SLAT），进一步提高节点定位精度。仿真结果表明，HLMP算法能够在低能耗情况下显著提高定位精度，SLAT算法进一步降低节点定位误差。更高定位精度将同步提高目标跟踪性能。

关键词组：水下移动传感器网络；高能效；节点定位；目标跟踪

Evaluating acoustic communication performance of micro autonomous underwater vehicles in confined spaces

Qiu-yang Tao, Yue-hai Zhou, Feng Tong, Ai-jun Song, Fumin Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.1700841 Downloaded: 2561 Clicked: 6678 Cited: 0 Commented: 0(p.1013-1023) <Full Text><PPT> 1706

Chinese summary   <32>  微型水下机器人在有限水下空间中的水声通信实验研究

概要：在有限水下空间中，微型水下机器人正获得越来越广泛的应用。微型水下机器人与水声通信相结合，可实现数据与指令的水下无线传输，而无需上浮至水面。本文首先将微型水下机器人与紧凑型水声通信系统进行集成，并在此基础上开展了水声通信实验研究。针对微型水下机器人移动和静止两种情况，重点对水声通信收包率与误码率进行了测试。实验结果表明，有限水下空间中多径效应显著，会对水声通信同步信号产生严重干扰；微型水下机器人移动时，水声通信换能器之间的相对运动会进一步降低通信质量。本研究对提高有限水下空间中的移动水声通信性能具有借鉴意义。

关键词组：自主水下航行器；水下水声通信；有限水下空间

Underwater docking of an under-actuated autonomous underwater vehicle: system design and control implementation

Bo Li, Yuan-xin Xu, Shuang-shuang Fan, Wen Xu

DOI: 10.1631/FITEE.1700382 Downloaded: 3643 Clicked: 8287 Cited: 0 Commented: 0(p.1024-1041) <Full Text><PPT> 1972

Chinese summary   <32>  欠驱动自主水下航行器水下接驳：系统设计与控制实现

概要：水下接驳系统可以极大地扩展自主水下航行器（AUV）的工作范围，而无需水面舰船的支持。稳定和精确的控制对于将AUV对接到小型水下接驳站至关重要。本文介绍了一种欠驱动水下航行器对接系统，重点介绍了控制算法的设计及实现。对于欠驱动AUV，侧向偏差只能通过调整AUV的航向来控制，AUV与接驳站成功对接必须同时限制其侧向偏差和航向偏差，然而由于实际环境中存在未知洋流，对接控制问题会更为复杂。针对上述情况，设计了回坞控制器，在控制器中嵌入洋流在线估计器/补偿器。洋流估计器可以仅基于AUV相对于地面的速度以及姿态来估计水平方向和垂直方向洋流的大小，而大多数现有方法需要测量AUV相对于大地以及相对于水体的速度。在仿真分析基础上，在基于MOOS-IvP的原型AUV中实现了所设计的回坞策略。仿真结果表明，即使存在侧翼洋流干扰，洋流估计器/补偿器也能很好地工作。最后，通过一系列海上实验验证洋流估计器/补偿器以及整个对接系统的有效性。海试结果表明，本文设计的控制方法可以有效控制AUV入坞。

关键词组：自主水下航行器；接驳系统；洋流估计器；洋流补偿器；回坞控制

Automatic analysis of deep-water remotely operated vehicle footage for estimation of Norway lobster abundance

Ching Soon Tan, Phooi Yee Lau, Paulo L. Correia, Aida Campos

DOI: 10.1631/FITEE.1700720 Downloaded: 2250 Clicked: 6663 Cited: 0 Commented: 0(p.1042-1055) <Full Text><PPT> 1865

Chinese summary   <32>  深水遥控潜水器影片自动分析在挪威龙虾丰度估算中的应用

概要：水下成像技术越来越多地被海洋生物学家应用于海洋资源和生物多样性的丰度评估。之前，我们开发了挪威龙虾丰度测算方法，并利用安装在拖网上的黑白摄像机采集的视频序列对龙虾洞进行计数。在本文中，我们提出一种替代架构，并利用遥控潜水器采集的深水视频序列对该架构进行测试。该架构由以下4个模块组成：（1）预处理；（2）目标检测与分类；（3）目标追踪；（4）量化。在可用的测试视频中，对基于视频的自动丰度估算方法进行测试，并与专家人工计数结果（地表实值）比对，得到了令人鼓舞的结果。在可用的测试集中，所提出的系统在龙虾计数上的查准率和查全率达到100%，在龙虾洞计数上的查准率和查全率达到83%。

关键词组：目标检测；目标追踪；特征提取；遥控潜水器

Effect of wind stress forcing on ocean dynamics at air-sea interface

Hussein Yahia, Veronique Garçon, Joel Sudre, Christophe Maes

DOI: 10.1631/FITEE.1700797 Downloaded: 2161 Clicked: 5916 Cited: 0 Commented: 0(p.1056-1062) <Full Text>

Chinese summary   <34>  风力对海空界面海洋动力学的影响

概要：证实并研究了海气界面风力强迫作用下的海洋动力学湍流统计差异。海气相互作用下的海洋表层流至关重要，因为它能够将热量从低纬度输送到高纬度。在一阶方程中，海洋表层的洋流包括由科里奥利力和压力梯度力的平衡产生的地转流，以及科里奥利力和以风应力为主的摩擦力平衡产生的埃克曼流。本研究是在微正则多重分形形态学框架下，计算光谱形状的统计矩。应用一年的每日遥感高度计和遥感风数据资料，可以计算两种矢量场：有风场和无风场强迫的地转流。利用速度规范和涡度数据研究了奇异谱的统计特性，特别是与峰度信息的关系，以强调两种地转流速度场在湍流状态下的差异。

关键词组：海洋动力学；遥感；湍流；信号处理；多重分形形式

Journal of Zhejiang University-SCIENCE, 38 Zheda Road, Hangzhou 310027, China
Tel: +86-571-87952276; Fax: +86-571-87952331; E-mail: jzus@zju.edu.cn
Copyright © 2000~ Journal of Zhejiang University-SCIENCE