CN203587800U - 鱼类养殖投饲控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种鱼类养殖投饲控制系统。该系统包括：分裂波束换能器，完成声波和电信号的转换，实现声波的发射及接收；投饲单元，接收投饲控制指令，对养殖鱼类进行投饲；信号采集处理及控制单元，接收换能器采集的回波信号，分析处理后，得到鱼群密度的表征值，根据表征值随时间的变化生成投饲控制指令传送至投饲单元进行投饲控制。本实用新型的系统可以对投饲水域内的鱼群的摄食行为进行实时监测分析，实现按需投饲，减小饲料的浪费。

Description

鱼类养殖投饲控制系统

技术领域

本实用新型涉及信息化鱼类养殖的技术，特别涉及鱼类养殖投饲控制系统。

背景技术

随着大水面网箱集约化养殖规模的不断扩大，养殖过程越来越依赖于人工投饲饲料，养殖中的饲料成本占整个养殖成本比重大。以罗非鱼养殖为例，饲料成本可达到70%-80%及以上。在养殖过程中，饲料投饲技术的高低直接影响饲料的转化率及养殖效果。因此，提高鱼类投饲过程中的精细化水平对于提高产量、降低养殖成本和饵料系数有重要意义。

传统鱼类的投饲方法主要利用人工判别投饲法，主要是通过在投饲过程中人工观察鱼类摄食行为，即“先急速，后缓和，直到平静；先水面，后水底；先大鱼，后小鱼；先中间，后两边。当水面平静，没有明显的抢食现象，80%的鱼已经离去或在周边漫游没有摄食欲望时，停止投饲”来对每次投饲量进行控制。而目前广泛应用的人工判别投饲法投饲过程依赖人工观察，易受人主观性影响，不能适应现代集约化养殖的需求。

中国专利文献CN101655706B提出了一种用于养鱼网箱的超声投饲监控系统及投饲方法，主要利用设置于网箱的超声波换能器发出超声波脉冲，接收遇到该网箱内的剩余饲料而反射回的回波生成回波信号，根据回波信号判别是否需要投饲。但是由于饲料的颗粒本身体积不大，会出现无法检测到饲料或者被其他浮游生物干扰的情况，因此容易造成投饲过量的情况，不适用于对养殖全过程进行投饲控制。

由以上分析可见，现有的养殖鱼类的投饲方法，不能使投饲适量，容易导致饲料浪费，难以满足集约化养殖的需求。

实用新型内容

（一）要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是：如何对鱼类的摄食行为实时监测分析，根据分析结果进行投饲控制，实现按需投饲，避免投饲不足或浪费。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，提供了一种基于集约化养殖鱼类摄食行为分析的鱼类养殖投饲控制系统，其特征在于，该系统包括分裂波束换能器、信号采集处理及控制单元、投饲单元，其中：

所述分裂波束换能器，置于水中，与所述信号采集处理及控制单元相连，根据信号采集处理及控制单元发送的信号，向投饲水域发射声波，接收反射回来的声波转换为回波信号再传送给所述信号采集处理及控制单元；

所述信号采集处理及控制单元，与所述分裂波束换能器、所述投饲单元相连，将所述分裂波束换能器探测到的回波信号转换为回声图像，分析处理回声图像，得到表征鱼群密度和离散度的参数，根据参数随时间的变化生成投饲控制指令，发送给投饲单元；

所述投饲单元，与所述信号采集处理及控制单元相连，接收投饲控制指令并根据投饲控制指令进行投饲操作；投饲单元包括警告装置，若投饲开始后在一段设定的容许时间后没有接到投饲控制指令，则发出警告信息。

优选地，所述分裂波束换能器的内部基元分为四个象限，生成四个象限的回波信号。

优选地，所述信号采集处理及控制单元处理四个象限的回波信号，得到四个象限的回声图像，组成一个整体回声图像，计算一段时间区间内的整体回声图像的平均目标强度，作为鱼群密度的表征值，根据鱼群密度的表征值和鱼群密度的表征值随时间的变化生成减小投饲量或停止投饲的投饲控制指令；

优选地，所述鱼类养殖投饲控制系统还包括旋转单元，与所述信号采集处理及控制单元相连，所述分裂波束换能器固定于所述旋转单元，所述旋转单元接收所述信号采集处理及控制单元的旋转控制指令带动所述分裂波束换能器在水平和竖直方向旋转。

优选地，其中所述信号采集处理及控制单元包括：探测信号发射模块，通过探测信号发生器及功率放大器向所述换能器输出发射声波的信号；回波信号处理模块，接收分裂波束换能器探测到的回波信号，经限幅、前置放大、带通滤波、检波后形成鱼类的回声图像；回声图像处理与控制模块，将回声图像进行处理分析，生成投饲控制指令。

（三）有益效果

本实用新型的系统，通过采用分裂波束换能器对鱼类的摄食行为进行监测，并对回声图像进行分析计算，可以得到反映鱼类摄食行为的密度的表征值，从而量化反映鱼群的摄食行为，根据表征值在时间上的变化，对鱼类养殖进行按需投饲控制，防止饲料不足或浪费；通过采用旋转单元，可以在水平和竖直方向旋转分裂波束换能器，在信号采集处理及控制单元的控制下，方便地达到选定的或符合要求的方位，因而能实现更好的测定。

附图说明

图1是按照本实用新型一个实施例的鱼类养殖投饲控制系统的系统结构框图；

图2是按照本实用新型一个实施例的鱼类养殖投饲控制系统的进行投饲控制的流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

本实用新型的基本原理是回声探测原理，与光波、电磁波相比，声波在水中传播损失小，传播距离远，是水下小型目标探测与识别的最佳手段。回声探测时换能器将电子信号转换成声波脉冲并发射到水中，声波在水中传播过程中遇到障碍物时，由于物体的声阻抗率与水介质的不同，该物体会对入射声波产生散射及反射作用，部分声音信号反向散射至分裂波束换能器，如果信号水平超过用户选择的阈值，会被分裂波束换能器接收转化为电子信号并传输至信号采集处理及控制单元，生成回波信号。根据声波发射后收到目标回波信号的间隔时间和声波在水中的传播速度（1500m/s,标准条件下），可测得目标所处的位置，对回波信号强弱和结构加以分析，可估算出目标强度。相比单波束或者多波束阵列,利用分裂波束技术可以确定目标在波束中的位置,并根据波束的指向性对偏离声轴的回波信号进行补偿,从而实现对鱼类目标强度的客观估测，测量结果更为精确。

目标强度是水声学评估的一个重要参数，它是一个度量目标物体声波反射性能的参数，其物理意义上与反射系数较为接近。目标强度的定义是在距离目标的声学中心1m处，由目标反射回来的声强与同一方向上入射声强之比，取以10为底的对数后再乘以10。目标强度（TS）表示为：

TS=10×lg(Ir/Ii)=20×lg(Pr/Pi)  （1）

（1）式中Ir、Ii为反射声强和入射声强，Pr、Pi为反射声压和入射声压。后来有学者又将目标强度定义为：

TS=20×lg(σ/4π)  （2）

（2）式中，TS表示目标强度(dB)，σ表示目标物体的水声学截面(m2)。σ可以看作是目标物体对入射波产生散射的声学等效面积。

本实用新型的另一个基本原理是鱼群摄食行为的规律。当投饲时，鱼会集中到投饲水域摄食，鱼群的密度会增大；鱼摄食完毕没有摄食欲望时，就会从投饲水域散开，此时鱼群的密度会减小。

回声图像的目标强度能反映投饲水域鱼的密度，因此可以利用水声图像分析鱼类摄食行为，并根据分析结果生成投饲控制指令。

如图1所示，示出了根据本实用新型一个实施例的鱼类养殖投饲控制系统，该系统包括：信号采集处理及控制单元4、投饲单元3、旋转单元2、分裂波束换能器1。

分裂波束换能器1的内部基元分为四部分，构成四个象限，分裂波束换能器1固定于旋转单元2，与信号采集处理及控制单元4相连，置于水中，根据信号采集处理及控制单元4发送的信号，向投饲水域发射声波，接收反射回来的声波转换为回波信号再传送给所述信号采集处理及控制单元4。相比单波束或者多波束阵列,利用分裂波束技术可以确定目标在波束中的位置,并根据波束的指向性对偏离声轴的回波信号进行补偿,从而实现对鱼类目标强度的客观估测，测量结果更为精确。

投饲单元3，与信号采集处理及控制单元4相连，用于接收其投饲控制指令来对鱼类投饲。投饲单元3包括警告装置，若投饲开始后在一段设定的容许时间后没有接到投饲控制指令，则发出警告信息。警告装置例如为微处理器控制的信号灯或音频设备，警告信息例如为光、声音等。

旋转单元2，与信号采集处理及控制单元4相连，并接收其旋转控制指令带动分裂波束换能器1旋转。

信号采集处理及控制单元4，与分裂波束换能器1、旋转单元2、投饲单元3相连，包括：探测信号发射模块41，包括功率放大器、滤波器、探测信号发生器、模数转换器，用于通过探测信号发生器及功率放大器向分裂波束换能器1输出检测信号；回波信号处理模块42，包括前置信号放大器、带通滤波器、模数转换器、检波电路、限幅电路，用于接收换能器探测到的回波信号，调理回波信号，经限幅、前置放大、带通滤波、检波后形成鱼类的回声图像；回声图像处理与控制模块43，包括控制器、人机界面，分析处理分裂波束换能器1探测到的回波信号，得到鱼群密度的表征值，根据表征值随时间的变化生成投饲控制指令，发送给投饲单元3。

信号采集处理及控制单元4具体如此处理回波信号：其处理四个象限的回波信号，得到四个象限的回声图像，组成一个整体回声图像，计算一段时间区间内的整体回声图像的平均目标强度，作为鱼群密度的表征值，并根据鱼群密度的表征值随时间的变化生成减小投饲量或停止投饲的投饲控制指令。

计算一段时间区间内的整体回声图像的平均目标强度，例如可选取该段时间多个时间点上测得的目标强度，剔除几个偏大偏小的值，剩下的值平均计算即得到平均目标强度。

本实用新型的系统，通过采用分裂波束换能器对鱼类的摄食行为进行监测，并对回声图像进行分析计算，可以得到反映鱼类摄食行为的密度的表征值，从而量化反映鱼群的摄食行为，根据表征值在时间上的变化，对鱼类养殖进行按需投饲控制，防止饲料不足或浪费；通过采用旋转单元，可以在水平和竖直方向旋转分裂波束换能器，在信号采集处理及控制单元的控制下，方便地达到选定的或符合要求的方位，因而能实现更好的测定。

如图2所示，示出了根据本实用新型一个实施例的鱼类养殖投饲控制系统的进行投饲控制的方法，该方法包括以下步骤：

S1：向投饲水域投饲，并从水中向投饲水域发射声波，接收反射回来的声波，转换为回波信号，生成回声图像；

S2：分析处理回声图像，得到在一段时间区间上的鱼群密度的表征值。

S3：根据鱼群密度的表征值在多段时间区间上的变化，生成投饲控制指令，根据投饲控制指令进行投饲。

在实施例中，在步骤S1中向投饲水域发射声波前还包括：

调整发射声波的方位，以使发射的声波对准投饲水域。

步骤S2可包括：计算一段时间区间上的回声图像的平均目标强度，作为该段时间区间的鱼群密度的表征值。

计算一段时间区间的回声图像的平均目标强度，例如可选取该段时间多个时间点上测得的目标强度，剔除几个偏大偏小的值，剩下的值平均计算即得到平均目标强度。

在实施例中，步骤S3可包括：

S3.1：在连续的多个时间区间内，若每一个在后的时间区间与每一个在前的时间区间相比，鱼群密度持续减小，则生成减小投饲量的投饲控制指令，投饲减小；

S3.2：生成减小投饲量的投饲控制指令之后，若在多个时间区间内，每一个在后的时间区间与每一个在前的时间区间相比，鱼群密度仍然减小，则生成停止投饲的投饲控制指令，投饲停止。

在实施例中，步骤S3还可以包括：

S3.3：从投饲开始经过一段设定的容许时间后，若仍然没有生成停止投饲的投饲控制指令，则发出提示出现故障的警告信息。

上述时间区间的长度和个数以及容许时间的长度，可以由操作人员设定，例如将时间区间设定为与完成一份饲料的投放操作需要的时间相对应，时间区间的个数例如设定为3或4，容许时间的长度可以设定为平常完成整个投饲操作需要的时间的1.2倍左右。

以上实施例仅用于说明本实用新型，而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求的保护范围当中。

Claims (5)

1.一种鱼类养殖投饲控制系统，其特征在于，该系统包括分裂波束换能器、信号采集处理及控制单元、投饲单元，其中： 

所述分裂波束换能器，置于水中，与所述信号采集处理及控制单元相连，根据信号采集处理及控制单元发送的信号，向投饲水域发射声波，接收反射回来的声波转换为回波信号再传送给所述信号采集处理及控制单元； 

所述信号采集处理及控制单元，与所述分裂波束换能器、所述投饲单元相连，将所述分裂波束换能器探测到的回波信号转换为回声图像，分析处理回声图像，得到鱼群密度的表征值，根据表征值随时间的变化生成投饲控制指令，发送给投饲单元； 

所述投饲单元，与所述信号采集处理及控制单元相连，接收投饲控制指令并根据投饲控制指令进行投饲操作；投饲单元包括警告装置，若投饲开始后在一段设定的容许时间后没有接到投饲控制指令，则发出警告信息。 

2.如权利要求1所述的鱼类养殖投饲控制系统，其特征在于，所述分裂波束换能器的内部基元分为四个象限，生成四个象限的回波信号。 

3.如权利要求2所述的鱼类养殖投饲控制系统，其特征在于，所述信号采集处理及控制单元处理四个象限的回波信号，得到四个象限的回声图像，组成一个整体回声图像，计算一段时间区间的整体回声图像的平均目标强度，作为鱼群密度的表征值，根据该表征值随时间的变化生成减小投饲量或停止投饲的投饲控制指令。 

4.如权利要求1所述的鱼类养殖投饲控制系统，还包括旋转单元，与所述信号采集处理及控制单元相连，所述分裂波束换能器固定于所述旋转单元，所述旋转单元接收所述信号采集处理及控制单元的旋转控制指令带动所述分裂波束换能器在水平和竖直方向旋转。 

5.根据权利要求1-4其中任一项的鱼类养殖投饲控制系统，其中所述信号采集处理及控制单元包括： 

探测信号发射模块，通过探测信号发生器及功率放大器向所述分裂波束换能器输出发射声波的信号； 

回波信号处理模块，接收分裂波束换能器探测到的回波信号，经限幅、前置放大、带通滤波、检波后形成鱼类的回声图像； 

回声图像处理与控制模块，将回声图像进行处理分析，生成投饲控制指令。 

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