CN115047468A - 一种大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，针对深远海网箱内养殖的鱼群为卵形鲳鲹的情况，通过采用由按特定安装方式布置的八个换能器组成的换能器阵列、将换能器的工作频率设置为200kHz并使它们的探测波束在探测区域上互不重叠、以及按顺时针或逆时针顺序逐一驱动八个换能器工作并使每一个换能器的工作时间均为C/V/8，这些要素的配合，确保了云平台计算得到的回波信号能量有效值能够与单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值保持线性关系，有效的提高了深远海网箱内游动的卵形鲳鲹鱼群的鱼群量估计精度。

Description

一种大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统
技术领域
本发明涉及深远海养殖设备，具体的说是一种大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统。
背景技术
鱼类是人类重要的蛋白质来源，随着全球各国政府为了海洋捕捞资源的可持续发展，对海洋捕捞业进了不同程度的保护和控制，尤其我国政府为保护近海资源和环境，不但对近海捕捞进行了政策限制，对近海养殖也开始逐渐进行清退，未来深远海养殖渔业随着养殖装备的升级以及养殖育种技术完善将会有着越来越广阔的前景。
我国南海深远海网箱养殖主养品种为卵形鲳鲹、军曹鱼、石斑鱼等，其中卵形鲳鲹养殖量占总量的80％以上，2021年卵形鲳鲹产量近20万吨，卵形鲳鲹行业市场规模超过40亿元。
卵形鲳鲹的深远海养殖过程中对养殖鱼类、网衣、养殖环境等进行全面地监测，深水网箱养殖机械化、自动化、精准化的最终目标。水质参数的自动监测是保障水产品养殖安全的主要技术手段之一，是自动调控的参考依据，深远海养殖将是多方面远程监测与自适应调控相结合、高度自动化的养殖产业。
为解决现阶段卵形鲳鲹的深远海网箱养殖装备落后，养殖过程粗放，整体养殖效率不高等情况，利用物联网、大数据等数字技术开展鱼群行为监测装备以及深远海网箱智能养殖管理系统的设计研发，目的是通过对网箱内养殖鱼群的行为，海水水文信息以及气象信息的实时监测，数据分析，来实现对养殖鱼类的按时、精准投喂，提升深远海网箱养殖的自动化、智能化水平，有助于提高养殖规模，增加养殖效益。
现有技术中，存在采用回波能量积分法来估计渔场内鱼群量大小的方案，其基础是鱼群声学反向散射强度与鱼群量的大小成线性关系；然而，由于卵形鲳鲹的鱼群密度大小、活动状态、海面海底混响、海水声吸收、鱼体对声波的消光效应、声波在不同鱼体上的多次散射作用、不同鱼体回波的相互干扰作用等因素，造成直接用换能器对深远海网箱内的卵形鲳鲹进行回波信号采集再经由回波能量积分法处理得到的声学反向散射强度，并不能与深远海网箱内的卵形鲳鲹鱼群量保持线性关系，导致估计得出的卵形鲳鲹鱼群量误差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，以解决现有技术中直接用换能器对深远海网箱内游动的卵形鲳鲹进行回波信号采集再经由回波能量积分法处理得到的声学反向散射强度，并不能与深远海网箱内的卵形鲳鲹鱼群量保持线性关系，导致估计得出的卵形鲳鲹鱼群量误差较大的问题。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，用于养殖卵形鲳鲹的深远海网箱；其特征在于，包括：声波探测装置、住舱主机和云平台；
所述声波探测装置包括换能器阵列和数采盒；所述换能器阵列位于所述深远海网箱内，并由位于同一水平面且以相同的安装姿态环绕所述深远海网箱的中轴线均匀间隔布置的八个换能器组成；并且，所述换能器所选用的型号使得：在工作频率为200kHz时，所述八个换能器发出的探测波束在探测区域上互不重叠；
所述住舱主机设置在深远海网箱所在的渔场，所述住舱主机能够以无线通讯方式向所述数采盒发送鱼群量探测指令，控制所述数采盒以工作频率为200kHz的脉冲调制信号按顺时针或逆时针顺序逐一驱动所述八个换能器工作，并控制数采盒在每一个换能器工作期间将该换能器所输出回波信号中频率为200kHz的部分转换为回波数字信号发送给所述云平台；其中，经过研发人员对现场养殖渔场内卵形鲳鲹鱼群活动情况的连续观测，发现渔场养殖的卵形鲳鲹鱼群在大部分情况下是环绕着网衣外侧游动的，由此，将每一个所述换能器的工作时间均设置为C/V/8，C表示所述深远海网箱的网衣周长，V是取值为2m/s的卵形鲳鲹平均游速；
在所述脉冲调制信号的工作频率为200kHz时，所述云平台通过以下方式估算出所述深远海网箱内的卵形鲳鲹鱼群量：在接收到每一个所述换能器对应的回波数字信号时，将该回波数字信号的每一周期信号均通过回波能量积分法处理为一个回波信号能量值，并将该回波数字信号的全部周期处理得到的回波信号能量值的平均值记录为回波信号能量平均值，并且，将所述八个换能器所对应回波数字信号的回波信号能量平均值之和记录为回波信号能量有效值，该回波信号能量有效值除以预设的单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值即为所述卵形鲳鲹鱼群量；其中，所述单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值为所述深远海网箱内仅有一条卵形鲳鲹时测得的回波信号能量有效值。
从而，本发明针对深远海网箱内养殖的鱼群为卵形鲳鲹的情况，通过采用由按特定安装方式布置的八个换能器组成的换能器阵列、将换能器的工作频率设置为200kHz并使它们的探测波束在探测区域上互不重叠、以及按顺时针或逆时针顺序逐一驱动八个换能器工作并使每一个换能器的工作时间均为C/V/8，这些要素的配合，实现以水平多波束分区扫描探测方式对深远海网箱内的卵形鲳鲹实施鱼群抽样探测，使得每一个换能器发出的探测波束只需负责八分之一的网箱空间，八个换能器恰好能完成一次深远海网箱的全扫描且不会对鱼群重复探测，由此确保了云平台计算得到的回波信号能量有效值能够与单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值保持线性关系，有效的提高了深远海网箱内游动的卵形鲳鲹鱼群的鱼群量估计精度；避免了现有技术中直接用换能器对深远海网箱内的卵形鲳鲹进行回波信号采集再经由回波能量积分法处理得到的声学反向散射强度，并不能与深远海网箱内的卵形鲳鲹鱼群量保持线性关系，导致估计得出的卵形鲳鲹鱼群量误差较大的问题。
优选的：所述八个换能器的波束角均为24°，所述八个换能器的波束角探测方向均指向所述深远海网箱的网衣网底边缘，以提高八个换能器对深远海网箱的检测空间覆盖率、增加鱼群的抽样比例，同时又能尽量减少海面、网衣的回波干扰，有利于提高对鱼群量的估计精度。
优选的：所述声波探测装置还包括浮体和连接杆，所述浮体浮在海面上，所述连接杆的上端与浮体固定连接，所述八个换能器安装在所述连接杆的下端并位于海面以下的1m至2m处。
优选的：所述数采盒包括设置在防水盒体内的数据采集电路，所述数据采集电路为：MCU控制器通过无线通讯模块与所述住舱主机进行数据传输；所述MCU控制器能够依据接收到的指令控制脉冲调制信号生成电路生成工作频率为200kHz或50kHz的脉冲调制信号，该脉冲调制信号经脉冲功率放大器放大后通过探测信号端输出；且从回波信号端输出的回波信号能够先经前置放大电路进行模拟信号放大、再经选频放大电路进行200kHz和50kHz频率的选频放大、然后经检波电路进行200kHz和50kHz频率的检波、最后由所述MCU控制器转换为相应频率的回波数字信号后通过所述无线通讯模块发送给住舱主机；并且，所述探测信号端和回波信号端与所述八个换能器之间通过八通道模拟切换开关连接，所述MCU控制器能够控制所述八通道模拟切换开关将任意一个所述换能器与所述探测信号端和回波信号端接通。
作为本发明的优选实施方式：所述换能器所选用的型号使得：在工作频率为50kHz时，所述八个换能器中任意相邻两个的探测波束在探测区域上存在部分重叠；
在所述数采盒接收到鱼群分布监测指令时，所述数采盒以工作频率为50kHz的脉冲调制信号驱动所述八个换能器工作，并将换能器所输出回波信号中频率为50kHz的部分转换为回波数字信号发送给所述云平台；
在所述脉冲调制信号的工作频率为50kHz时，所述云平台依据接收到的回波数字信号在雷达图上显示所述深远海网箱内的卵形鲳鲹鱼群分布情况：所述雷达图的极坐标系对应所述八个换能器均分为八个阵元扇区，每一个阵元扇区均分为N个回波扇区，N≥2；并且，依据所述回波信号的接收时间，在回波扇区的相应位置上显示表征鱼群存在的回波点；依据所述回波数字信号的信号强度，以不同颜色表示相应回波点处的鱼群数量等级。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明针对深远海网箱内养殖的鱼群为卵形鲳鲹的情况，通过采用由按特定安装方式布置的八个换能器组成的换能器阵列、将换能器的工作频率设置为200kHz并使它们的探测波束在探测区域上互不重叠、以及按顺时针或逆时针顺序逐一驱动八个换能器工作并使每一个换能器的工作时间均为C/V/8，这些要素的配合，确保了云平台计算得到的回波信号能量有效值能够与单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值保持线性关系，有效的提高了深远海网箱内游动的卵形鲳鲹鱼群的鱼群量估计精度；避免了现有技术中直接用换能器对深远海网箱内的卵形鲳鲹进行回波信号采集再经由回波能量积分法处理得到的声学反向散射强度，并不能与深远海网箱内的卵形鲳鲹鱼群量保持线性关系，导致估计得出的卵形鲳鲹鱼群量误差较大的问题。
第二，本发明采用工作频率为50kHz的脉冲调制信号驱动八个换能器工作，能够全面的对深远海网箱内的卵形鲳鲹鱼群分布情况进行监测。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明中声波探测装置在深远海网箱的布设示意图；
图2为本发明中声波探测装置的结构示意图；
图3为本发明中声波探测装置的电路原理框图；
图4为本发明中雷达图的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明进行详细说明，以帮助本领域的技术人员更好的理解本发明的发明构思，但本发明权利要求的保护范围不限于下述实施例，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明之发明构思的前提下，没有做出创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
如图1至图3所示，本发明公开的是一种大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，用于养殖卵形鲳鲹的深远海网箱1；其特征在于，包括：声波探测装置2、住舱主机和云平台；
所述声波探测装置2包括换能器阵列2-1和数采盒2-2；所述换能器阵列2-1位于所述深远海网箱1内，并由位于同一水平面且以相同的安装姿态环绕所述深远海网箱1的中轴线1a均匀间隔布置的八个换能器组成；并且，所述换能器所选用的型号使得：在工作频率为200kHz时，所述八个换能器发出的探测波束在探测区域上互不重叠；
所述住舱主机设置在深远海网箱1所在的渔场，所述住舱主机能够以无线通讯方式向所述数采盒2-2发送鱼群量探测指令，控制所述数采盒2-2以工作频率为200kHz的脉冲调制信号按顺时针或逆时针顺序逐一驱动所述八个换能器工作，并控制数采盒2-2在每一个换能器工作期间将该换能器所输出回波信号中频率为200kHz的部分转换为回波数字信号发送给所述云平台；其中，经过研发人员对现场养殖渔场内卵形鲳鲹鱼群活动情况的连续观测，发现渔场养殖的卵形鲳鲹鱼群在大部分情况下是环绕着网衣外侧游动的，由此，将每一个所述换能器的工作时间均设置为C/V/8，C表示所述深远海网箱1的网衣周长，V是取值为2m/s的卵形鲳鲹平均游速；
在所述脉冲调制信号的工作频率为200kHz时，所述云平台通过以下方式估算出所述深远海网箱1内的卵形鲳鲹鱼群量：在接收到每一个所述换能器对应的回波数字信号时，将该回波数字信号的每一周期信号均通过回波能量积分法处理为一个回波信号能量值，并将该回波数字信号的全部周期处理得到的回波信号能量值的平均值记录为回波信号能量平均值，并且，将所述八个换能器所对应回波数字信号的回波信号能量平均值之和记录为回波信号能量有效值，该回波信号能量有效值除以预设的单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值即为所述卵形鲳鲹鱼群量；其中，所述单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值为所述深远海网箱1内仅有一条卵形鲳鲹时测得的回波信号能量有效值。
从而，本发明针对深远海网箱1内养殖的鱼群为卵形鲳鲹的情况，通过采用由按特定安装方式布置的八个换能器组成的换能器阵列2-1、将换能器的工作频率设置为200kHz并使它们的探测波束在探测区域上互不重叠、以及按顺时针或逆时针顺序逐一驱动八个换能器工作并使每一个换能器的工作时间均为C/V/8，这些要素的配合，实现以水平多波束分区扫描探测方式对深远海网箱1内的卵形鲳鲹实施鱼群抽样探测，使得每一个换能器发出的探测波束只需负责八分之一的网箱空间，八个换能器恰好能完成一次深远海网箱1的全扫描且不会对鱼群重复探测，由此确保了云平台计算得到的回波信号能量有效值能够与单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值保持线性关系，有效的提高了深远海网箱1内游动的卵形鲳鲹鱼群的鱼群量估计精度；避免了现有技术中直接用换能器对深远海网箱内的卵形鲳鲹进行回波信号采集再经由回波能量积分法处理得到的声学反向散射强度，并不能与深远海网箱内的卵形鲳鲹鱼群量保持线性关系，导致估计得出的卵形鲳鲹鱼群量误差较大的问题。
以上为本实施例一的基本实施方式，可以在该基本实施方式的基础上做进一步的优化、改进和限定：
优选的：所述八个换能器的波束角均为24°，所述八个换能器的波束角探测方向均指向所述深远海网箱1的网衣网底边缘1b，以提高八个换能器对深远海网箱1的检测空间覆盖率、增加鱼群的抽样比例，同时又能尽量减少海面、网衣的回波干扰，有利于提高对鱼群量的估计精度。
优选的：参见图2，所述声波探测装置2还包括浮体2-3和连接杆2-4，所述浮体2-3浮在海面上，所述连接杆2-4的上端与浮体2-3固定连接，所述八个换能器安装在所述连接杆2-4的下端并位于海面以下的1m至2m处。
优选的：参见图3，所述数采盒2-2包括设置在防水盒体内的数据采集电路，所述数据采集电路为：MCU控制器通过无线通讯模块与所述住舱主机进行数据传输；所述MCU控制器能够依据接收到的指令控制脉冲调制信号生成电路生成工作频率为200kHz或50kHz的脉冲调制信号，该脉冲调制信号经脉冲功率放大器放大后通过探测信号端输出；且从回波信号端输出的回波信号能够先经前置放大电路进行模拟信号放大、再经选频放大电路进行200kHz和50kHz频率的选频放大、然后经检波电路进行200kHz和50kHz频率的检波、最后由所述MCU控制器转换为相应频率的回波数字信号后通过所述无线通讯模块发送给住舱主机；并且，所述探测信号端和回波信号端与所述八个换能器之间通过八通道模拟切换开关连接，所述MCU控制器能够控制所述八通道模拟切换开关将任意一个所述换能器与所述探测信号端和回波信号端接通。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施例二还采用了以下优选的实施方式：
如图4所示，所述换能器所选用的型号使得：在工作频率为50kHz时，所述八个换能器中任意相邻两个的探测波束在探测区域上存在部分重叠；
在所述数采盒2-2接收到鱼群分布监测指令时，所述数采盒2-2以工作频率为50kHz的脉冲调制信号驱动所述八个换能器工作，并将换能器所输出回波信号中频率为50kHz的部分转换为回波数字信号发送给所述云平台；
在所述脉冲调制信号的工作频率为50kHz时，所述云平台依据接收到的回波数字信号在雷达图上显示所述深远海网箱1内的卵形鲳鲹鱼群分布情况：所述雷达图的极坐标系对应所述八个换能器均分为八个阵元扇区A，每一个阵元扇区A均分为N个回波扇区A1，N≥2；并且，依据所述回波信号的接收时间，在回波扇区A1的相应位置上显示表征鱼群存在的回波点；依据所述回波数字信号的信号强度，以不同颜色表示相应回波点处的鱼群数量等级。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，用于养殖卵形鲳鲹的深远海网箱(1)；其特征在于，包括：声波探测装置(2)、住舱主机和云平台；
所述声波探测装置(2)包括换能器阵列(2-1)和数采盒(2-2)；所述换能器阵列(2-1)位于所述深远海网箱(1)内，并由位于同一水平面且以相同的安装姿态环绕所述深远海网箱(1)的中轴线(1a)均匀间隔布置的八个换能器组成；并且，所述换能器所选用的型号使得：在工作频率为200kHz时，所述八个换能器发出的探测波束在探测区域上互不重叠；
所述住舱主机设置在深远海网箱(1)所在的渔场，所述住舱主机能够以无线通讯方式向所述数采盒(2-2)发送鱼群量探测指令，控制所述数采盒(2-2)以工作频率为200kHz的脉冲调制信号按顺时针或逆时针顺序逐一驱动所述八个换能器工作，并控制数采盒(2-2)在每一个换能器工作期间将该换能器所输出回波信号中频率为200kHz的部分转换为回波数字信号发送给所述云平台；其中，每一个所述换能器的工作时间均为C/V/8，C表示所述深远海网箱(1)的网衣周长，V是取值为2m/s的卵形鲳鲹平均游速；
在所述脉冲调制信号的工作频率为200kHz时，所述云平台通过以下方式估算出所述深远海网箱(1)内的卵形鲳鲹鱼群量：在接收到每一个所述换能器对应的回波数字信号时，将该回波数字信号的每一周期信号均通过回波能量积分法处理为一个回波信号能量值，并将该回波数字信号的全部周期处理得到的回波信号能量值的平均值记录为回波信号能量平均值，并且，将所述八个换能器所对应回波数字信号的回波信号能量平均值之和记录为回波信号能量有效值，该回波信号能量有效值除以预设的单条卵形鲳鲹回波信号能量有效值即为所述卵形鲳鲹鱼群量。
2.根据权利要求1所述大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，其特征在于：所述八个换能器的波束角均为24°，所述八个换能器的波束角探测方向均指向所述深远海网箱(1)的网衣网底边缘(1b)。
3.根据权利要求1所述大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，其特征在于：所述声波探测装置(2)还包括浮体(2-3)和连接杆(2-4)，所述浮体(2-3)浮在海面上，所述连接杆(2-4)的上端与浮体(2-3)固定连接，所述八个换能器安装在所述连接杆(2-4)的下端并位于海面以下的1m至2m处。
4.根据权利要求1所述大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，其特征在于：所述数采盒(2-2)包括设置在防水盒体内的数据采集电路，所述数据采集电路为：MCU控制器通过无线通讯模块与所述住舱主机进行数据传输；所述MCU控制器能够依据接收到的指令控制脉冲调制信号生成电路生成工作频率为200kHz或50kHz的脉冲调制信号，该脉冲调制信号经脉冲功率放大器放大后通过探测信号端输出；且从回波信号端输出的回波信号能够先经前置放大电路进行模拟信号放大、再经选频放大电路进行200kHz和50kHz频率的选频放大、然后经检波电路进行200kHz和50kHz频率的检波、最后由所述MCU控制器转换为相应频率的回波数字信号后通过所述无线通讯模块发送给住舱主机；并且，所述探测信号端和回波信号端与所述八个换能器之间通过八通道模拟切换开关连接，所述MCU控制器能够控制所述八通道模拟切换开关将任意一个所述换能器与所述探测信号端和回波信号端接通。
5.根据权利要求1至4任意一项所述大型深远海养殖渔场的鱼群量监测系统，其特征在于：所述换能器所选用的型号使得：在工作频率为50kHz时，所述八个换能器中任意相邻两个的探测波束在探测区域上存在部分重叠；
在所述数采盒(2-2)接收到鱼群分布监测指令时，所述数采盒(2-2)以工作频率为50kHz的脉冲调制信号驱动所述八个换能器工作，并将换能器所输出回波信号中频率为50kHz的部分转换为回波数字信号发送给所述云平台；
在所述脉冲调制信号的工作频率为50kHz时，所述云平台依据接收到的回波数字信号在雷达图上显示所述深远海网箱(1)内的卵形鲳鲹鱼群分布情况：所述雷达图的极坐标系对应所述八个换能器均分为八个阵元扇区(A)，每一个阵元扇区(A)均分为N个回波扇区(A1)，N≥2；并且，依据所述回波信号的接收时间，在回波扇区(A1)的相应位置上显示表征鱼群存在的回波点；依据所述回波数字信号的信号强度，以不同颜色表示相应回波点处的鱼群数量等级。
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