ES2454915B2 - Boya para detección de peces - Google Patents

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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
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Abstract

La invención se refiere a una boya para detectar peces que comprende un sónar (3) configurado para emitir y recibir señales eléctricas, un transductor piezoeléctrico (2) configurado para generar y recoger ondas ultrasónicas, donde las ondas ultrasónicas son generadas por el transductor (2) de acuerdo con las señales eléctricas emitidas por el sónar (3) y donde las señales eléctricas son recibidas en el sónar (3) de acuerdo con las ondas ultrasónicas recogidas por el transductor (2). La boya comprende además un acelerómetro (1) configurado para medir el ángulo de inclinación de la boya en el momento de emisión y de recepción de las ondas ultrasónicas, y para validar las señales ultrasónicas recibidas, cuando la diferencia entre dichos ángulos es menor que un umbral.

Description



DESCRIPCIÓN
Boya para detección de peces.
Objeto 5
La invención se refiere a una boya para detección bancos de peces, discriminación de especies y tamaños. Adicionalmente, puede suministrar otros datos de interés meteorológico tales como la altura de olas o la temperatura en la superficie del agua.
10
Antecedentes de la invención
En la pesca industrial de atún y de otras especies pelágicas es de uso generalizado la pesca con FAD’s, (Fish Aggregating Devices). Los FAD’s son elementos flotantes de origen natural o artificial para concentrar peces. Se ha observado que, después de un tiempo en el agua, generan un ecosistema que favorece que los bancos de peces 15 (especialmente túnidos) se mantengan debajo a ciertas horas del día.
La patente FR 2674338 describe una radio-boya con GPS, que informa sobre la posición del objeto al capitán del barco de pesca.
20
La patente ES2212920 divulga también una radio-boya con GPS equipada con sonar para localización de pesca.
La patente US 5377163 muestra cómo se aplican métodos acústicos de banda ancha para detectar vida marina. Sin embargo no se considera la influencia del escoramiento en el proceso de emisión y recepción.
25
En general, las boyas presentes en el mercado utilizan una tecnología hidroacústica de una sola frecuencia, con resoluciones capaces de obtener datos para que los pescadores puedan saber sí hay peces debajo. Habitualmente, emplean sónars con una sola frecuencia 50kHz, 180kHz o 190,5 kHz y presentan ángulos de haz de 40º, entre 20-150 metros de rango de profundidad y una resolución de entre 3-11,2 metros. Esta tecnología no permite sin embargo discernir tamaños y especies con precisión. Además no contemplan la influencia del movimiento durante 30 las mediciones realizadas.
Descripción de la invención
La invención se refiera a una boya para detectar peces. Para ello incorpora un sónar para emitir y recibir señales 35 ultrasónicas cuyo funcionamiento está acoplado con un acelerómetro que permite entre otras cosas, medir la posición angular de la boya entre el momento que se transmite el pulso ultrasónico y el momento en el que se recibe el eco. Esto es importante para validar o invalidar medidas realizadas con mucho movimiento.
La boya para detectar peces comprende un sónar para emitir y recibir señales eléctricas, un transductor 40 piezoeléctrico para generar y recoger ondas ultrasónicas, donde las ondas ultrasónicas son generadas por el transductor de acuerdo con las señales eléctricas emitidas por el sónar y donde las señales eléctricas son recibidas en el sónar de acuerdo con las ondas ultrasónicas recogidas por el transductor. La boya comprende además un acelerómetro para medir el ángulo de inclinación de la boya en el momento de emisión y de recepción de las ondas ultrasónicas, y para validar las señales ultrasónicas recibidas, cuando la diferencia entre dichos ángulos es menor 45 que un umbral.
Opcionalmente, el transductor puede generar ondas ultrasónicas de una pluralidad de frecuencias diferentes.
Opcionalmente, las ondas ultrasónicas pueden ser generadas consecutivamente, secuencialmente o 50 simultáneamente.
Opcionalmente, la boya comprende además un convertidor analógico/digital controlado por un procesador para tratar digitalmente la señal ultrasónica.
55
Opcionalmente, el acelerómetro puede además medir la velocidad angular de la boya y el procesador se acopla con el acelerómetro para que las ondas ultrasónicas sean generadas en función de la velocidad angular de la boya.
Opcionalmente, el acelerómetro puede además para medir la altura de las olas.
60
Opcionalmente, se puede incluir unos medios de comunicación para enviar información sobre las ondas ultrasónicas reflejadas.
Opcionalmente, los medios de comunicación además pueden recibir comandos para el control del procesador.
Opcionalmente, la boya puede incluir un dispositivo de geo-localización de la boya.
Opcionalmente, la boya puede incluir un sensor de temperatura para medir la temperatura superficial del agua.
Opcionalmente, la boya puede incluir un compás magnético o un giroscopio para registrar las rotaciones. 5
Opcionalmente, la boya puede incluir una memoria para almacenar datos sobre las señales procesadas y los valores medidos.
Figuras 10
La figura 1 muestra tres regiones correspondientes a las zonas de detección de cada una de las tres frecuencias empleadas. Cuanto mayor la frecuencia empleada, menor es la zona que cubre y mayor la directividad.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques con los componentes principales.
La figura 3 muestra una sección de la boya de forma esquemática. 15
La figura 4 muestra tres gráficas 4A – 4C correspondientes con los tres modos de transmisión: consecutiva, secuencial y simultánea.
Descripción detallada de un modo de realización
20
Con referencia a las figuras se explica un ejemplo de realización que no debe considerarse con carácter limitativo.
La figura 2 ilustra los bloques que se pueden distinguir en una realización de la invención.
Un sónar 3 activo multifrecuencia que incluye un emisor 31 y un receptor de señales 32 ultrasónicas y además de un 25 convertidor A/D 33. El sónar 3 está conectado con un transceptor piezoeléctrico 2 capaz de generar señales ultrasónicas de diferentes frecuencias. El emisor 31 se encarga de generar un tren de pulsos (“ping”) de una frecuencia determinada y de alta tensión para excitar el transductor 2. El receptor 32 se encarga de amplificar y filtrar las débiles señales recibidas para finalmente convertirlas en el convertidor A/D 33 para que un procesador 4 pueda realizar un tratamiento digital de señal. 30
El transductor piezoeléctrico 2 convierte la energía eléctrica en mecánica y vice-versa. Le caracteriza la frecuencia de resonancia y el ángulo de apertura. El propuesto tiene una geometría de prisma rectangular con diferentes dimensiones ancho-alto-largo que dan lugar a tres frecuencias de resonancia diferentes. En la figura 1 se muestra por ejemplo: 50 kHz, 120 kHz y 200 kHz con diagramas de directividad cuyos ángulos apertura son de 42º@50kHz, 35 17º@120 kHz y 10º@200kHz. Pruebas realizadas indican que generalmente una variación de la inclinación de 10º en 200ms cuando se está enviando el ping en 200 kHz impide recibir señal ultrasónica de los ecos a 150m porque la señal ultrasónica recibida incide en el transductor con un ángulo fuera del rango de sensibilidad.
Se incluye en la boya una memoria 5 para almacenar los datos obtenidos datos de las detecciones para su posterior 40 recuperación y/o envío. Preferentemente, se guardan los valores de inclinación de cada “ping” y la velocidad angular. Adicionalmente se pueden guardar otros datos de mediciones, localización, etc.
El procesador 4 sirve para controlar el momento de emisión de las ondas ultrasónicas en función de, entre otros, de los datos aportados por un acelerómetro 1. El procesador 4 se encarga también de realizar las tareas de control del 45 sónar 3, enviar los mensajes al satélite y recibir los telecomandos del satélite, del tratamiento digital de la señal eléctrica recibida y de tomar las medidas de los diferentes sensores.
El acelerómetro 1 realiza una importante función ya que mide la escora y adicionalmente la velocidad angular de la boya entre otros parámetros. La información sobre la inclinación o escora en el momento del “ping” y la velocidad 50 angular es utilizada para validar la detección. Se mide el ángulo antes de enviar el “ping”, y después de finalizar la recepción de la señal ultrasónica (200ms). Si la variación de la inclinación entre emisión y recepción supera una cantidad dada (por ejemplo, 5º), la medida no se considera válida y es repetida. De forma opcional, se puede integrar la aceleración entre un máximo y un mínimo para evaluar la altura de las olas que puede ser de interés meteorológico. 55
La boya puede incorporar un sistema de posicionamiento 6 como por ejemplo un GPS que permita geo-referenciar la boya.
La boya también puede incorporar unos medios de comunicación. Por ejemplo, un módem 7 satelitario que permita 60 comunicarse vía radio o vía satélite para transmitir los resultados de las mediciones, la posición, etc. y que también permita recibir instrucciones para controlar su funcionamiento. Así se pueden transmitir, periódicamente o a petición, los datos de posición, temperatura, nivel de energía, actividad detectada por su sonda de pesca en las distintas frecuencias así como la inclinación de la boya en cada una de las detecciones ultrasónicas.
Opcionalmente, puede integrar un sensor de temperatura 10 para la medición de la temperatura superficial del agua. También puede incluir unas baterías recargables 8, pilas desechables y/o paneles solares 9 para alimentación con energía eléctrica del conjunto. Para la alimentación eléctrica, la batería recargable 8 se conecta a la electrónica de la boya y a su vez es recargada por unos paneles solares 9.
5
Opcionalmente, se puede además incorporar un compás magnético o un giroscopio para medir las rotaciones en la boya y registrar esta información.
En la figura 3 puede verse un posible diseño de la boya. Se ilustra cómo se disponen los diferentes dispositivos. Se recubre la boya para la protección de los dispositivos más delicados mediante una carcasa 11 ubicada en la parte 10 inferior para mejorar la flotabilidad y estabilidad del conjunto y una tapa transparente 12 en la parte superior permite proteger los paneles solares 9.
La boya transmite al agua pulsos ultrasónicos de diferentes frecuencias y detecta los ecos de forma independiente en cualquiera de las frecuencias transmitidas, teniendo la capacidad de medir el eco resultante de cada frecuencia 15 de forma independiente.
Se puede obtener la respuesta de un pez o conjunto de peces a diferentes frecuencias ultrasónicas gracias a las características de la onda recibida como eco, se puede clasificar su tamaño e incluso la especie (listado, yellowfin, albacora, patudo, etc.). Para ello, se han de conocer las características del eco reflejado para el pulso emitido para 20 una especie de pez concreta, con lo que se puede establecer una firma acústica. Las diferencias en el eco reflejado suelen originadas por características morfológicas, tales como distintas densidades del cuerpo, tamaño, forma, dureza de la piel y presencia o no de vejiga natatoria, etc. Así, comparando los resultados con esta información, se puede identificar una especie. En otros casos, aunque la especie no pueda ser determinada con exactitud, sí se puede extraer información de interés para la pesca. Por ejemplo, se puede almacenar el momento de la detección 25 de un banco con unas características concretas y con ello identificar pautas de comportamiento. Es común que algunos bancos de peces regresen con periodicidad a la zona que hay bajo un mismo objeto flotante (FAD) lo que puede ser útil para faenar de forma programada.
La memoria 5 puede almacenar parte o la totalidad de los ecos recibidos. Los ecos se detectan en función del 30 tiempo y de la intensidad, la intensidad es la medida de la cantidad de eco recibido y el tiempo en el que se detecta el eco corresponde a la profundidad a la cual se sitúa el elemento detectado. Esta memoria 5 permite ser descargada de forma remota o en el momento de la recuperación de la boya lo que permite analizar toda la actividad del pescado bajo la boya durante un periodo que puede variar entre pocas horas y varios meses. En la memoria se almacenan las señales de los ecos con un alto nivel de resolución en tiempo e intensidad en cada una de las 35 frecuencias utilizadas.
Como se ha comentado, la boya incorpora un acelerómetro 1 para medir la escora con respecto a la verticalidad y la velocidad angular. También se puede aprovechar este dispositivo para obtener otros datos de interés metereológico, como la altura de las olas. Con los datos de inclinación y velocidad angular se puede elegir el momento de emisión 40 de la onda y también descartar la recepción de una onda si por ejemplo los ángulos de inclinación durante la emisión y la recepción son mayores que un valor determinado. Si el movimiento de la boya es importante, se puede dar una situación en la cual la señal recibida de un eco no sea detectada porque el elemento sensor ya esté orientado en otra dirección. Esto es muy importante para poder obtener detecciones fiables de transductores cuyos diagramas de radiación de energía ultrasónica son muy estrechos. 45
La apertura del diagrama del transductor es menor cuanto mayor es la frecuencia de trabajo El transductor empleado en esta realización, por ejemplo cubre una región de 45º con 50kHz, 17º con 120 kHz y sólo 8º con 200kHz. Lo que quiere decir que el resultado de las detecciones en las diferentes frecuencias no proporciona directamente una medida de la “reflectividad” de un banco de peces determinado. Para que esto sea cierto, se ha de 50 asegurar además que el banco detectado está en la vertical del transductor, en el lugar donde será “iluminado” de la misma manera por las diferentes ondas/frecuencias transmitidas. La presente invención se diferencia por relacionar la detección realizada en cada frecuencia con cada uno de los ángulos de apertura correspondientes. De esta manera, el usuario o el operador de la radio-boya puede validar el análisis de firma acústica en casos donde el eco ha sido detectado en el ángulo mas estrecho correspondiente a la frecuencia más alta. Se evita así interpretar 55 erróneamente ecos de menor amplitud porque están más alejados del eje del diagrama de radiación.
Modos de operación
Como se puede observar en las figuras 4A-4C el emisor 31 del sonar 3 genera diferentes trenes de pulsos (ping). El 60 tren de pulsos es de alta tensión y se genera a una frecuencia F que se aplica al piezoeléctrico para convertirlo a onda ultrasónica.
Por ejemplo, el tren de pulsos dura 1ms, la onda ultrasónica se transmite en el agua a la velocidad del sonido en el agua (1.500 m/s aprox.) y va reflejándose en los peces que encuentra por su camino. Parte de esta onda reflejada vuelve a incidir en el piezoeléctrico, convirtiendo ahora en el otro sentido la onda ultrasónica a señal eléctrica que es debidamente amplificada y filtrada por la parte receptora de nuestro sonar. La distancia a la que se encuentran los ecos es proporcional al tiempo que tarda la señal en ser recibida. Si durante 200ms se reciben ecos de las señales, 5 se pueden detectar peces hasta a 150m de distancia.
Los materiales piezoeléctricos tienen por característica realizar una conversión de una señal eléctrica a mecánica y viceversa. El rendimiento de conversión de energía eléctrica en mecánica y viceversa es relativamente bajo, por este motivo se suelen utilizar los piezoeléctricos a su frecuencia de resonancia mecánica para obtener el mejor 10 rendimiento de conversión posible. En nuestro caso, utilizamos unos piezoeléctricos rectangulares que tienen 3 frecuencias de resonancia diferentes, 50kHz, 120 kHz y 200 kHz.
Este sónar tiene la capacidad de transmitir y recibir en distintas frecuencias, de forma consecutiva, secuencial o simultanea. 15
De forma consecutiva:
En la figura 4A, el transmisor transmite el tren de pulsos a la frecuencia F0 (durante 1ms) y inmediatamente el receptor se sintoniza en la frecuencia F0 durante los 200 ms de recepción. Inmediatamente repite la misma 20 operación con una frecuencia F1 y F2.
De forma secuencial:
En la figura 4B, el transmisor transmite un primer ping de frecuencia F0 durante 1ms, un segundo ping de frecuencia 25 F1 durante 1ms y un tercer ping de frecuencia F2 durante 1ms. Al finalizar el tercer ping, el receptor se pone a recibir durante 200ms las señales recibidas de forma selectiva e independiente en las 3 diferentes frecuencias F0, F1 y F2.
De forma simultánea:
30
En la figura 4C, el transmisor transmite a la vez un ping en 3 frecuencias F0, F1 y F2. el receptor se pone a recibir durante 200ms las señales recibidas de forma selectiva e independiente en las 3 diferentes frecuencias F0, F1 y F2.
Como ejemplo práctico, para poder estimar el tamaño y las especies predominantes de un banco de atún que esta en las proximidades de una boya, no se puede tomar por bueno cualquier instante de observación de sonda, es 35 necesario quedarse con la máxima observación para poder evaluar el tamaño del banco así como quedarse con una media estadística durante un tiempo determinado para poder evaluar la firma acústica del banco y así determinar su composición.

Claims (14)



  1. REIVINDICACIONES
    1.- Boya para detectar peces caracterizada por que comprende:
    - un sónar (3) configurado para emitir y recibir señales eléctricas,
    - un transductor piezoeléctrico (2) configurado para generar y recoger ondas ultrasónicas, 5
    donde las ondas ultrasónicas son generadas por el transductor (2) de acuerdo con las señales eléctricas emitidas por el sónar (3) y
    donde las señales eléctricas son recibidas en el sónar (3) de acuerdo con las ondas ultrasónicas recogidas por el transductor (2),
    caracterizada por que comprende además: 10
    - un acelerómetro (1) configurado para medir el ángulo de inclinación de la boya en el momento de emisión y de recepción de las ondas ultrasónicas, y para validar las señales ultrasónicas recibidas, cuando la diferencia entre dichos ángulos es menor que un umbral.
  2. 2.- Boya según la reivindicación 1, caracterizada por que el transductor (2) está configurado para generar ondas 15 ultrasónicas de una pluralidad de frecuencias diferentes.
  3. 3.- Boya según la reivindicación 2, caracterizada por que las ondas ultrasónicas son generadas consecutivamente.
  4. 4.- Boya según la reivindicación 2, caracterizada por que las ondas ultrasónicas son generadas secuencialmente. 20
  5. 5.- Boya según la reivindicación 2, caracterizada por que las ondas ultrasónicas son generadas simultáneamente.
  6. 6.- Boya según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende además un convertidor analógico/digital (33) controlado por un procesador (4) configurado para tratar digitalmente la señal 25 ultrasónica.
  7. 7.- Boya según la reivindicación 6, caracterizada por que el acelerómetro (1) está configurado además para medir la velocidad angular de la boya y por que el procesador (4) está acoplado con el acelerómetro para que las ondas ultrasónicas sean generadas en función de la velocidad angular de la boya. 30
  8. 8.- Boya según la reivindicación 7, caracterizada por que por que el acelerómetro (1) está configurado además para medir la altura de las olas.
  9. 9.- Boya según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende unos medios de 35 comunicación (7) configurados para enviar información sobre las ondas ultrasónicas reflejadas.
  10. 10.- Boya según la reivindicación 9, caracterizada por que los medios de comunicación (7) están configurados además para recibir comandos para el control del procesador (4).
    40
  11. 11.- Boya según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende un dispositivo de geo-localización de la boya (6).
  12. 12.- Boya según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende un sensor de temperatura (10) para medir la temperatura superficial del agua. 45
  13. 13.- Boya según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 6 a 11, caracterizada por que comprende además un compás magnético o un giroscopio configurado para medir las rotaciones.
  14. 14.- Boya según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 6 a 12, caracterizada por que comprende una 50 memoria (5) para almacenar datos sobre las señales procesadas y los valores medidos.
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