CN111232131A - 一种海洋渔业养殖水域实时立体观测系统 - Google Patents

Abstract

一种海洋渔业养殖水域实时立体观测系统，包括多个海底传感器节点、多个海面浮标节点和陆上监视系统，海底传感器节点包括水文、水质传感器，用于采集海底水文和水质数据；海面浮标节点包括水文、水质、气象传感器，用于采集海面水文、水质和气象数据，海面浮标节点通过水声通信与海底传感器节点交换数据，同时根据水声定位对各海底传感器节点的位置进行测量；陆上监视系统通过卫星通信接收所述海面浮标节点发送的数据，获得关于海底和海面的水文、水质和/或气象数据，获得海底传感器节点的位置数据。

Description

一种海洋渔业养殖水域实时立体观测系统

技术领域

本发明属于海洋渔业养殖技术，特别涉及一种海洋渔业养殖水域实时立体观测系统。

背景技术

我国是海洋渔业养殖大国，2018年海洋渔业养殖产量占海水鱼产量的七成。但渔业养殖严重依靠养殖水域环境，养殖水域环境如气象、水文、水质等的变化直接影响养殖鱼类成长甚至存活，更为严重的是近些年来，海洋溢油、危险化学品污染、海洋放射性污染、赤潮(绿潮)灾害等极端事件，如蓬莱19-3溢油事故、大连油污染事件，直接影响养殖水域环境，威胁海洋养殖鱼类安全。因此对养殖水域环境的监测对海洋渔业养殖具有十分重要的作用。海洋养殖环境监测系统成为海洋渔业养殖防灾减灾、辅助决策、权益维护等提供必需的基础资源和数据依据，为海洋渔业养殖事业的可持续发展提供可靠保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋渔业养殖水域实时立体观测系统，实现对海洋渔业养殖环境的立体、实时和精确观测。

本发明实施例之一，一套由海底多传感器节点、海面浮标、陆上监视以及存储系统组成，集水质、水文和气象于一体的多参数、实时、立体的高精度、智能化海洋监测信息系统。该系统能够自动、连续、实时监测海洋(海面和海底)多种参数，自动传输、存储、处理和分析数据。采用声学定位实时修正水下采集点位置，便于水下采集节点的周期性回收清洗。采用自脱锚设计，实现回收过程的自动上浮。

本发明有益效果包括：

1.实现了对于海洋渔业养殖水域水质水文气象的远程实时监测；

2.准确定位、管理对于海底传感器和海面浮标的使用；

3.帮助及时决策对于海洋渔业养殖的作业。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1根据本发明实施例之一的观测系统组成示意图。

图2根据本发明实施例之一的陆上监测系统示意图。

图3根据本发明实施例之一的海面浮标电路组成示意图。

图4根据本发明实施例之一的海面浮标上行工作流程示意图。

图5根据本发明实施例之一的海面浮标下行工作流程示意图。

图6根据本发明实施例之一的水下传感器节点电路组成示意图。

图7根据本发明实施例之一的水声定位系统示意图。

图8根据本发明实施例之一的海底传感器节点水下布放示意图。

10——水面浮标，11——卫星天线，20——海底传感器节点，30——锚体。

具体实施方式

现有的海洋渔业养殖环境的检测采用卫星遥感或浮标等监测手段，其中卫星遥感监测只能监测特定时间点、海水表面大范围的环境变化；浮标监测也仅仅可以定点监测水面及水面下有限深度海水参数的变化，因此缺乏完整立体的监测手段。

根据一个或者多个实施例，如图1所示，海洋渔业养殖环境的实时立体监测系统由海底水下传感器节点、海面浮标系统(包括多传感器节点)、陆上监视系统等构成。监测系统通过多传感器实时采集海底和海面多点水文、水质和气象等海洋数据，通过水声和无线通信将采集到的数据传输到陆上监视系统供用户使用，并实时检测个节点的工作状态。定期通过水声定位和北斗卫星定位修正海底传感器节点和海面浮标的位置；结合定位和洋流信息回收传感器节点。

海洋渔业养殖水域实时立体观测系统各主要部分包括，

1)海底传感器节点由水文、水质采集传感器及数据处理系统和水声通信系统组成，负责采集海底水文和水质数据，以及与浮标进行水声通信。

2)海面浮标节点由水文、水质、气象采集传感器及数据处理系统、水声通信系统、水声定位系统、卫星通信系统组成，负责采集海面水文、水质和气象数据；与海底传感器节点进行水声通信；通过卫星与陆基监视系统进行通信；通过水声定位系统对海底各节点进行位置参数测量，并将参数通过卫星通信系统传与陆基监视系统。

3)陆基监视系统由卫星通信系统和数据处理显示系统组成，负责接收海面浮标传来的海面和海底节点采集的数据；计算海面浮标传来的各海底各节点定位数据，获得海底各节点的实时位置信息；监视个系统单元运行的状况。

根据一个或者多个实施例，海洋渔业养殖环境的实时立体监测系统工作过程可以分为上行和下行两部分。

上行过程中，水下节点将其传感器采集的数据打包通过水声通信传给水面浮标；水面浮标采集水面数据，并接收水下浮标通过水声通信传来的数据，打包后经过卫星通信传给陆上主控机；主控机实时显示水下节点的数据，并主控演示机具备相关信号处理能力。

下行过程中，可以通过主控机设置和调整水面浮标工作状态。主控机将需要发生的指令通过卫星通信系统发给浮标，浮标对收到的信息解包，得到信息的目标地址。当指令是发给浮标自身时，浮标自身控制模块根据指令内容设置或调整自身工作状态；当指令是发给水下节点时，浮标通过水声通信将这一指令转发。水下节点接收到指令后设置或调整自身工作状态。

海洋渔业养殖环境实时立体监测系统中陆上监测系统架构如图2所示，由主控机、显示器、卫星通信模块、天线等组成。主控机负责实时显示浮标和水下节点采集的数据和各状态参数，并可以卫星通信发送数据和指令到水面浮标和水下节点；主控机具备相关信号处理能力。主控机负责储存接收到的数据，并具备相关信号处理能力；显示器负责实时显示水面浮标、水下节点发来的各传感器数值，也可以显示浮标工作状态和辅助指令参数设置；卫星通信模块负责陆上主控机与水面浮标进行卫星通信所需调制/解调、编码、解码等功能；天线负责浮标与主控机进行卫星通信时电/磁信号的转换。

海洋渔业养殖环境实时立体监测系统中，水面浮标负责采集水面数据，并接收水下浮标通过水声通信传来的数据，打包后通过卫星通信传给陆上主控演示机；同时负责接收主控机传来的指令，来调整自身工作状态或将指令传给水下节点。浮标架构如图3所示，浮标由数据打包/分包模块、数据采集模块、水声通信模块、卫星通信模块、状态控制模块等组成。浮标由以下部分组成：

1.主控部分，包括，

数据打包/分包模块，负责将浮标采集的数据和水声通信模块传来的数据进行分包，再进行重新打包发给卫星通信模块；同时负责将卫星通信模块传来的主控指令进行解包，将需要发给水下节点的指令传给水声通信模块，将本浮标需要处理的指令发给浮标状态控制模块；

状态控制模块，负责状态自身各参数的设定、自身工作状态的检查。

2.传感器数据采集部分，包括，

数据采集模块，负责将传感器采集数据进行滤波、放大、AD转换、量化、编码等预处理；

传感器，负责采集海洋环境监测系统所需要的参数数据。

3.水声通信部分，包括

水声通信模块，负责浮标与水下节点进行水声通信所需调制/解调、编码、解码等功能；

换能器，负责浮标与水下节点进行水声通信时声/电信号的转换。

4.卫星通信部分，包括

卫星通信模块，负责浮标与陆上主控机进行卫星通信所需调制/解调、编码、解码等功能；

天线，负责浮标与陆上监测系统进行卫星通信时电/磁信号的转换。

5.外围电路。

浮标的工作流程如图4所示，浮标上行工作流程。如图5所示，浮标下行工作流程。浮标数据上传过程包括，海面浮标节点首先设置调整浮标参数，接收海底传感器节点的水声数据包，解包获得数据d0；获得水文传感器数据d1、水质传感器数据d2，将数据d0、d1、d2合并打包，通过卫星通信发送给路上监视系统。浮标数据下载过程包括，通过卫星通信接收陆上监测系统的指令，解析该指令，若发现该指令是针对自身的，则根据指令调整浮标参数。如果发现该指令是发给海底传感器的，则对指令数据重新打包通过水声通信发送给海底传感器节点。

海洋渔业养殖环境实时立体监测系统中，水下传感器节点负责采集水下数据，并接通过水声通信将数据传给水面浮标；同时负责接收由水面浮标通过水声通信中继来的主控机指令，根据协议解算指令用来调整自身工作状态。

如图6所示，水下节点电路由数据打包/分包模块、数据采集模块、水声通信模块、状态控制模块等组成。水下传感器节点电路由以下部分组成，

1.主控部分，包括，

数据打包/分包模块，负责将水下节点采集的水下数据进行打包发给水声通信模块；同时负责将水声通信模块传来的主控指令进行解包，将本浮标需要处理的指令发给水下节点状态控制模块；

状态控制模块，负责状态自身各参数的设定、自身工作状态的检查。

2.传感器数据采集部分，包括

数据采集模块，负责将传感器采集数据进行滤波、放大、AD转换、量化、编码等预处理；

传感器，负责采集海洋环境监测系统所需要的水下参数数据。

3.水声通信部分，包括

水声通信模块，负责水下节点与浮标进行水声通信所需调制/解调、编码、解码等功能；

换能器，负责水下节点与浮标进行水声通信时声/电信号的转换。

4.外围电路。

5.锚分离驱动电路，负责接收水下节点主控指令，在接到分离指令时，将传感器节点和重块分离，传感器节点在海水浮力的作用下上浮。

海洋渔业养殖环境实时立体监测系统中水下传感器节点随海流影响位置存在移动的可能，会影响对测量数据所在位置点的判断；同时在水下传感器节点回收过程中需要对回收时刻传感器节点位置预先知道，以保证回收的成功率。

在海水中，无论是光波还是电磁波，它们的传播衰减都很大，在海水中的传播距离十分有限。在人们迄今所知的各种能量形式中，海水中以声波传播性能最好，声场是水中传播最远的物理场。采用水声定位方式对水下传感器节点进行定位和跟踪。

水声定位技术经过一个多世纪的发展已逐渐成熟，声波在水中的传播规律、声辐射、反射及水声信号的处理等都已形成了较成熟的理论。水声定位系统利用沿不同距离路径传播的水声脉冲间的时间差或相位差对水面、水中目标进行定位。水声定位系统按照定位基线长度可以分成四类：长基线(Long Base-Line，LBL)、短基线(Short Base-Line,SBL)、超短基线(Ultra Short Base-Line,USBL)及组合定位系统。组合定位系统有长基线超短基线(L/USBL)、长基线短基线(L/SBL)、短基线超短基线(S/USBL)、长基线短基线超短基线(L/S/USBL)等等组合定位系统。

长基线定位系统需要在海底布设3个以上的基点，以一定的几何图形组成定位基线阵，工作船(或被测目标)一般位于基线阵之内，通过测量应答器与基点之间的相对位置来确定应答器的坐标。长基线定位系统的优点：定位精度与水深无关，在较大的范围上可以达到较高的相对定位精度，定位数据更新率高。缺点：表现在深水使用时，位置数据更新率低，以及布放、校准和回收等作业过程复杂。

短基线定位系统由3个以上换能器组成，换能器的阵型为三角形或四边形组成声学基阵。换能器之间的距离一般超过几个波长，换能器之间的相互关系精确测定，组成声基阵坐标系，基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测量方法确定。短基线系统的测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值，系统根据基阵相对船坐标系的固定关系，配以外部传感器观测值，如：位置、姿态、船艏向值，计算得到目标的大地坐标。短基线的优点：基于时间测量的高精度距离测量；固定的空间多余测量值；换能器体积小，安装简单。短基线的缺点：某些水听器可能不可避免地被安装在高噪声区，从而使跟踪定位性能恶化，同时还要求接收水听器具有良好的几何图形，这对船只或安装平台提出了较高要求。

超短基线定位系统定位基阵与短基线使用类似，只是它的基线长度更短些，阵元是集中做在一个基阵上，同样是通过测时、测相技术来确定应答器的空间位置。系统也需配有参考定位系统。超短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易；只需一个换能器，安装方便；具有较高的测距精度。超短基线的缺点：系统安装后的校准需要非常准确，而这往往难以达到；测量目标的绝对位置精度依赖于外围设备--电罗经、姿态传感器和深度传感器的精度。

海洋环境监测系统中水下传感器节点定位，可以通过在水面浮标的水下部分安装定位阵元来构成水下定位系统获得相对于浮标的相对位置，并结合水面浮标的GPS定位结果结算出水下传感器节点在全球坐标系下的位置。针对海面浮标少于4个或仅1个的情况，可以采用超短基线的定位方式。如海洋环境监测系统覆盖面积大，由多个浮标(多于4个)组成，那么可以采用长基线定位方式来完成，也可以超短基线和长基线结合的方式。并可以采用水声定位和水声通信相结合的方式，在设计水声通信同步信号时，考虑水声定位的需求，在进行水声通信时一并结算出水声定位需要的参数。这样既有利于减少系统的复杂性又利于降低系统功耗。

水下传感器工作需要定期清洗，以保证各传感器的准确度。同时传感器节点工作一段时间电池耗尽，需要充电或更换电池。本实施例中的水下传感器是可回收的传感器节点。传感器节点将自身的各项状态参数(特别是电池电压值)实时传给浮标，再通过卫星通信系统将数据传给陆上监视系统。当参数出现问题时，监视系统自动发出报警指示。工作人员可以根据故障类型和回收时机选择调整传感器节点的工作模式。在确保传感器节点可回收的基础上有条件的继续工作。

为了便于回收设计传感器节点为正浮力，通过下挂锚体将其沉于海底，并与海底有一定距离，如图6所示。设计传感器节点和锚体可以根据指令分离。回收过程中水下传感器节点定位可以通过在水面浮标的水下部分安装定位阵元来构成水下定位系统获得相对于浮标的相对位置，并结合水面浮标的GPS定位结果结算出水下传感器节点在全球坐标系下的位置。并根据此刻海底海流和海面洋流判断传感器节点可能的出水位置。在回收船在预估出水位置等待。由陆上控制系统发出回收指令，并通过浮标将这一指令传给水下传感器节点，传感器节点接收指令后关闭各测量传感器，释放锚体，通过自身浮力付出水面。整个回收过程中需要海洋养殖环境监测系统各环节协同工作，来保证指令传输的通畅，定位的正确。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (6)

1.一种海洋渔业养殖水域实时立体观测系统，其特征在于，该系统包括，多个海底传感器节点、多个海面浮标节点和陆上监视系统，

海底传感器节点包括水下水文、水下水质传感器，用于采集海底水文和水质数据；

海面浮标节点包括海面水文、海面水质、海面气象传感器，用于采集海面水文、水质和气象数据，海面浮标节点通过水声通信与海底传感器节点交换数据，同时根据水声定位对各海底传感器节点的位置进行测量；

陆上监视系统通过卫星通信接收所述海面浮标节点发送的数据，获得关于海底和海面的水文、水质和/或气象数据，获得海底传感器节点的位置数据。

2.根据权利要求1所述的观测系统，其特征在于，所述陆上监视系统包括主控机，主控机的指令通过卫星通信模块发送给海面浮标节点，海面浮标节点对接收到的指令数据包进行解析，如果发现所述指令的目的地址是海底传感器节点，则通过水声通信模块发送至所述海底传感器节点，

海底传感器节点将采集的数据打包通过水声通信模块发送给海面浮标节点，所述海面浮标节点将自身采集的数据以及从海底传感器节点接收到的数据打包通过卫星通信模块发送至陆上监视系统的主控机。

3.根据权利要求1所述的观测系统，其特征在于，海底传感器节点挂接锚体，锚体坐于海底，所述海底传感器节点与锚体根据指令控制可以分离。

4.根据权利要求1所述的观测系统，其特征在于，所述海底传感器节点定位方法包括：在海面浮标节点的水下部分安装定位阵元来构成水下定位系统获得海面浮标节点与海底传感器节点的相对位置，结合海面浮标节点的卫星定位，计算获得海底传感器节点全球坐标系位置。

5.根据权利要求4所述的观测系统，其特征在于，所述海底传感器节点的回收方法是，

根据计算获得海底传感器节点全球坐标系位置，结合海底海流和海面洋流判断所述海底传感器节点可能的出水位置，

将回收船开到预估的海底传感器节点出水位置等待，

由陆上监视系统主控机发出回收指令，海底传感器节点接收指令后关闭测量传感器，释放锚体，通过自身浮力浮出水面，由回收船回收。

6.根据权利要求4所述的观测系统，其特征在于，

若海面浮标节点少于4个，则采用超短基线的定位计算获得海底传感器节点全球坐标系位置，

若海面浮标节点多于4个，则采用长基线定位计算获得海底传感器节点全球坐标系位置，或者采用超短基线和长基线结合的计算获得海底传感器节点全球坐标系位置，

或者采用水声定位和水声通信相结合的定位计算获得海底传感器节点全球坐标系位置。

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