CN104285849A - 一种网箱养殖生物量监测声学系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网箱养殖生物量监测声学系统与方法，所述系统和方法是通过在网箱中安装自由移动平台、水声换能器及收发控制装置，并连接数据处理系统，向网箱中发射声波信号，并由收发控制装置接收网箱中鱼体的声散射信号，通过测量鱼体的声散射目标强度，由数据处理系统进行处理，检测网箱中鱼体尺寸、质量、密度及生物总量的系统和方法。

Description

一种网箱养殖生物量监测声学系统与方法

技术领域

本发明涉及一种网箱养殖生物资源量监测的声学监测系统与方法，特别涉及一种网箱养殖生物的大小尺寸、生物群数量及资源总量的测量与监测系统及方法。 

背景技术

对于渔业养殖户来讲，及时而准确估计网箱中养殖生物（例如鱼）的尺寸、数量和生物总量是非常必要的，它能够及时掌握网箱中养殖生物的生长状态，对于提高生产效率。节约成本，提高利润影响较大。 

一般来讲，养殖企业在近海或湖泊中放入“深水网箱”，沉入到水中，通常网箱由塑料骨架和网状材料编织而成，以防止网箱中养殖生物群的逃逸，同时，又能保持网箱中水循环流动，从而保证养殖生物的味道鲜美。 

对渔业养殖企业，盈利和风险控制与养殖生物的尺寸、质量和总量有着直接的关系，为了尽量减少因疾病、偷盗等因素带来的利润损失，尽量将养殖生物养殖在深水区。这给养殖生物的监测带来较大困难。与其他养植产品不同，无法用人工处理方法进行统计,人工计量方法容易增加养殖生物的疾病传染，甚至会导致养殖生物的死亡，带来利润的损失。精确的估计网箱中养殖生物的尺寸、质量和总量对于制订喂养计划、食物的供养量、监测养殖生物的丢失逃逸、疾病监测都至关重要。 

发明内容

本发明目的是提供一种网箱中养殖生物尺寸、质量及总量实时监测装置和方法，实现准确获取网箱养殖区生物生长过程信息。 

一种用于网箱养殖生物量监测的声学系统，包括：水声换能器，收发控制装置，该收发控制装置产生至少一种声脉冲信号，通过水声换能器发射到网箱的水体中，并接收网箱中养殖生物的回波信号，以及数据处理设备，用于对网箱中的养殖生物的回波信号进行分析、处理和显示。 

进一步的，该系统还包括： 

自由测量平台，其位于于养殖网箱上部水面，水声换能器通过一万向悬挂装置设置在自由测量平台上，该万向悬挂装置使得水声换能器保持稳定，自由测量平台能够使水声换能器在网箱上部水面实现水平移动和与水平移动方向垂直的平面内的自由转动；上述与水平移动方向垂直的平面内的自由转动使水声换能器的照射波束能够在垂直于移动方向的平面内旋转，使得照射波束照射到网箱的整个截面，水声换能器通过水平移动和与水平移动方向垂直的平面内的自由转动，使照射波束照射到网箱中的任何位置。 

进一步的，所述系统还包括： 

无线/有线通信设备，用于实现数据处理设备和收发控制装置之间的数据传输； 

温度传感器，用于测量网箱的温度，以及 

方向传感器，用于检测水声换能器波束方向和位置； 

其中，所述温度传感器和方向传感器获得的数据信息通过标准的以太网接口传输到数据处理设备，数据处理设备通过处理传感器数据和回波信号获得评估和监测数据，并根据方向传感器检测到的水声换能器的波束方向和位置，向收发控制装置发送控制信息，以矫正水声换能器发射声波的偏差。 

进一步的，所述收发控制装置包括控制接口、收发转换电路、信号发射电路、信号接收电路、控制电路和预处理模块，其中， 

信号发射电路包括信号驱动电路、信号功放电路、信号匹配电路，声学信号经过上述电路后生成声波脉冲信号，通过收发转换电路施加到水声换能器； 

信号接收电路包括前级放大电路、动态调节电路、二级放大电路、滤波器、A/D采样电路，水声换能器接收的回波信号经过收发转换、前级放大、动态调节、二级放大和滤波后，再经AD采样传送至预处理模块； 

控制电路，其通过控制接口从无线/有线通信设备接收平台控制信号和声学参数，以控制自由测量平台的水平移动和自由转动，并根据上述声学参数对信号发射电路进行参数调整，以获得声波脉冲信号； 

预处理模块，其用于对接收的回波信号的进行预处理，并将预处理后的数据通过控制接口传送给数据处理设备。 

进一步的，收发控制装置与水声换能器通过电缆相连接，该收发控制装置放置在网箱的边缘，或者与自由测量平台一体设置。 

进一步的，所述平台控制信号包括移动速度信号、移动方向信号、扫描断面信号。 

进一步的，所述声学参数包括工作频率、信号类型、脉冲宽度。 

本发明还提供了一种网箱养殖生物量监测方法，该方法利用了上述用于网箱养殖生物量监测的声学系统，该方法包括如下步骤： 

步骤一：通过数据处理设备分别向收发控制装置和自由测量平台发出控制指令，开启水声换能器并发出照射波束，使自由测量平台带动水声换能器进行水平移动以及与水平移动方向垂直的平面内的自由转动； 

步骤二：收发控制装置接收回波信号并进行初步处理，将初步处理后的回波信号通过控制接口传送给数据处理设备； 

步骤三：数据处理设备处理回波信号，进一步包括下列步骤： 

（1）通过回波信号体现出的目标强度与生物体长度的关系估计出生物体的大小尺寸； 

（2）通过回波信号体现出的网箱中生物群密度和密度分布来估计网箱中生物群的生物量； 

（3）根据网箱校准的数据剔除网箱结构产生的干扰信号，保证对网箱中生物群大小、总量的估计的准确性； 

步骤四：数据处理设备根据方向传感器检测到的水声换能器的波束方向和位置，向收发控制装置发送控制信息，矫正水声换能器发射声波的偏差，以获得网箱内生物群的准确回波信息； 

步骤五：数据处理设备根据温度传感器获得的温度数据以及回波信号，生成数据处理报告并显示给用户，并将数据处理报告存储成文件。 

本发明提供的上述系统和方法，能够帮助养殖人员降低成本，对养殖生物无损害的估计出生物的准确信息。本发明不仅仅适用于特定的鱼类，而且适应于多种环境如海洋、湖泊、河流等网箱中的鱼类或者水生生物。 

附图说明：

图1是系统结构及组成图； 

图2是养殖生物量监测的原理图； 

图3是收发控制装置组成框图。 

具体实施方式

为使本发明实施目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。 

图1为本发明的系统结构和组成图，该系统包括自由测量平台04、收发控 制装置01和水声换能器02及数据处理装置03构成，本实施例以养殖生物是鱼类为例，鱼22可以在网箱21中自由游动，其测量原理如图2所示。收发控制装置01与水声换能器02通过电缆相连接。 

水声换能器的安装方式有多种方案可以选择，一是安装在网箱的水面，换能器的波束28垂直向下照射。同时，照射波束能够在垂直于移动方向的平面内旋转，使换能器的波束能够照射到网箱中的整个截面；二是换能器安装在网箱的底部，声纳波束向上照射；三是换能器安装在网箱中心。三种安装方案都可以获得鱼群目标的回波信号，并完成网箱中生物量估计和监测，其修正方法略有不同。本发明以换能器安装在水面的方式详细说明本发明的实施过程。 

水声换能器02在收发控制装置01的控制下至少发射一种声脉冲信号到网箱中，换能器有一定的圆锥开角，开角不宜过大，一般在10°左右，采用收发合置的换能器。要尽量使得水声换能器发射的信号垂直，换能器的位置可能会受到水流、天气情况和移动平台移动速度的影响。如果采用方向传感器检测声波发射的方向，使得水声换能器发射声波的偏差可以由算法处理器矫正。另外水声换能器被装配在一个万向悬挂或类似装置，以保持水声换能器在忽略水流、天气移动平台的影响下垂直稳定在一个位置。 

自由测量平台04携带水声换能器安装在网箱上面，能够在网箱上完成自由转动和水平运动，如图2中体现的水平移动方向25和26所示的转动方向，在方向25和26的联合作用下，水声换能器波束能够照射到网箱中的任何位置。 

收发控制装置01与水声换能器02通过电缆相连接，该装置可以放置在网箱的边缘，或者与自由测量平台一体，取决于设计方案，本发明以在网箱边缘安装为例说明。收发控制装置产生声波信号，并驱动换能器向网箱中发射至少一种声脉冲信号，接收网箱中鱼体的目标回波信号，并对回波信号进行预处理。 其组成如图3所示。 

收发控制装置01包括信号发射电路、信号接收电路、控制电路和预处理器，信号发射电路能够至少产生一种声波脉冲信号，并激发换能器将声波信号发射到水中，保证足够的信噪比；信号接收电路能够接收网箱中鱼体目标产生的回波信号。并送到预处理器进行滤波、降噪等处理，并通过以太网接口或无线模块传输到数据处理装置；控制电路主要接收系统控制接口通过有线或者无线传输过来的控制信号或参数。来控制移动平台或者发射及接收电路，完成系统的工作。 

图3中，控制接口101与无线传输模块102连接，接收平台控制参数12（例如移动速度，移动方向、扫描断面等）和声学参数11（例如工作频率，信号形式，脉冲宽度等），控制模块103接收这些参数来控制自由测量平台的运动和扫描方式，预处理模块104根据声学参数控制声信号的发射和接收。声学信号经过驱动电路111、放大电路112、匹配电路113及收发转换电路114施加到换能器02上，最终发射出去。当声波遇到鱼体时，产生目标回波经过收发转换电路114经过前级放大电路109、动态调节电路108、二级放大电路107、滤波器106（采用LT1562-2有源滤波器芯片）、再经过AD采样模块105后，由预处理模块104完成降噪等初步处理，预处理模块由功能强大的DSP为核心器件，采用TI公司的TMS320C645X芯片，主频率达到1.2GHz，其处理能力达9600MIPS或9.6GMACS。数据经处理后，经控制接口由无线传输模块发送出去进行最后的处理，由处理软件把结果显示出来或者存储到文件。 

数据处理装置03与收发控制装置01相连接，它可以是便携式计算机、嵌入式处理系统，标准的工业计算机或者其他任何通用的计算平台，通过有线或者无线方式与控制接口通信，数据处理装置03与收发控制装置的通过通用以太 网TCP/IP协议或者UDP协议连接，完成数据的传输。数据处理装置上运行数据处理软件，完成关于鱼体目标强度测量和统计的算法及声系统的校准方法。 

处理软件包括基于鱼体目标强度测量的单体鱼尺寸估计算法，首先应用测量单体鱼的散射截面积α或其他目标估计方法，利用目标强度与鱼体长度的关系估计出鱼体的大小尺寸。然后通过测量网箱中鱼群密度和密度分布来估计网箱中鱼群的生物量，鱼群密度可以利用回波积分的方法获得。另外，网箱中回波信号中还包含干扰和混响，处理软件根据网箱校准的数据能够剔除如网箱结构等产生的干扰信号，保证对网箱中鱼群大小、总量的估计的准确性。 

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。 

Claims (9)

1.一种用于网箱养殖生物量监测的声学系统，其特征在于，包括： 

水声换能器； 

收发控制装置，该收发控制装置产生至少一种声脉冲信号，通过水声换能器发射到网箱的水体中，并接收网箱中养殖生物的回波信号； 

数据处理设备，用于对网箱中的养殖生物的回波信号进行分析、处理和显示。 

2.根据权利要求1所述的用于网箱养殖生物量监测的声学系统，其特征在于，所述系统还包括： 

自由测量平台，其位于于养殖网箱上部水面，水声换能器通过一万向悬挂装置设置在自由测量平台上，该万向悬挂装置使得水声换能器保持稳定，自由测量平台能够使水声换能器在网箱上部水面实现水平移动和与水平移动方向垂直的平面内的自由转动；上述与水平移动方向垂直的平面内的自由转动使水声换能器的照射波束能够在垂直于移动方向的平面内旋转，使得照射波束照射到网箱的整个截面，水声换能器通过水平移动和与水平移动方向垂直的平面内的自由转动，使照射波束照射到网箱中的任何位置。 

3.根据权利要求2所述的用于网箱养殖生物量监测的声学系统，其特征在于，所述系统还包括： 

无线/有线通信设备，用于实现数据处理设备和收发控制装置之间的数据传输； 

温度传感器，用于测量网箱的温度； 

方向传感器，用于检测水声换能器波束方向和位置； 

其中，所述温度传感器和方向传感器获得的数据信息通过标准的以太网接口传输到数据处理设备，数据处理设备通过处理传感器数据和回波信号获得评 估和监测数据，并根据方向传感器检测到的水声换能器的波束方向和位置，向收发控制装置发送控制信息，以矫正水声换能器发射声波的偏差。 

4.根据权利要求3所述的用于网箱养殖生物量监测的声学系统，其特征在于：所述收发控制装置包括控制接口、收发转换电路、信号发射电路、信号接收电路、控制电路和预处理模块，其中： 

信号发射电路包括信号驱动电路、信号功放电路、信号匹配电路，声学信号经过上述电路后生成声波脉冲信号，通过收发转换电路施加到水声换能器； 

信号接收电路包括前级放大电路、动态调节电路、二级放大电路、滤波器、A/D采样电路，水声换能器接收的回波信号经过收发转换、前级放大、动态调节、二级放大和滤波后，再经AD采样传送至预处理模块； 

控制电路，其通过控制接口从无线/有线通信设备接收平台控制信号和声学参数，以控制自由测量平台的水平移动和自由转动，并根据上述声学参数对信号发射电路进行参数调整，以获得声波脉冲信号； 

预处理模块，其用于对接收的回波信号的进行预处理，并将预处理后的数据通过控制接口传送给数据处理设备。 

5.根据权利要求1-4任意一项所述的系统，其特征在于：收发控制装置与水声换能器通过电缆相连接，该收发控制装置放置在网箱的边缘，或者与自由测量平台一体设置。 

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：水声换能器安装于网箱上部水面、网箱的底部或网箱中部的水域。 

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述平台控制信号包括移动速度信号、移动方向信号、扫描断面信号。 

8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述声学参数包括工作频率、信 号类型、脉冲宽度。 

9.一种网箱养殖生物量监测方法，该方法利用了如权利要求3-5、7-8中任意一项所述的用于网箱养殖生物量监测的声学系统，其特征在于，该方法包括如下步骤： 

步骤一：通过数据处理设备分别向收发控制装置和自由测量平台发出控制指令，开启水声换能器并发出照射波束，使自由测量平台带动水声换能器进行水平移动以及与水平移动方向垂直的平面内的自由转动； 

步骤二：收发控制装置接收回波信号并进行初步处理，将初步处理后的回波信号通过控制接口传送给数据处理设备； 

步骤三：数据处理设备处理回波信号，进一步包括下列步骤： 

（1）通过回波信号体现出的目标强度与生物体长度的关系估计出生物体的大小尺寸； 

（2）通过回波信号体现出的网箱中生物群密度和密度分布来估计网箱中生物群的生物量； 

（3）根据网箱校准的数据剔除网箱结构产生的干扰信号，保证对网箱中生物群大小、总量的估计的准确性； 

步骤四：数据处理设备根据方向传感器检测到的水声换能器的波束方向和位置，向收发控制装置发送控制信息，矫正水声换能器发射声波的偏差，以获得网箱内生物群的准确回波信息； 

步骤五：数据处理设备根据温度传感器获得的温度数据以及回波信号，生成数据处理报告并显示给用户，并将数据处理报告存储成文件。