CN112180381B - 一种基于分布式水声发射器节点的大黄鱼诱集方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分布式水声发射器节点的大黄鱼诱集方法，涉及大黄鱼诱集方法。在声诱集大黄鱼的水域放置水声发射器节点，根据大黄鱼听阈频率范围生成扫频信号，分别通过放置好的水声发射器节点中的发射换能器按顺序发射；将水听器接收到的摄食声信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理后得数字信号,分别计算得大黄鱼摄食声的频带声压级，根据频带声压级分别计算对应的扫频信号的幅度调节系数；对水声发射器节点的模式进行设定；对于调整节点的发射信号在布置方位上顺时针依次交换，维持节点的发射信号不变；调整的扫频信号经Hanning窗处理后通过水声发射器节点中的水声换能器发射；当发射时长T达到预置的发射时长，停止声波发射。
Description
技术领域
本发明涉及大黄鱼诱集方法，特别是涉及一种基于分布式水声发射器节点的大黄鱼诱集方法。
背景技术
海洋牧场作为一种新兴的基于海洋生态系统管理的渔业模式近年来获得较大的关注和研究，海洋牧场能可持续运行的关键手段是吸引鱼类到达牧场，控制鱼群在良好的牧场环境中生活。利用海洋牧场中鱼类的声信息进行本项目中鱼类的集中和控制，通过合适的人工饵料、充分利用海洋牧场中的自然食物链和鱼群之间的相互作用，特别是大黄鱼对声音敏感性的特点，进行集鱼控鱼，可提高饵料利用效率，保护牧场生态环境，并增加鱼群在指定区域的聚集度([1]杜元伟,姜靓,王一凡.海洋牧场生态管理研究的现状与展望[J].中国海洋大学学报(社会科学版),2020(3):32-41.)。目前的鱼类声诱集技术的发射声波主要是人工合成音和类生物噪声，人工合成音的波形和频率较单一，而类生物噪声功能单一，无法根据不同背景噪声环境进行变化、诱集效果不稳定。
大黄鱼是我国近海主要的经济鱼类之一，在沿海养殖鱼类中具有较高的经济和文化价值。大黄鱼的听觉主要来自内耳和鱼鳔两个部分。由于大黄鱼鱼体的密度与水相近，而内耳中的耳石的密度约为水的3倍，因此声波极易进入鱼体，传入至内耳到达耳石，引起耳石振动，产生听觉；而鱼鳔内充满气体，会随声波发生振动，振动到达内耳从而增强听觉。大黄鱼通过内耳的耳石感受质点位移，通过鱼鳔接收声压波，因而能判别声的方向和声强。20世纪五六十年代在中国盛行的敲罟作业捕获大黄鱼，正是利用大黄鱼对声波特别敏感这一特点，导致野生大黄鱼过度捕捞、几乎灭绝的窘境。
大黄鱼的发声系统使其能发出强烈的声响，发声频率范围130Hz～4kHz，谱峰在630～800Hz，不同行为下大黄鱼发声信号的频谱特性基本一致，约在800Hz频率处有一个明显的谱峰；但不同行为下发声的时域信号差距较大，即觅食时大黄鱼的发声信号都是简单的单脉冲，脉冲间隔大多集中在1～30ms，脉冲间隔比较小；而产卵时大黄鱼的发声信号则大部分是连续的双脉冲或三脉冲，只有极个别的单脉冲，脉冲间隔则集中在100～130ms，脉冲间隔要大得多。以上研究表明，大黄鱼的发声特性可以反馈其行为状态，而听觉特性与其发声频率关系密切，因此，大黄鱼的听阈研究对指导大黄鱼的声诱集技术有很大帮助。早在1981年Bullock提出可采用听性脑干反应(Auditory brainstem response,以下简称ABR)的方法测量并记录鱼类的听觉诱发电位，ABR方法是一种对鱼体无伤害的非侵入式听阈测量方法，测量迅速且高效。经ABR实验测量和研究得到大黄鱼的听觉特性，大黄鱼的听阈曲线呈典型的“V”字型，幼鱼、小鱼和成鱼的听觉灵敏度和听阈曲线有所不同(幼鱼、小鱼和成鱼的发声也有差异，发声的最高声压谱级分别为110dB/re 1μPa、125dB/re 1μPa、140dB/re1μPa)([2]殷雷明.大黄鱼声诱集行为反应与机理研究[D].上海:上海海洋大学海洋科学学院,2017.)
基于大黄鱼听阈的频率范围以及幼鱼、小鱼和成鱼的听觉灵敏度不同的研究。将各组扫频信号LFM1，LFM2，LFM3，LFM4的起止频率根据大黄鱼听阈的频率范围进行设定，其发射功率可根据水声发射器节点布置的距离进行调整。线性调频信号相较于传统人工合成声波形更易于变化且包含更多的频率成分，设线性调频信号LFMn(n＝1,2,3,4)的时域波形为sn(t)，其瞬时频率可表达为其中，设发射线性调频信号的幅值为An，起始频率为fn1，结束频率为fn2，fn0是中心频率，μ是调制指数。定义为发射波形的脉冲宽度T内的最大频移(即带宽Bn＝fn2-fn1)，也即/>则有
由于发射线性调频扫频信号LFMn的时长不能满足所有频率的整周期要求，不可避免的在频域引起泄漏，因此在信号发射前应先经过窗函数的处理。加窗能够使发出的时域信号更好地满足周期性要求，减少频域的泄漏。([3]K.Vivek,B.Shailesh,et al.Designof effective window function for FIR filters[C].2014International Conferenceon Advances in Engineering&Technology Research.2014,August 01-02:1-5.)Hanning窗是一种升余弦窗，其具有较宽的主瓣宽度，旁瓣衰减也比较明显，比较适用于扫频信号的处理。当时间窗的处理时长为0≤t≤T时，汉宁窗可表示为：
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分布式水声发射器节点的大黄鱼诱集方法。根据大黄鱼的听阈频率范围设计并生成4组扫频信号用于诱集大黄鱼，同时基于分布式水声发射器节点技术扩大声诱集的范围，达到诱集大黄鱼并进行定点喂食的目的。同时该方法中的分布式水声节点通过不断反馈调节发射功率并对发射节点模式的调整，能够更加有效的诱集大黄鱼并节省功耗。
本发明包括以下步骤：
1)在声诱集大黄鱼的水域内呈正方形放置4个水声发射器节点，每个水声发射器节点主要由水中的声发射换能器、水底的接收水听器和水上的无线电通信器所组成，定点投饵时的信号设计根据大黄鱼听阈的频率范围生成4组扫频信号；
2)开始实施大黄鱼诱集时，将生成的若干组扫频信号分别通过步骤1)放置好的4个水声发射器节点中的发射换能器发射出去，用于诱集大黄鱼到达投饵点附近，以达到定点投饵的目的；
3)水声发射器节点中的接收水听器置于柱形发射换能器下方，用于在声诱集信号发射间隙接收经水声信道传输的拟诱集大黄鱼的摄食声；
4)在每一个水声发射器节点中，将步骤3)接收到的摄食声信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理后得到数字信号,分别计算得到大黄鱼摄食声的频带声压级；
5)根据步骤4)得到的频带声压级分别计算对应的各组扫频信号的幅度调节系数，幅度调节系数与对应的频带声压级成反比；
6)若水声发射器节点满足幅度调节系数为1且频带声压级小于其历史最大值80％的条件，将该节点设定为调整节点，否则设定为维持节点；
7)将步骤6)中设定的调整节点的发射信号进行调整：对于所有调整节点的发射信号进行顺时针依次交换，所有维持节点的发射信号则保持不变；
8)将经步骤7)中调整的各组扫频信号经Hanning窗处理后分别通过各个水声发射器节点中的水声换能器发射出去；
9)重复步骤4)～8)的调整和连续发射诱集声波的过程，分布式水声发射器节点所发出诱集声波的幅度和频率也不断变化；
10)随着诱集声波不断更新和连续发射，当发射时长达到预置的发射时长要求时，停止声波发射，本轮大黄鱼声诱集活动结束。
在步骤1)中，所述大黄鱼听阈频率范围可通过听性脑干反应(ABR)技术测量得到；所述声发射换能器可采用水平全方向性的柱形水声换能器。
本发明根据大黄鱼的听阈频率范围设计并生成4组扫频信号用于诱集大黄鱼，同时基于分布式水声发射器节点技术扩大声诱集的范围，达到诱集大黄鱼并进行定点喂食的目的。同时该方法中的分布式水声节点通过不断反馈调节发射功率并对发射节点模式的调整，能够更加有效的诱集大黄鱼并节省功耗。
与现有鱼类声诱集的方法相比，本发明有如下优点：
(1)4组扫频信号LFM1，LFM2，LFM3，LFM4信号根据大黄鱼的听阈频率范围和灵敏度进行设计，使得4组水声发射器节点发射的声信号能覆盖大黄鱼的听阈范围并增强大黄鱼声诱集的效果；实施中发射换能器采用柱形换能器，有利于在水平全方向进行声波辐射，构建均匀声场。
(2)本发明在4个水声发射器节点发射声波过程中加入反馈调整机制，根据水听器接收的大黄鱼摄食声来反馈调整水声发射器节点的发射信号声强强度，能够让诱集声波更均匀的覆盖诱集区域，且发射波形的调整有利于分别增强对于幼鱼、小鱼和成鱼的诱集效果。
(3)本发明中的水声发射器节点的布置、发射方案的调整和扫频信号的频率设置都比较方便灵活，易于推广至听觉敏感型的养殖鱼类，应用前景较为广泛。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图。声诱集大黄鱼的水域内呈正方形放置4个水声发射器节点，根据大黄鱼的听阈的频率范围设计的4组扫频信号LFM1，LFM2，LFM3，LFM4，通过柱形换能器发射出去诱集大黄鱼来进行定点投饵，在每段声波发射的间隙时间里，球形水听器接收大黄鱼摄食声后经处理计算幅度调节系数kN，并根据计算得到的幅度调节系数kN和大黄鱼摄食声的频带声压级LpfN反馈调整水声发射器节点的发射信号模式。
图2为根据大黄鱼听阈曲线设计的4组扫频信号LFM1，LFM2，LFM3，LFM4的示例。大黄鱼听阈频率范围内存在灵敏度较高的频段：在100Hz至500Hz的LFM1频段大黄鱼的听觉阈值逐渐降低，听觉灵敏度不断增加；在500Hz至1000Hz则是听觉最灵敏的LFM2频段；在LFM3和LFM4频段内，即1kHz至2kHz频段，大黄鱼的听觉敏感度大幅下降。
图3为原LFM2信号(500Hz至1000Hz)和经加窗处理后信号的频谱分析对比图。其中信号长度设定为1s，频谱分析采用快速傅里叶变换,加窗采用Hanning窗，由图中可见经加窗处理后的信号相较于原LFM2信号的带外能量得到很大的衰减(带外幅值衰减了100dB以上)，抑制了频谱泄漏，使得诱集信号的功率更为集中。
图4为4个水声发射器节点进行调整的示例图。在该示例中，B节点设定为维持节点，而A、C、D三个节点设定为调整节点，调整节点的发射信号进行顺时针依次交换，使得LFM1信号转至D节点，LFM3信号转至C节点，LFM4信号转至A节点，水上的无线电通信器在节点中实现用于与岸边的主控站进行信息交换。对于单个水声发射器节点主要由水中的声发射换能器，水底的接收水听器和水上的无线电通信器所组成。发射换能器采用柱形换能器以减小声波的扩展衰减，位于下方的球形水听器接收大黄鱼摄食声波，随着测量得到的摄食声频带声压级Lpf的改变和声发射时间T的推移，不断调整幅度调节系数kN，其中，Amax为设定发射波形的最大幅频响应值。
具体实施方式
以下实施例结合附图对发明作进一步详细的说明。
本发明实施例包括以下步骤：
1)在声诱集大黄鱼的水域内呈正方形放置4个水声发射器节点(分别为A、B、C、D)，每个水声发射器节点主要由水中的声发射换能器，水底的接收水听器和水上的无线电通信器所组成，定点投饵时的信号设计根据大黄鱼听阈的频率范围生成4组扫频信号LFM1，LFM2，LFM3，LFM4；所述大黄鱼听阈频率范围是通过听性脑干反应(ABR)技术测量得到。所述发射换能器为水平全方向性的柱形水声换能器。
2)开始实施大黄鱼诱集时，将生成的4组扫频信号LFM1，LFM2，LFM3，LFM4分别通过步骤1)放置好的4个水声发射器节点中的发射换能器发射出去，用于诱集大黄鱼到达投饵点附近，以达到定点投饵的目的；
3)4个水声发射器节点中的接收水听器置于柱形发射换能器下方，用于在声诱集信号发射间隙接收经水声信道传输的拟诱集大黄鱼的摄食声；
4)在每一个水声发射器节点中，将步骤3)接收到的摄食声信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理后得到数字信号,分别计算得到大黄鱼摄食声的频带声压级LpfN(N＝1,2,3,4)；
5)根据步骤4)得到的频带声压级LpfN分别计算对应的4组扫频信号的幅度调节系数kN(N＝1,2,3,4且kN≤1)，幅度调节系数kN与对应的频带声压级LpfN成反比；
6)根据以下条件对4个水声发射器节点的进行设定：当水声发射器节点满足kN＝1且(其中/>是LpfN中历史最大值)的条件时，将其设定为调整节点，否则设定为维持节点；
7)将步骤6)中设定的调整节点的发射信号进行调整：对于所有调整节点的发射信号进行顺时针依次交换，所有维持节点的发射信号则保持不变；
8)将经步骤7)中调整的4组扫频信号经Hanning窗处理后分别通过4个水声发射器节点中的水声换能器发射出去；
9)重复步骤4)到步骤8)的调整和连续发射诱集声波的过程，分布式水声发射器节点所发出诱集声波的幅度和频率也不断变化；
10)随着诱集声波不断更新和连续发射，当发射时长T达到预置的发射时长要求时，停止声波发射，本轮大黄鱼声诱集活动结束；
图1为本发明实施例的原理示意图。在声诱集大黄鱼的水域内呈正方形放置4个水声发射器节点(分别为A、B、C、D)，设计发射换能器端根据大黄鱼的听阈范围生成4组扫频信号LFM1，LFM2，LFM3，LFM4，信号的设计时长和信号发射间隙时长可根据环境和诱集数量等实际情况灵活选取。如图2所示，根据大黄鱼的听阈范围，将其听力敏感区域划分为4个部分，划分为4个部分有利于4个水声发射器节点的配合和调整，也更适用于诱集区域中有幼鱼、小鱼和成鱼的情况。表1为4组扫频信号LFM1，LFM2，LFM3，LFM4的起始频率和终止频率。
表1
| 扫频信号 | 起始频率(Hz) | 终止频率(Hz) |
| LFM1 | 100 | 500 |
| LFM2 | 500 | 1000 |
| LFM3 | 1000 | 1500 |
| LFM4 | 1500 | 2000 |
4组扫频信号经加窗处理后的频域图如图3所示，这里LFM2上扫频起止频率分别为100Hz和500Hz，信号长度设为1s，信号的发射间隙时长设为100ms，图中可见经加窗处理能抑制原LFM2信号的频谱泄漏，带外能量得到很大的衰减(带外幅值衰减了100dB以上)，有利于诱集信号功率集中。
如图4所示，在单个水声发射器节点中，球形接收水听器置于柱形发射换能器下方，用于接收经水声信道传输的诱集大黄鱼摄食声，接收到的摄食声信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理后得到数字信号,计算大黄鱼摄食声的频带声压级LpfN，即有：
式中，PfN为特定带宽内声波的频带声压值，单位为帕，P0为基准声压，水介质中通常取1μPa。随着测量得到的摄食声频带声压级LpfN的改变和声波发射时间T的推移，不断计算调整幅度调节系数kN，公式如下：
通过图4示例的4个水声发射器节点调整过程，A、C、D三个节点设定为调整节点，调整节点的发射信号进行顺时针依次交换，使得LFM1信号转至D节点，LFM3信号转至C节点，LFM4信号转至A节点，节点的调整过程由主控进行统一控制。调整节点后发射相应的信号，应同时配合投饵料，进行声诱集驯化。节点的发射换能器置于水深0.2m左右。
本发明规避了单一发射器声诱集时覆盖区域不大的缺点，相较于鱼类声诱集技术中常用的人工合成音和类生物噪声，提出根据大黄鱼的听阈范围设计并划分4组扫频信号，能够有效增大诱集面积并增强诱集效果。同时在声波发射过程中加入调整机制，根据摄食声的频带声压级计算幅度调节系数，并依据幅度调节系数反映的诱集效果对4个水声发射器节点的发射信号进行调整，有利于增强诱集效果同时节省发射功耗。本发明中的水声发射器节点的布置、发射方案的调整和扫频信号的频率设置都比较方便灵活，易于推广至听觉敏感型的养殖鱼类，应用前景较为广泛。
Claims (3)
1.一种基于分布式水声发射器节点的大黄鱼诱集方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在声诱集大黄鱼的水域内呈正方形放置4个水声发射器节点，每个水声发射器节点主要由水中的声发射换能器、水底的接收水听器和水上的无线电通信器所组成，定点投饵时的信号设计根据大黄鱼听阈的频率范围生成4组扫频信号；
2)开始实施大黄鱼诱集时，将生成的若干组扫频信号分别通过步骤1)放置好的4个水声发射器节点中的发射换能器发射出去，用于诱集大黄鱼到达投饵点附近，以达到定点投饵的目的；
3)水声发射器节点中的接收水听器置于柱形发射换能器下方，用于在声诱集信号发射间隙接收经水声信道传输的拟诱集大黄鱼的摄食声；
4)在每一个水声发射器节点中，将步骤3)接收到的摄食声信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理后得到数字信号,分别计算得到大黄鱼摄食声的频带声压级；
5)根据步骤4)得到的频带声压级分别计算对应的各组扫频信号的幅度调节系数，幅度调节系数与对应的频带声压级成反比；
6)若水声发射器节点满足幅度调节系数为1且频带声压级小于其历史最大值80％的条件，将该节点设定为调整节点，否则设定为维持节点；
7)将步骤6)中设定的调整节点的发射信号进行调整：对于所有调整节点的发射信号进行顺时针依次交换，所有维持节点的发射信号则保持不变；
8)将经步骤7)中调整的各组扫频信号经Hanning窗处理后分别通过各个水声发射器节点中的水声换能器发射出去；
9)重复步骤4)～8)的调整和连续发射诱集声波的过程，分布式水声发射器节点所发出诱集声波的幅度和频率也不断变化；
10)随着诱集声波不断更新和连续发射，当发射时长达到预置的发射时长要求时，停止声波发射，本轮大黄鱼声诱集活动结束。
2.如权利要求1所述一种基于分布式水声发射器节点的大黄鱼诱集方法，其特征在于在步骤1)中，所述大黄鱼听阈频率范围是通过听性脑干反应技术测试得到。
3.如权利要求1所述一种基于分布式水声发射器节点的大黄鱼诱集方法，其特征在于在步骤1)中，所述发射换能器为水平全方向性的柱形水声换能器。
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| 300Hz脉冲音对许氏平幼鱼的驯化效果;张国胜;张阳;王利民;邢彬彬;徐鹏翔;;大连海洋大学学报(05);全文 * |
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