CN110824487A - 一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法，包含单片机、控制电路模块、发射模块、接收模块、数模转换模块、数据储存模块、电源模块；所述的控制电路模块、接收模块、数模转换模块和数据储存模块分别与单片机电性连接，电源模块为整个系统供电，发射模块与控制电路模块之间电性连接，发射模块发射的声音信号经过水体之后由接收模块接收然后经过数模转换模块传递给单片机；本发明降低了声呐识别信息成本，提高便携度，便于对鱼类目标在水下进行目标信息的采集，对于环境要求较高的鱼类提供了一种生物远程监测手段，提高实验检测效率和精度。

Description

一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法，属于海洋测绘设备技术领域。
背景技术
鱼探仪，超声波探鱼器由显示主机、超声波传感器及其他配件组成。工作时主要是利用超声波发射、反射和接收的原理。目前国际上应用声纳技术进行鱼类资源评估的应用研究己经比较普遍。以超声波作为探测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器。探鱼器工作时首先由超声波传感器发射信号，信号在水域里传播。当发射信号碰到不同于水的介质如固体、气体等(这里主要是鱼群、海底岩石等)时一部分信号会反射回来，反射信号经传感器过滤后输入至显示主机里进行分析处理。主机里的微电子处理器对过滤后的信号分析处理后会以直观的界面显示分析结果，如水底的构造，水深、鱼群位置、鱼的大小等。
在现代化养殖业等领域，科学养殖势必需要对鱼类的生长状态进行准确实时的监控，但是目前大多数的监控方法为人工进行捞取统计，该方法虽然精度较高，但是局限于时间空间限制，无法实时、全面的对鱼类状态进行监控，同时对实验目标的捞取也会对实验造成影响。
基于目前现状提出了一种能够识别鱼大小的鱼探仪及其实现方法。本装置突破了时空限制，能够实时监测鱼类状态，同时基于单波束鱼探仪的价格优势，是一种优良的低成本检测设备。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服现有技术中存在的不足，提供了一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法，便于对鱼类目标在水下进行目标信息的采集，针对环境要求较高的鱼类提供了一种生物远程监测手段，提高实验检测效率和精度。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明的一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法，包含单片机、控制电路模块、发射模块、接收模块、数模转换模块、数据储存模块、电源模块；所述的控制电路模块、接收模块、数模转换模块和数据储存模块分别与单片机电性连接，电源模块为整个系统供电，发射模块与控制电路模块电性连接，发射模块发射的声音信号经过水体之后由接收模块接收然后经过数模转换模块传递给单片机。
所述的控制电路模块用以在接收到单片机的信号后，实现对GPIO口输出高低电平的控制，从而控制发射模块。
所述的数模转换模块由比较器、置数选择逻辑、主次逼近寄存器和D/A转换器，该模块用于将模拟信号转化电信号。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的单片机采用STM32F103xE型单片机，其作为一增强型产品能够有效满足对与鱼探仪数据处理与各模块的控制。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的数据存储模块采用K4S511632D-UC60型RAM，用于进行数据的即时存储与输出，使数据有序输出至单片机进行运算。
本发明的工作原理如下：电源模块启动后对整个系统进行供电，单片机激活向控制电路模块发送控制信号，控制电路模块通过控制GPIO口输出高低电平来控制发射模块发射声音信号；在声音信号遇到目标后反射被接收模块接收，然后通过数模转换模5将模拟信号转化为电信号传递至单片机进行数据处理，在单片机内通过计算得到鱼体长度，最后将处理后的数据输出至PC端。
单片机的数据处理过程，包含以下具体步骤：
步骤1：通过数模转换模块5传入的数据主要有目标距离r、声波频f、回波级EL、声源级SL，将上述数据存储于数据存储模块6的数据库中；
步骤2：首先通过公式1，计算弛豫频率。
Figure BDA0002289227320000021
然后采用Schulkin和Marsh总结的半经验，参见公式2，计算吸收系数。
公式2中A＝2.03×10-2，B＝2.94×10-2，s为盐度，f为声波频(kHz)，鱼探仪常用频率为55kHz、77kHz、200kHz。
步骤3：根据公式3，计算吸收损失。
TL2＝rα 公式3
然后再通过公式4，计算扩展损失。
TL1＝n·10lgr 公式4
公式4中r是传播距离，n为常数，单波束鱼探仪刻近似为球面波传播，波阵面按球面扩展，因此n可近似取2带入计算。
步骤4：通过公式5，计算传播损失TL。
TL＝TL1+TL2 公式5
步骤5：根据主动声纳的声呐方程，参见公式6，计算目标强度TS。
SL-2TL+TS-RL＝DT 公式6
公式6中SL为声源级，TL为传播损失，TS为目标强度，RL为等效平面波混响级。
通过对公式6的近似可得：EL＝SL-2TL+TS公式7
选取处理后目标区域的目标强度，根据经验公式8，对数据进行加权处理，即可计算得出该时间下的鱼体长度。
TS＝19.1lgL-0.9lgf-62.0 公式8
公式8中，鱼体长L(cm)，频率f(kHz)，适用范围0.7<L/λ<90；鱼探仪常用频率为55kHz、77kHz、200kHz，通过三种频率的扫描，解得三组鱼体长L1、L2、L3(cm)。
步骤6：设置时间阀值T0，在时间阀值T0的时间段内，对同一目标的长度进行连续计算，选取T0时间段内鱼体长L的最大值，时间阈值T0的确定为计算每一次从鱼出现至鱼展现出最大体长的时间数据，去除个别极值，计算得出的时间平均值。选取该时间平均值内的鱼体长度的最大值，将体长数据输出至PC端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明降低了声呐识别信息成本，提高便携度，便于对鱼类目标在水下进行目标信息的采集，针对环境要求较高的鱼类提供了一种生物远程监测手段，提高实验检测效率和精度；其次为本方法基于单波束鱼探仪，单波束鱼探仪的便携性以及低成本有利于快速、实时的进行目标测量，可拓展至复杂水环境下水下物体打捞工作，对目标进行测量、远程监控，提高打捞效率；常见声呐综合性强，因而成本高，针对单纯某一方面的应用，其成本过于高昂，性能过剩，本发明基于单波束鱼探仪，具有成本较低，针对性强的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的数模转换模块的结构示意图。
图3为本发明的控制电路模块的结构示意图。
图4为本发明的发射模块的电路图。
图5为本发明的接受模块的电路图。
图6为本发明的计算方法的逻辑图。
图7为本发明的计算过程的流程图。
附图标记说明：1.单片机、2.控制电路模块、3.发射模块、4.接收模块、5.数模转换模块、6.数据储存模块、7.电源模块。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅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。
参见图1至图7，本发明涉及一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法，包含单片机1、控制电路模块2、发射模块3、接收模块4、数模转换模块5、数据储存模块6、电源模块7；所述的控制电路模块2、接收模块4、数模转换模块4和数据储存模块6分别与单片机1电性连接，电源模块7为整个系统供电，发射模块3与控制电路模块2电性连接，发射模块3发射的声音信号经过水体之后由接收模块4接收然后经过数模转换模块5传递给单片机1。
所述的单片机1采用STM32F103xE型单片机，其作为一增强型产品能够有效满足对与鱼探仪数据处理与各模块的控制。
所述的控制电路模块2用以在接收到单片机的信号后，实现对GPIO口输出高低电平的控制，从而控制发射模块3。
所述的数模转换模块5由比较器、置数选择逻辑、主次逼近寄存器和D/A转换器，该模块用于将模拟信号转化电信号。
所述的数据存储模块6采用K4S511632D-UC60型RAM，用于进行数据的即时存储与输出，使数据有序输出至单片机进行运算。
本发明的工作原理如下：电源模块7启动后对整个系统进行供电，单片机1激活向控制电路模块2发送控制信号，控制电路模块2通过控制GPIO口输出高低电平来控制发射模块3发射声音信号；在声音信号遇到目标后反射被接收模块4接收，然后通过数模转换模块5将模拟信号转化为电信号传递至单片机1进行数据处理，在单片机1内通过计算得到鱼体长度，最后将处理后的数据输出至PC端。
如图5所示为单片机的数据处理流程图，其处理步骤如图2所示，详述如下：
步骤1：通过数模转换模块5传入的数据主要有目标距离r、声波频f、回波级EL、声源级SL，将上述数据存储于数据存储模块6的数据库中；
步骤2：首先通过公式1，计算弛豫频率。
然后采用Schulkin和Marsh总结的半经验，参见公式2，计算吸收系数。
Figure BDA0002289227320000042
公式2中A＝2.03×10-2，B＝2.94×10-2，s为盐度，f为声波频(kHz)，鱼探仪常用频率为55kHz、77kHz、200kHz。
步骤3：根据公式3，计算吸收损失。
TL2＝rα 公式3
然后再通过公式4，计算扩展损失。
TL1＝n·10lgr 公式4
公式4中r是传播距离，n为常数，单波束鱼探仪刻近似为球面波传播，波阵面按球面扩展，因此n可近似取2带入计算。
步骤4：通过公式5，计算传播损失TL。
TL＝TL1+TL2 公式5
步骤5：根据主动声纳的声呐方程，参见公式6，计算目标强度TS。
SL-2TL+TS-RL＝DT 公式6
公式6中SL为声源级，TL为传播损失，TS为目标强度，RL为等效平面波混响级。
通过对公式6的近似可得：EL＝SL-2TL+TS公式7
选取处理后目标区域的目标强度，根据经验公式8，对数据进行加权处理，即可计算得出该时间下的鱼体长度。
TS＝19.1lgL-0.9lgf-62.0 公式8
公式8中，鱼体长L(cm)，频率f(kHz)，适用范围0.7<L/λ<90；鱼探仪常用频率为55kHz、77kHz、200kHz，通过三种频率的扫描，解得三组鱼体长L1、L2、L3(cm)。
步骤6：设置时间阀值T0，在时间阀值T0的时间段内，对同一目标的长度进行连续计算，选取T0时间段内鱼体长L的最大值，时间阈值T0的确定为计算每一次从鱼出现至鱼展现出最大体长的时间数据，去除个别极值，计算得出的时间平均值。选取该时间平均值内的鱼体长度的最大值，将体长数据输出至PC端。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法，其特征在于，包含单片机、控制电路模块、发射模块、接收模块、数模转换模块、数据储存模块、电源模块；所述的控制电路模块、接收模块、数模转换模块和数据储存模块分别与单片机电性连接，电源模块为整个系统供电，发射模块与控制电路模块之间电性连接，发射模块发射的声音信号经过水体之后由接收模块接收然后经过数模转换模块传递给单片机；
所述的控制电路模块用以在接收到单片机的信号后，实现对GPIO口输出高低电平的控制，从而控制发射模块；
所述的数模转换模块由比较器、置数选择逻辑、主次逼近寄存器和D/A转换器，该模块用于将模拟信号转化电信号；
所述的数据存储模块用于进行数据的即时存储与输出，使数据有序输出至单片机进行运算。
2.根据权利要求1所述的一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法，其特征在于，所述的单片机采用STM32F103xE型单片机。
3.根据权利要求1所述的一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪及其实现方法，其特征在于，所述的数据存储模块采用K4S511632D-UC60型RAM。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种能够识别鱼大小的单波束鱼探仪的实现方法，其特征在于，包含以下具体步骤：
步骤1：通过数模转换模块5传入的数据主要有目标距离r、声波频f、回波级EL、声源级SL，将上述数据存储于数据存储模块6的数据库中；
步骤2：首先通过公式1，计算弛豫频率；
Figure FDA0002289227310000011
然后采用Schulkin和Marsh总结的半经验，参见公式2，计算吸收系数；
Figure FDA0002289227310000012
公式2中A＝2.03×10-2，B＝2.94×10-2，s为盐度，f为声波频(kHz)，鱼探仪常用频率为55kHz、77kHz、200kHz；
步骤3：根据公式3，计算吸收损失；
TL2＝rα 公式3
然后再通过公式4，计算扩展损失；
TL1＝n·10lgr 公式4
公式4中r是传播距离，n为常数，单波束鱼探仪刻近似为球面波传播，波阵面按球面扩展，因此n可近似取2带入计算；
步骤4：通过公式5，计算传播损失TL；
TL＝TL1+TL2 公式5
步骤5：根据主动声纳的声呐方程，参见公式6，计算目标强度TS；
SL-2TL+TS-RL＝DT 公式6
公式6中SL为声源级，TL为传播损失，TS为目标强度，RL为等效平面波混响级；
通过对公式6的近似可得：EL＝SL-2TL+TS 公式7
选取处理后目标区域的目标强度，根据经验公式8，对数据进行加权处理，即可计算得出该时间下的鱼体长度；
TS＝19.1lgL-0.9lgf-62.0 公式8
公式8中，鱼体长L(cm)，频率f(kHz)，适用范围0.7<L/λ<90；鱼探仪常用频率为55kHz、77kHz、200kHz，通过三种频率的扫描，解得三组鱼体长L1、L2、L3(cm)；
步骤6：设置时间阀值T0，在时间阀值T0的时间段内，对同一目标的长度进行连续计算，选取T0时间段内鱼体长L的最大值，时间阈值T0的确定为计算每一次从鱼出现至鱼展现出最大体长的时间数据，去除个别极值，计算得出的时间平均值。选取该时间平均值内的鱼体长度的最大值，将体长数据输出至PC端。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200221

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