CN101231342A

CN101231342A - 拖曳式水平渔探仪

Info

Publication number: CN101231342A
Application number: CNA2007100725557A
Authority: CN
Inventors: 杨士莪; 于铭; 屠庆平; 王智元
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2008-07-30

Abstract

本发明提供的是一种拖曳式水平渔探仪。它由拖体、拖缆、多通道数据采集器、信号处理器和终端显示器组成，在拖体中安装两个完全一样的矢量水听器，其X轴方向向前，与拖体方向一致，Y轴方向与拖体方向垂直；拖缆为卡弗龙内铠装多芯承重电缆；矢量水听器通过拖缆与多通道数据采集器相连；多通道数据采集器包括模拟信号预处理电路和数据采集电路，集中设计安装于一个电子机箱中；多通道数据采集器与计算机相连。本发明将新型矢量水听器技术与现代信号处理技术等集成于一体，构造成一个具有全新概念的被动式渔探仪，具有造价低廉、性能稳定、操作简便等特点，具有较强的实用性。

Description

拖曳式水平渔探仪

(一)技术领域

本发明涉及的是一种批量捕鱼的探测装置。具体地说是一种被动式渔探声纳。

(二)背景技术

随着国民经济的发展，人们对海洋资源的需求日益增加，渔业资源的开发越来越受到重视。渔探仪安装在船上，在船航行时利用声波探测鱼群的有无、位置、大小、种类。充分合理利用渔探声纳技术已经逐渐成为人们的共识。

从国内外发展状况看，国外渔探仪的使用起步较早，目前已经发展到一个相当高的水平。现有的渔探仪以英国雷松(Raymarine)公司的产品最具代表性。雷松公司L265型测深渔探仪配备有双频探头，并且双频可同时工作，它采用先进换能器技术，使用50KHz时，波束角达65°，搜索范围大，远非一般小型测深及渔探仪能比拟；使用200KHz时，波束角为16°，提高测深精度，能分辨水底的构成(泥、沙、石头)。同时工作时结合了两种频率的优点，以50KHz为主，结合200KHz的高精度，以200KHz为主，结合50KHz的大范围。L740及L750是雷松公司专门为渔船用户设计的标准渔探仪。它具有10″显示器，几乎涵盖了其他同类型渔探仪的所有优点，可提供高精度的数据信息，其简易的窗口菜单和清晰的屏幕介绍，让您得心应手地操作设备。所有操作按键的背光功能方便夜间操作，能直观清晰地显示鱼群到换能器之间的距离。雷松公司于近期又推出了性能卓越的产品——高清晰水下成像HDIF(High Definition Fish Imaging)数字化渔探声纳L770和L1260D。构成数字渔探声纳的核心就是DSM250数字处理模块。传统的渔探仪在利用声波探测时，由于采用模拟技术，发射和接收的参数均将半量程时的数据作为该量程标准参数进行预置，属于固定参数式，因此很难保证在整个量程范围内都能实现比较理想的探测和显示。鱼群和大鱼难以区分，尤其在噪声杂波多的水面附近和具有强回波海底附近时，要准确无误地判断鱼情更是难上加难。雷松公司基于HDFI技术研制成的DSM250，本质上是一个数字信号处理模块单元，它可以配套高分辨率显示器，组成L770或L1260D渔探声纳，也可以不配显示器，通过和雷达或电子海图机接口连接共用一个显示器屏幕，从而实现高清晰画面的数字渔探功能。该单元是数字技术在渔探和显示领域的具体应用，是渔探领域近50年来的重大突破。它不但能根据海况和探测深度自动地高频率地调整输出频率、声波频率，还能自动地无级地调整脉冲重复频率、接收带宽、接收增益、颜色增益等参数，实现水下鱼情和海底状况真实再现，彩色画面稳定，海底轮廓真实，水中鱼群清晰可辨。该产品不仅性能卓越，而且使用方便，所有调整均可自动进行，不需要手工调整。该渔探声纳，也可作为一般目标探测声纳，甚至适用于中大型渔船的数字化导航设备系统。

国内渔探仪的使用起步较晚，上世纪60年代初期部分渔船使用国产渔探仪，基本型号为CYT--1型、CYT--2型和60F型、61F型。60年代中期改用CYT--2X、CYT--3X、CYT--4X、CYT--5X与67--1型、67--2型、67--3型半导体渔探仪。60年代末，70年代初，一度改用厦门水产电子仪器厂生产的东方红--3型半导体渔探仪(测深范围0～160米，探鱼范围0～80米)。当时每只机帆船都安装1-3台。80年代起，国内陆续引进日本、美国生产的CS-50型彩色渔用电子扫描声纳、单波束渔用彩色机械扫描声纳。

综上所述，现有的渔探仪基本原理是利用鱼鳔充满空气，是声波的良好反射体，从换能器发射声波短脉冲，接收鱼群的回波脉冲。由发射与回波脉冲的时间差测定距离，由记录到的回波灰度和图形大小判断鱼群的大小，由灰度、深度和运动规律判断鱼群的种类。其实质是主动声纳，工作频率一般为几十千赫兹到几百千赫兹，缺点是作用距离短，一般在几十米到几百米之间，一公里范围内。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种搜索范围大、性能稳定、操作简单、成本低的拖曳式水平渔探仪。

本发明的目的是这样实现的：它由拖体、拖缆、多通道数据采集器、信号处理器和终端显示器组成，在拖体中安装两个完全一样的矢量水听器，其X轴方向向前，与拖体方向一致，Y轴方向与拖体方向垂直；拖缆为卡弗龙内铠装多芯承重电缆；矢量水听器通过拖缆与多通道数据采集器相连；多通道数据采集器包括模拟信号预处理电路和数据采集电路，集中设计安装于一个电子机箱中；多通道数据采集器与计算机相连。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的模拟信号预处理电路由低噪声前置放大器、带通滤波器、可变增益放大器和驱动器依次连接组成，矢量水听器通过拖缆与低噪声前置放大器相连。

2、所述的驱动器的输出端并联有用于耳机使用的匹配器，即功率放大器。

3、所述的数据采集电路由采样保持器、A/D转换器、数据缓存器和I/O接口依次连接组成。

4、所述的信号处理器和终端显示器是一台普通微型计算机。

5、在拖体中安装有罗经。

本发明的拖曳式水平渔探仪采用被动声纳工作方式，接收水听器采用了具有独特优点的矢量水听器。在浩瀚的海洋中，记录到的水下噪声级中最高的噪声级来源于丰富多彩的海洋生物，生物学方面的大量研究工作，使得能够推测生物噪声的基本性质。但是栖息在海洋中的生物种类繁多，并且他们发出的声音也各色各样，这对预报给定海区的生物噪声级及频段造成了困难。因此，找出以幅度大、恒定和持久作用为其特征的生物噪声的基本性质尤为重要。在分布最广的鱼类的噪声中，几乎所有这些鱼类或多或少地发出在20Hz～10KHz频段内噪声级较强的噪声。最大的噪声强度值一般出现在200Hz～1KHz之间，在这些频率内一条鱼在1米处产生的声压可达100微巴。根据现有掌握的资料，从各种海栖动物区系所发出的噪声声压谱中，可以获得鱼类目标的基本特征。随着被动式声纳技术的不断发展和完善，根据鱼类目标的基本特征，利用新型传感器(矢量水听器)技术与现代信号处理技术的有机结合，使得构造成一个具有全新概念的被动式渔探仪系统成为可能。

由于本发明的渔探仪属于被动声纳，它具有区别于主动声纳的特点，主动声纳信号处理是对其本身发射信号回波进行处理，尽可能抑制各种噪声和混响的干扰，提取有用的目标回波，故它常采用匹配滤波器，它是白噪声背景下检测确知信号的最佳接收机；而被动声纳的任务是在随机噪声场中检测未知的随机信号。

矢量水听器的出现，给信号处理带来了一个全新的空间。矢量水听器可以同时获得声场中的声压信号和质点振速信号，因此矢量水听器的信号处理可以在相空间<p>、<p²>、<v>、<v²>、<p，v>、<p，pv>、<v，pv>、<p，v，pv>(其中v为质点的振速，p为声压，p²为势能，v²为动能，pv为声强流)中进行处理，这是传统的声压水听器所不具备的。

信息量的增加为我们提供了更大的信号处理空间，从而大大改善了目标方位估计的性能。如单个的声压水听器是无法对目标的方位进行估计的，这是因为单个的声压水听器是没有指向性的，只有多个声压水听器组成的水听器阵，才具有指向性，才能形成波束，从而能对目标信号的方位进行估计。矢量水听器则不需要成阵就能对目标进行方位估计，这是由于矢量水听器比声压水听器多出了质点振速这一矢量信息，在声场中它能够获得质点振速在三个垂直方向上的投影，因此矢量水听器具有天然的指向性，所以单个的矢量水听器就可以进行目标的方位估计。当然矢量水听器由于能够提供了声压和质点振速这两个声场信息，所以在运用常规的在声压水听器阵上成熟的信号处理方法时，也可以得到比声压水听器阵更好的效果，而且还消除了左右弦模糊问题。

传统的信号处理方法中对目标参数的估计有很多种方法，如波束域的常规波束形成算法、自适应波束形成算法，对宽带信号的恒定束宽波束形成算法等等，还有子空间类的方法，如MUSIC方法、ESPRIT方法等等，这些方法都很成熟地运用到了实际的目标参数估计中，但这些方法都是基于声压信息，矢量水听器的出现，使得这些方法有了新的用武之地，也即可以用在矢量水听器成阵技术上。但是由于单个的矢量水听器就可以实现目标的参数估计，而不需要多个的矢量水听器来组成阵列，而且以上的波束形成和子空间类方法都是对基阵处理的方法，所以我们需要一种完全不同的信号处理方法，使得我们能够在只有一个或者少数几个矢量水听器的情况下准确地对目标参数进行估计，这样我们就可以更好的发挥矢量水听器的优点。

本发明正是基于这一目的而运用一种声压、振速联合信号处理的方法，该方法利用在远场平面波假设条件下，声压和振速是完全相关的这个特点，来对信号的方位进行估计。该方法的优点是它只需要一个矢量水听器，就可以进行两个目标的方位信息估计。

归纳以上所述，本发明的拖曳式水平渔探仪的主要创新点体现在：

1.首次在渔探仪中使用了新型传感器(矢量水听器)。

2.首次将被动式声纳技术应用于渔探仪系统。

3.被动式渔探仪具有工作频率低(100Hz～5KHz)，作用距离远(大于5公里)。其性能必将超过现有的渔探仪。

4.被动式渔探仪改变了传统的渔探仪工作方式，不采用垂直探深式声纳工作方式，而采用水平拖曳式声纳工作方式。降低了本船干扰噪声，提高了信噪比。

5.将新型矢量水听器技术与现代信号处理技术等有机地结合，构造成一个具有全新概念的被动式渔探仪系统。

本发明的有益效果主要体现在：

本发明具有造价低廉、性能稳定、操作简便等特点，具有较强的实用性。同时系统在几个方面都具有创新，首次在渔探仪中使用了新型矢量水听器。首次将被动式声纳技术应用于渔探仪系统。被动式渔探仪具有工作频率低、作用距离远，其性能必将超过现有的渔探仪。被动式渔探仪改变了传统的渔探仪工作方式，不采用垂直探深式声纳工作方式，而采用水平拖曳式声纳工作方式。将新型矢量水听器技术与现代信号处理技术等集成于一体，构造成一个具有全新概念的被动式渔探仪系统。

(四)附图说明

图1为本发明的组成框图。

图2为本发明的一种具体实施方式的模拟信号预处理电路。

图3为本发明的一种具体实施方式的数据采集电路。

图4为数据传输时序图。CLK为时钟脉冲，占空比为50％，频率160kHz；SYN为帧同步信号，采样频率20kHz；DATA为传输数据，字长16bit。

图5为数据采集控制程序设计流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

拖曳式水平渔探仪由拖体、拖缆、多通道数据采集器、信号处理器和终端显示器组成。拖体采用铝合金和玻璃钢材料制作，在拖体中安装两个完全一样的矢量水听器，其X轴方向向前，与拖体方向一致，Y轴方向与拖体方向垂直；这时利用渔船螺旋桨噪声到达两传感器的时间差，可部分抵消本船噪声，提高对鱼群噪声的探测能力。理论研究表明，在较理想的情况下，这种办法对本船噪声最高可抵消40分贝。而且矢量水听器也可以互为动态备份，即使其中一个因故损坏，也可以利用单矢量水听器对目标定向。只不过当利用传感器中不同换能器接收本船噪声的相位差，来进行本船噪声抵消时，也会同时对来自船头方向的目标噪声进行抵消，从而在船头方向形成一定的盲区。为了适时监测拖体的方向，在拖体中安装了一台罗经。拖缆采用卡弗龙内铠装多芯承重电缆，设计中要求拖体与船尾的距离为200米，这不仅是为了减少拖缆长度，可以降低设备造价，而且海上试验表明，当拖体远离船体200米时，其所接收到的本船噪声，也将减弱约40多分贝。因此拖缆长度选择250米左右，其中水中拖曳长度不大于200米。矢量水听器通过拖缆与多通道数据采集器相连。结合图1，多通道数据采集器包括模拟信号预处理电路和数据采集电路，集中设计安装于一个电子机箱中；多通道数据采集器与计算机相连。模拟信号预处理电路由低噪声前置放大器、带通滤波器、可变增益放大器和驱动器依次连接组成，矢量水听器通过拖缆与低噪声前置放大器相连，驱动器的输出端并联有用于耳机使用的匹配器，即功率放大器；数据采集电路由采样保持器、A/D转换器、数据缓存器和I/O接口依次连接组成；信号处理器和终端显示器是一台普通微型计算机。

结合图2，模拟信号预处理电路的组成为：低噪声前置放大器，带通滤波器，可变增益放大器和驱动器。电路全部采用集成电路。低噪声前置放大器由两级运算放大器LF353(U1A和U1B)级联组成，第一级输入采用差分输入方式，输出端与第二级级联，两级均采用反相比例放大器形式；带通滤波器是由高通滤波器和低通滤波器组合而成，高通滤波器输入端与低噪声前置放大器级联，输出端则与可变增益放大器级联，低通滤波器输入端与可变增益放大器级联，输出端则与驱动器级联，高通滤波器是RC网络和运算放大器LF353(U2A和U2B)组成的二阶有源高通滤波器，低通滤波器是由MF6(U17)和一个有源低通滤波器组成的八阶低通滤波器，MF6是六阶开关电容巴特沃兹低通滤波器，二阶有源滤波器是由RC网路和运算放大器LF353(U4A)组成。可变增益放大器是由AD7110(U5)和运算放大器LF353(U3A和U3B)组成，AD7110是数控衰减器，控制级别0～59级，控制范围0～88.5分贝，精度1.5分贝。运算放大器LF353设计成反向比例放大器。可变增益放大器的输入端和输出端分别与高通滤波器和低通滤波器级联。驱动器是由运算放大器LF353(U4B)设计成的射随器，其输入、输出端分别与低通滤波器和数据采集电路级联。

结合图3数据采集电路的组成为：采样保持器，A/D转换器，缓存器和I/O接口。采样保持器和A/D转换器是由AD976(IC10)来实现。AD976是16bit、低功耗、高速模数转换器，具有采样保持功能。AD976输出端与缓存器级联。缓存器是由74LS373(IC11和IC12)来完成。缓存器的输出端通过三态门74LS541(IC13和IC14)与I/O接口板连接。

为了能实时地把采集控制电路所采集到的数据传输进计算机，本系统采用了凌华公司的PCI-7200数字量I/O卡，它具有在计算机和外设之间进行数字量传输的功能。图4为数据传输时序图。数据采集控制程序按照对传输数据的传输速率和所需要处理数据量大小的实际要求来编程，其程序设计流程图如图5所示。依据数据传输时序，系统采取8通道同步采样、同步转换、串行输出的工作方式。数据采集控制程序按照设计流程，程序的设计首先要根据信号处理要求的数据量大小分配数据缓冲区，然后读取帧同步信号，判断是否是下降沿，下降沿表示A/D已开始转换，判断否则返回上一步，判断是则转入下一步，读取时钟同步信号，判断是否是上升沿，上升沿表示数据已转换结束进入稳定状态，判断否则返回上一步，判断是则转入下一步，读取数据存入数据缓冲区，判断数据是否采够，也即判断数据缓冲区是否存满，判断是，则将数据存成文件，然后结束程序，否则返回，重复采集过程，直到采满为止。

Claims

1.一种拖曳式水平渔探仪，它由拖体、拖缆、多通道数据采集器、信号处理器和终端显示器组成，其特征是：在拖体中安装两个完全一样的矢量水听器，其X轴方向向前，与拖体方向一致，Y轴方向与拖体方向垂直；拖缆为卡弗龙内铠装多芯承重电缆；矢量水听器通过拖缆与多通道数据采集器相连；多通道数据采集器包括模拟信号预处理电路和数据采集电路，集中设计安装于一个电子机箱中；多通道数据采集器与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：所述的模拟信号预处理电路由低噪声前置放大器、带通滤波器、可变增益放大器和驱动器依次连接组成，矢量水听器通过拖缆与低噪声前置放大器相连。

3.根据权利要求2所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：所述的驱动器的输出端并联有用于耳机使用的匹配器，即功率放大器。

4.根据权利要求1、2或3所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：所述的数据采集电路由采样保持器、A/D转换器、数据缓存器和I/O接口依次连接组成。

5.根据权利要求1、2或3所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：所述的信号处理器和终端显示器是一台普通微型计算机。

6.根据权利要求4所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：所述的信号处理器和终端显示器是一台普通微型计算机。

7.根据权利要求1、2或3所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：在拖体中安装有罗经。

8.根据权利要求4所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：在拖体中安装有罗经。

9.根据权利要求5所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：在拖体中安装有罗经。

10.根据权利要求6所述的拖曳式水平渔探仪，其特征是：在拖体中安装有罗经。