CN101833097A - 一种水下网箱多波束驱鱼监控系统及其监控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及声波驱鱼的技术领域，目的是提供一种水下网箱多波束驱鱼监控系统及其监控方法，该监控系统包括放置在水下的网箱、水下监测装置和数据处理装置，所述水下监测装置包括放在网箱外的相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路，所述数据处理装置包括分布在网箱周围的数据处理模块和第一无线传输模块、放置在岸上的计算机控制中心及与其连接的第二无线传输模块；相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路均与数据处理模块连接，数据处理模块、第一无线传输模块、第二无线传输模块和计算机控制中心顺次连接。本发明能准确判断网衣破损的具体位置，且能有效地阻止鱼群进一步外逃。

Description

一种水下网箱多波束驱鱼监控系统及其监控方法
技术领域
本发明涉及声波驱鱼的技术领域，具体涉及一种水下网箱多波束驱鱼监控系统及其监控方法。
背景技术
随着人们对鱼类食品需求的增加，国内渔业养殖的规模越来越大，渔业养殖的技术发展也随之加快。在传统的浅海网箱养殖模式中，网箱破损导致鱼类逃出的事件时有发生。目前多采用水下摄像头来对网箱的情况进行监测，但水下摄像头只适合在水质较好的地区使用，在浑浊的水质中拍摄的图像清晰度不高，难以有效地判断网箱是否破损。
目前防止鱼类外逃的手段方式主要是在水下安装防护电网，鱼类碰到电网会被电击致晕从而起到驱鱼的作用，但是这种方式耗费电能，成本太高，维护起来极为不便同时也容易给水下工作人员带来安全隐患。也有少数通过扬声器发出录制好的声音来驱赶鱼群的装置和设备，但是这种装置和设备声波指向性不强，也不容易被大规模地运用，不适合海洋养殖这种大中型范围的养殖场。
我们知道，鱼类一般是通过内耳和侧线感知声音。其中，内耳所能感觉到的声音频率为6～1300Hz，侧线能感觉10～150Hz的低频振动。鱼类的听觉系统对100～800Hz的低频音和突发性声音较敏感。
国外研究人员在拍摄野生大西洋斑点海豚追捕鲱鱼的过程时发现，这些海豚先是悄悄追踪，在靠近鲱鱼群时，突然发出低沉的轰轰声，结果被追赶的鲱鱼马上乱了阵脚，迷失了逃跑方向，最后纷纷成为海豚的腹中之物。随后研究人员进行了一项实验，他们在一群鲱鱼中播放事先录制好的这种海豚发出的低频噪声，结果发现，这群鲱鱼马上就迷失方向，要么原地打转，要么呆傻不动，有的甚至很快昏迷了。可见海豚的这种声波武器确实厉害。
中国发明专利申请CN101334473A在2008年12月31日公开了一种基于水声多波束技术的深水网箱鱼群安全状态远程实时监控仪，该装置利用超声回波数据跟鱼群分布的对应关系，通过观测鱼群的空间分布及时间分布信息，来判断网箱的破损情况并能比较准确地估计网箱内的鱼群量；该装置不易受天气、水质等条件的限制。但该装置也存在一些不足：1、仅能发现网箱破损，不能确定网箱破损的具体位置；2、在网箱破损发出警报后，只能等待岸上的人员来进行处理，无法及时有效地阻止鱼群的进一步外逃；3、没有具体的装置和措施来减少误判的次数，导致判断网箱破损的准确率不是很高。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的不足，提供了一种能准确判断网箱破损的具体位置，且能有效地阻止鱼群进一步外逃的水下网箱多波束驱鱼监控系统及其监控方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种水下网箱多波束驱鱼监控系统，包括放置在水下的网箱、水下监测装置和数据处理装置，所述水下监测装置包括位于网箱外的相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路，所述数据处理装置包括分布在网箱周围的数据处理模块和第一无线传输模块、位于岸上的计算机控制中心及与计算机控制中心连接的第二无线传输模块；相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路均通过电缆与数据处理模块连接，数据处理模块、第一无线传输模块、第二无线传输模块和计算机控制中心顺次连接。
所述相控阵换能器阵列包括由计算机控制中心来控制启动与关闭且相互独立工作的高频相控阵换能器阵列和低频相控阵换能器阵列。
所述网箱用碳纤维复合材料做成，碳纤维复合材料对超声波的吸收效果比一般材料明显。
所述高频声波振荡电路、数据处理模块和第一无线传输模块放在防水密闭的盒子中并安装在浮标的顶部水没淹过处。
所述的水下网箱多波束驱鱼监控系统的监控方法，包括下列步骤：
步骤1：建立网箱的柱面坐标数据，并和海豚捕食时发出的低频惊吓声波数字信号一起存入计算机控制中心的数据库中；
步骤2：启动相控阵换能器阵列中的高频相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路；
步骤3：计算机控制中心将网箱的坐标数据通过第二无线传输模块不断发送给第一无线传输模块，再由第一无线传输模块传给数据处理模块，数据处理模块进行波束成形的计算并控制相控阵换能器阵列中的高频相控阵换能器阵列依次向网箱各点集中发射超声波；
步骤4：在步骤3进行的同时，相控阵换能器阵列中的高频相控阵换能器阵列接收来自网箱的反射回波数据，并将回波数据传给数据处理模块，数据处理模块对数据进行采集、A/D转换、放大、滤波、检波、存储，然后把数据传给第一无线传输模块，第一无线传输模块再将数据发送给第二无线传输模块，从而在计算机控制中心上通过控制软件来显示回波的频谱图；
步骤5：如果计算机控制中心上显示某一点回波明显增强，则控制软件将该点的坐标数据持续传给第二无线传输模块，并同时启动计时程序，相应范围内的相控阵换能器阵列中的高频相控阵换能器阵列对这一点进行持续扫描；否则回到步骤3；
步骤6：如果计算机控制中心上显示某一点的回波明显增强且持续时间超过预设值，则控制软件关闭相应范围内的相控阵换能器阵列中高频相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路并启动其对应的低频相控阵换能器阵列，此时另一高频相控阵换能器阵列继续扫描其相应的范围。
步骤7：计算机控制中心控制软件拉响警报并同时持续将这一点的坐标数据和海豚捕食时发出的低频惊吓声波数字信号传给第二无线传输模块，第二无线传输模块依次将数据发送给第一无线传输模块和数据处理模块，通过数据处理模块进行波束成形的计算并控制相控阵换能器阵列中的低频相控阵换能器阵列持续对这一点发射海豚捕食时发出的低频惊吓声波，阻止鱼群的进一步外逃；否则回到步骤3。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1.利用吸声材料对超声波的吸收原理，不仅能够发现网箱的破损，而且还能够找出网箱破损的具体位置；
2.在发现网箱破损的具体位置后，能够用低频相控阵换能器阵列结合波束成形的技术对网箱破损处集中发射海豚捕食时发出的低频惊吓声波，阻止鱼群的进一步外逃，减少了渔民的损失；
3.通过设定预设值的计时程序，减少了对网箱破损的误判，提高了探测网箱破损的准确率。
附图说明
图1是本发明水下网箱多波束驱鱼监控系统的结构示意图；
图2是高频声波振荡电路的电路原理图；
图3是相控阵换能器阵列及球形浮标与网箱的位置示意图；
图4是本发明水下网箱多波束驱鱼监控系统的监控流程图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明水下网箱多波束驱鱼监控系统，包括放置在水下的网箱1、水下监测装置和数据处理装置，水下监测装置包括放在网箱1外的相控阵换能器阵列2和高频声波振荡电路8，数据处理装置包括分布在网箱1周围的数据处理模块3和第二无线传输模块4、放置在岸上的计算机控制中心6及与其连接的第一无线传输模块5；相控阵换能器阵列2和高频声波振荡电路8均通过电缆与数据处理模块3连接，数据处理模块3、第一无线传输模块4、第二无线传输模块5和计算机控制中心6顺次连接。
相控阵换能器阵列2包括高频相控阵换能器阵列21和低频相控阵换能器阵列22，高频相控阵换能器阵列21和低频相控阵换能器阵列22之间的工作是独立进行，互不影响的，它们之间不连接，而只通过计算机控制中心6来控制它们的启动与关闭，如图3所示，相控阵换能器阵列2放置在网箱1外面，其中高频相控阵换能器阵列21包括高频相控阵换能器阵列211和高频相控阵换能器阵列212两个高频相控阵换能器阵列，低频相控阵换能器阵列22包括低频相控阵换能器阵列221和低频相控阵换能器阵列222两个低频相控阵换能器阵列。
如图2所示，是高频声波振荡电路的电路原理图，图中用NPN晶体管VT来放大频率可调振荡器OSC的输出信号，放大的信号经脉冲变压器T升压为较高的交流电压供给声波换能器，电源为+8V的直流蓄电池，为整个电路提供电能。用超声波来对网箱进行扫描监测，避免了水中其它噪声和混响对回波信号的影响，也能够被网箱有效地吸收。高频声波振荡电路8直接和数据处理模块3连接，产生的超声波由数据处理模块3直接控制然后延时传给高频相控阵换能器阵列21发射，两个高频相控阵换能器阵列可以独立地扫描网箱的相应范围，两个扫描范围之间互不干涉和影响。
图3，高频相控阵换能器阵列211和低频相控阵换能器阵列221放在同一矩形平面板上，高频相控阵换能器阵列212和低频相控阵换能器阵列222放在同一矩形平面板上；两矩形平面板放在防水密闭的盒子中且放置在网箱1外离网箱中心的垂直距离为5.2m处。
高频声波振荡电路8、数据处理模块3和第一无线传输模块4放在防水密闭的盒子中并安装在球形浮标7的顶部水没淹过处。具体是在网箱1的周围安装有高频声波振荡电路8、数据处理模块3和第一无线传输模块4的两个球形浮标7，两个低频相控阵换能器阵列通过电缆与数据处理模块3连接，数据处理模块3与高频声波振荡电路8和第一无线传输模块4连接。一个球形浮标7上的数据处理模块3和第一无线传输模块4分别与高频相控阵换能器阵列211和低频相控阵换能器阵列221连接，另一个球形浮标7上的数据处理模块3和第一无线传输模块4分别与高频相控阵换能器阵列212和低频相控阵换能器阵列222连接。
高频相控阵换能器阵列21与数据处理模块3之间的通信方式为全双工，数据处理模块3、第一无线传输模块4、第二无线传输模块5、计算机控制中心6两两之间可以全双工通信，其余器件与模块之间的通信方式均为单工通信。
数据处理模块3可以处理高频相控阵换能器阵列21与计算机控制中心6的数据交流，数据处理模块3在接收到第一无线传输模块4传来的网箱1的坐标数据时，可以按照数据进行波束成形的计算并控制高频相控阵换能器阵列21向某点集中发射超声波；数据处理模块3在收到高频相控阵换能器阵列21传来的回波信号数据时，可以对数据进行采集、A/D转换、放大、滤波、检波、存储，然后把数字信号传给第一无线传输模块4，并且上述两个过程可以同时进行，互不干涉和影响。
数据处理模块3可以处理低频相控阵换能器阵列22与计算机控制中心6的数据交流，数据处理模块3在收到第一无线传输模块4传来的网箱1的坐标数据和海豚捕食时发出的低频惊吓声波数字信号时，可以按照网箱1的坐标数据进行波束成形的计算，并把海豚捕食时发出的低频惊吓声波数字信号进行D/A转换和放大，然后把处理后的数据一起传给低频相控阵换能器阵列22。
圆柱形网箱1高6m，水平圆截面的直径为6m，它的网衣是由一定孔隙率的用碳纤维增强环氧树脂复合材料制成，根据文献资料，碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，且其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。现在普通的网箱网衣多为塑料尼龙或金属，超声波在金属材料中的衰减系数＜0.01dB/mm，在塑料中的衰减系数在0.01～0.1dB/mm之间，所以普通网衣对声波的作用和水中的障碍物类似，而碳纤维复合材料对超声波的吸收效果比一般材料要明显，且吸收效果与其孔隙率有关，具体数值关系如表1所示：
表1碳纤维复合材料孔隙率φv及超声相对衰减系数
  α/(dB/mm)φv/％   α/(dB/mm)φv/％
  0.5591  0.300.7127  0.611.2222  0.800.8957  0.861.1127  0.961.5382  1.011.7218  1.03   1.8259   1.064.0986   1.776.3648   2.608.0652   2.7612.2176  3.2019.8714  4.30
下面详述本发明水下网箱多波束驱鱼监控系统监控的实现流程：
将事先录制好海豚捕食时发出的低频惊吓声波，以数字信号的形式存入计算机的数据库中，作为驱鱼声波。相控阵换能器阵列对网箱对应范围进行扫描和对某一点的集中发射运用的是相控阵的波束成形技术，通过数据处理模块对相控阵发射和相控阵接收的控制，可以实现相控阵换能器阵列对整个网箱的扫描和对某一点的集中发射.
关于相控阵换能器阵列的波束成形技术，根据文献资料，采用阵列探头检测时，如果各个阵元具有独立的发射和接收电路，通过控制各通道的发射和接收延迟，可以实现检测声束的控制，这就是相控阵超声检测。具体来说，可以分成相控阵发射和相控阵接收。相控阵发射时，分别调整各个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，形成发射声束聚焦和声束偏转等效果。相控阵接收时，换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，然后进行声束合成，就能将特定位置回波信号通过叠加增强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。
每个换能器阵列扫描的水平和垂直角度均为60°，关于换能器阵列的放置，首先找到一个过圆柱形网箱中心的垂直截面，然后将两个矩形平面板平行此垂直截面分别放在网箱外两侧离网箱中心垂直距离为
Figure GSA00000142034700091
即5.2m左右位置处，使两个矩形平面板的中心和圆柱形网箱的中心在同一直线上，且该直线垂直于此垂直截面和两个矩形平面。这样两个相对放置的矩形平面板上的相控阵换能器阵列就可以对网箱1的任何一点进行扫描和集中发射。两个高频相控阵换能器阵列与其下方的低频相控阵换能器阵列一一对应并且具有相同的扫描范围，当一个高频相控阵换能器阵列关闭即停止扫描时，其对应的低频相控阵换能器阵列则启动开始发射驱鱼声波。每个低频相控阵换能器阵列可以独立地扫描网箱的相应范围，两个扫描范围之间互不干涉和影响。
具体包括以下步骤：
步骤1：建立网箱1的柱面坐标的数据资料，并和海豚捕食时发出的低频惊吓声波数字信号一起存入计算机控制中心6的数据库中；
步骤2：启动相控阵换能器阵列2中的两个高频相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路8；
步骤3：计算机控制中心6将网箱1的坐标数据通过与其连接的第二无线传输模块5不断发送给球形浮标7上的第一无线传输模块4，第一无线传输模块4再将网箱1的坐标数据传给数据处理模块3，数据处理模块3进行波束成形的计算并控制相控阵换能器阵列2中的高频相控阵换能器阵列21依次向网箱1各点集中发射超声波；
步骤4：在步骤3进行的同时，相控阵换能器阵列2中的高频相控阵换能器阵列21接收来自网箱1的反射回波数据，并将回波数据传给数据处理模块3，数据处理模块3对数据进行采集、A/D转换、放大、滤波、检波、存储，然后把数据传给第一无线传输模块4，第一无线传输模块4再将数据发送给第二无线传输模块5，从而在计算机控制中心6上通过控制软件来显示回波的频谱图；
步骤5：如果计算机控制中心6上显示某一点回波明显增强，则控制软件将该点的坐标数据持续传给第二无线传输模块5，并同时启动计时程序，相应范围内的相控阵换能器阵列2中的高频相控阵换能器阵列对这一点进行持续扫描；否则回到步骤3；
步骤6：如果计算机控制中心6上显示某一点的回波明显增强且持续时间超过预设值，则控制软件关闭相应范围内的相控阵换能器阵列2中高频相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路8并启动其对应的低频相控阵换能器阵列，此时另一高频相控阵换能器阵列继续扫描其相应的范围。
步骤7：计算机控制中心6控制软件拉响警报并同时持续将这一点的坐标数据和海豚捕食时发出的低频惊吓声波数字信号传给第二无线传输模块5，第二无线传输模块5依次将数据发送给第一无线传输模块4和数据处理模块3，通过数据处理模块3进行波束成形的计算并控制相控阵换能器阵列2中的低频相控阵换能器阵列22，持续对这一点发射海豚捕食时发出的低频惊吓声波，阻止鱼群的进一步外逃；否则回到步骤3。
在上述步骤中，在网箱1的网衣没破的情况下，超声波入射时会被网衣吸收一部分，反射时也会被再次吸收，经过这样的二次吸收后，接收到的反射回波的频谱就会很弱或者几乎没有，如果某一点的回波明显增强且持续时间超过预设值，则认为这一点网衣破损，回波是由鱼体反射回来，这时计算机控制软件拉响警报，听到警报后工作人员进入水下对破损网衣进行修补。
本发明利用吸声材料对超声波的吸收原理，不仅能够发现网箱1的网衣的破损，而且还能够找出网衣破损的具体位置。
在发现网箱破损的具体位置后，能够用低频相控阵换能器阵列结合波束成形的技术对网箱破损处集中发射海豚捕食时发出的低频惊吓声波，阻止鱼群的进一步外逃，减少了渔民的损失。
通过设定预设值的计时程序，减少了对网箱破损的误判，提高了探测网箱破损的准确率。

Claims (5)

1.一种水下网箱多波束驱鱼监控系统，包括放置在水下的网箱(1)，其特征在于：还包括水下监测装置和数据处理装置，所述水下监测装置包括位于网箱外的相控阵换能器阵列(2)和高频声波振荡电路(8)，所述数据处理装置包括分布在网箱周围的数据处理模块(3)和第一无线传输模块(4)、位于岸上的计算机控制中心(6)及与计算机控制中心(6)连接的第二无线传输模块(5)；相控阵换能器阵列(2)和高频声波振荡电路(8)均通过电缆与数据处理模块(3)连接，数据处理模块(3)、第一无线传输模块(4)、第二无线传输模块(5)和计算机控制中心(6)顺次连接。
2.根据权利要求1所述的水下网箱多波束驱鱼监控系统，其特征在于：所述相控阵换能器阵列(2)包括由计算机控制中心(6)来控制启动与关闭且相互独立工作的高频相控阵换能器阵列(21)和低频相控阵换能器阵列(22)。
3.根据权利要求1所述的水下网箱多波束驱鱼监控系统，其特征在于：所述网箱(1)用碳纤维复合材料做成。
4.根据权利要求1所述的水下网箱多波束驱鱼监控系统，其特征在于：所述高频声波振荡电路(8)、数据处理模块(3)和第一无线传输模块(4)放在防水密闭的盒子中并安装在浮标(7)的顶部水没淹过处。
5.权利要求1所述的水下网箱多波束驱鱼监控系统的监控方法，其特征在于：包括下列步骤：
步骤1：建立网箱(1)的柱面坐标数据，并和海豚捕食时发出的低频惊吓声波数字信号一起存入计算机控制中心(6)的数据库中；
步骤2：启动相控阵换能器阵列(2)中的高频相控阵换能器阵列(21)和高频声波振荡电路(8)；
步骤3：计算机控制中心(6)将网箱(1)的坐标数据通过第二无线传输模块(5)不断发送给第一无线传输模块(4)，再由第一无线传输模块(4)传给数据处理模块(3)，数据处理模块(3)进行波束成形的计算并控制相控阵换能器阵列(2)中的高频相控阵换能器阵列(21)依次向网箱(1)各点集中发射超声波；
步骤4：在步骤3进行的同时，相控阵换能器阵列(2)中的高频相控阵换能器阵列(21)接收来自网箱(1)的反射回波数据，并将回波数据传给数据处理模块(3)，数据处理模块(3)对数据进行采集、A/D转换、放大、滤波、检波、存储，然后把数据传给第一无线传输模块(4)，第一无线传输模块(4)再将数据发送给第二无线传输模块(5)，从而在计算机控制中心(6)上通过控制软件来显示回波的频谱图；
步骤5：如果计算机控制中心(6)上显示某一点回波明显增强，则控制软件将该点的坐标数据持续传给第二无线传输模块(5)，并同时启动计时程序，相应范围内的相控阵换能器阵列(2)中的高频相控阵换能器阵列(21)对这一点进行持续扫描；否则回到步骤3；
步骤6：如果计算机控制中心(6)上显示某一点的回波明显增强且持续时间超过预设值，则控制软件关闭相应范围内的相控阵换能器阵列(2)中高频相控阵换能器阵列和高频声波振荡电路(8)并启动其对应的低频相控阵换能器阵列，此时另一高频相控阵换能器阵列继续扫描其相应的范围。
步骤7：计算机控制中心(6)控制软件拉响警报并同时持续将这一点的坐标数据和海豚捕食时发出的低频惊吓声波数字信号传给第二无线传输模块(5)，第二无线传输模块(5)依次将数据发送给第一无线传输模块(4)和数据处理模块(3)，通过数据处理模块(3)进行波束成形的计算并控制相控阵换能器阵列(2)中的低频相控阵换能器阵列持续对这一点发射海豚捕食时发出的低频惊吓声波，阻止鱼群的进一步外逃；否则回到步骤3。
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