CN103983977A - 一种五波束探鱼仪 - Google Patents

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周天
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Abstract

本发明涉及一种五波束探鱼仪，其结构包括干端、湿端；其中，干端由一台笔记本电脑、一个转接盒组成，笔记本电脑显示探测鱼群等综合信息，转接盒为湿端提供电源，且为湿端与笔记本电脑连接提供相应接口；湿端由信号产生***、信号发射***、信号调理***、信号采集与处理***、中央逻辑单元、收发转换开关、收发换能器阵组成，实现声信号发射、接收、采集、处理、传输，将结果上传至笔记本电脑，实时显示并存储结果数据。它解决了传统探鱼仪功能单一、不利于大规模渔业资源科学调查的问题，能高效率，高精度，更准确的分析鱼群密度、种类和对底速度的一种五波束探鱼仪，可广泛用于大规模湖泊、海洋渔业资源科学调查。

Description

一种五波束探鱼仪
技术领域
本发明涉及的是一种高精确、综合信息获取的五波束探鱼仪。
背景技术
在渔业资源开发及调查中，为提高捕捞效率，基本所有型号渔船上都安装了探鱼仪设备。目前，在国内能够查阅到的关于探鱼仪的资料、专利以及产品，涉及的主要是围绕传统单波束探鱼仪开展的设计与应用。
申请号为200420017289.X的专利文件中公开的便携式超声波探鱼仪是典型的单波束探鱼仪，具有很宽的探测波束，而为了实现更远的探测距离，同时要求很高的发射功率，这存在着矛盾；由于波束角度很宽，单波束探鱼仪有一个致命缺陷，不能分辨出鱼群具体方位及规模；并且，单波束探鱼仪设备，只能判断一个波束内鱼群状态，也不能对鱼的种类进行判断。这三方面的限制决定了传统单波束探鱼仪己经不适合当前海洋渔业开发、海洋渔业资源调查。
随着人口的增长和人们对陆地资源的过度开发，对海洋资源的高效获取显得尤其重要。我国海域辽阔，是一个渔业大国，但还不是一个渔业强国，其原因除了我国渔业资源开发不够科学之外，最重要的原因就是我国的探鱼仪设备相对国外落后。高性能的探鱼仪不仅能探知是否有鱼，还具有鱼群的规模、密度正确判断、识别鱼的大小和种类的功能。由于进口国外高性能探鱼仪的价格昂贵，种种事实表明我国渔业生产、渔业资源调查对自主知识产权的先进探鱼仪设备有着的强烈需求。
发明内容
本发明的目的在于提供高效率，高精度，更准确的分析鱼群密度、种类和对底速度的五波束探鱼仪。
本发明是这样实现的：
一种五波束探鱼仪，包括干端1、湿端2,干端1由笔记本电脑11、转接盒4组成；湿端2由信号产生***5、信号发射***6、信号调理***7、信号采集与处理***8、中央逻辑单元9、换能器阵12组成；转接盒4为五波束探鱼仪的干端1、湿端2之间的电信号连接提供接口，换能器阵12是收发合置，收发转换开关10连接到换能器阵12前面，收发换能器阵12是由等间距多通道灵敏度不同换能器组成的线阵，通过放大、滤波、匹配后的信号进行相移处理形成换能器辐射面中心波束、与相控换阵能器辐射面法线成30°夹角的斜正交结构的4个波束，共5个波束，波束宽度4°×4°；笔记本电脑11、转接盒4、中央逻辑单元9、信号产生***5、信号发射***6、收发转换开关10、收发换能器阵12依次电信号连接；收发换能器阵12、收发转换开关10、信号调理***7、信号采集与处理***8、中央逻辑单元9、转接盒4、笔记本电脑11依次电信号连接。
本发明还可以包括这样一些结构特征：
1、加入辅助设备姿态仪31，姿态传感器31电信号连接到转接盒4。
2、加入辅助设备定位***GPS32，GPS定位***32电信号连接到转接盒4。
工作流程为：信号产生***5按照设定的工作参数产生对应的探测信号，通过信号发射***6以一定的功率发射出去。信号调理***7在信号发射***6的探测信号发射完毕、避开混响时间后开始接收，混响时间一般为探测信号脉宽的一半。同时，信号采集与处理***8开始采集，然后将采集到的信号送至用于采集控制的第三逻辑单元82、用于鱼信息解算的第一DSP84、用于对底速度信息解算的第二DSP85进行信息处理，解算包括鱼群大小、方位、密度，鱼种类、大小，载体对底速度等信息，同时采集姿态数据及GPS数据，通过网络接口控制器93传送至笔记本电脑11，实时显示探测结果，同时将结果数据存入笔记本电脑11。
本发明的工作原理是：
五波束探鱼仪安装在水面渔船或海洋调查船上，换能器阵12位于水面以下。当船在作业区域内开始探测时，五波束探鱼仪以主动方式工作，即向水中发射声信号。***上后电，根据测量水域的大致情况，通过显控软件设定***的工作参数，然后启动***开始工作。根据***工作状态，信号产生***5分别产生长脉冲CW信号，用于对底速度测量，产生短脉冲CW信号，对鱼群大小及密度等进行探测，发射LFM信号对鱼的大小及种类进行分辨，三种信号形式在同一个测量周期内交替产生，或者根据实际需要产生其中一种信号。信号产生***5产生的三类信号通过信号发射***6放大，经由换能器阵12完成电声转换，把声信号发射到水中，发射出去的声波经由鱼、水底反射(散射)回来，换能器阵12把接收到的声信号转换为电信号，传送给信号调理***7，对接收到的电信号进行滤波、放大，将调理后的信号送至信号采集与处理***8进行采集和处理，进而获取探测范围内的鱼群大小、方位、密度，鱼大小、种类，对底速度等信息，并经由网络接口控制器93送至笔记本电脑11，同时笔记本电脑11对姿态及GPS数据进行采集，在显控界面上实时显示出观测到的信息，同时将这些信息存入笔记本电脑11。
本发明解决了传统探鱼仪功能单一、效率低的问题，能够获得更丰富更准确的鱼群、鱼及对底速度等信息，丰富了探鱼仪的功能，实现了多覆盖、高效率探鱼的目标。可广泛用于湖泊、海洋渔业开发，大规模渔业资源科学调查等探测任务。
附图说明
图1是五波束探鱼仪的基本结构原理框图；
图2是五波束探鱼仪连接姿态仪的基本结构原理框图
图3是五波束探鱼仪连接导航GPS的基本结构原理框图
图4是五波束探鱼仪连接辅助设备的基本结构原理框图
图5是五波束探鱼仪的分***结构框图；
具体实施方式
干端1由笔记本电脑11、转接盒4组成；笔记本电脑11上运行的实时显控软件用于显示相关信息，包括鱼群大小、方位、密度，鱼种类、大小，载体对底速度、航迹等；转接盒4由为湿端2供电的电源模块41、USB串口转换器42、与笔记本电脑11连接的网络接口43、USB接口44、与湿端2连接的电缆接口45、与辅助设备3连接的第一串口46、第二串口47组成；其中电源模块41、电缆接口45依次电信号连接，作用是为湿端2提供+48V电源；网络接口43、电缆接口45依次电信号连接，作用是为笔记本电脑11、湿端2提供数据传输接口；USB串口转换器42、USB接口44依次电信号连接；USB串口转换器42、第一串口46依次电信号连接，作用是为姿态传感器31提供控制及数据采集接口；USB串口转换器42、第二串口47依次电信号连接，作用是为GPS定位***32提供数据采集接口。
湿端2由信号产生***5、信号发射***6、信号调理***7、信号采集与处理***8、中央逻辑单元9、收发转换开关10、收发换能器阵12组成。
信号产生***5、信号发射***6、收发转换开关10、收发换能器阵12依次电连接；信号产生***5由用于接收命令和产生信号的第一逻辑单元51、FLASH闪存52、第一高速存储器53组成，完成探测信号的产生；其中FLASH闪存52、用于接收命令和产生信号的第一逻辑单元51、第一高速存储器53依次电信号连接；信号发射***6由依次电信号连接的功率放大器61、阻抗匹配网络62组成，作用是对发射信号进行功率放大，同时对换能器进行阻抗匹配，已达到最大发射效率。
收发换能器阵12、收发转换开关10、信号调理***7、信号采集与处理***8依次电信号连接，完成声电转换，并按照预定方向波束形成、采集、处理等操作；信号调理***7由第一可控增益模块71、第一带通滤波模块72、第二可控增益模块73、第二带通滤波模块74、固定增益模块75、用于控制可控增益的第二逻辑单元76组成，完成多通道数据调理；其中可控增益模块71、带通滤波模块72、固定增益模块73依次电信号连接；可控增益模块71、用于控制可控增益的第二逻辑单元74依次电信号连接；信号采集与处理***8由模数转换器81、用于接收命令与数据采集的第三逻辑单元82、第二高速存储器83、用于鱼信息解算的第一DSP84、用于对底速度信息解算的第二DSP85组成，完成大规模数据存储，同时对鱼群大小、方位、密度，鱼种类、大小，载体对底速度、水体流速信息解算；其中模数转换器81、用于接收命令与数据采集的第三逻辑单元82、第二高速存储器83依次电信号连接；用于鱼信息解算的第一DSP84、用于接收命令与数据采集的第三逻辑单元82、用于对底速度、水体流速信息解算的第二DSP85依次电信号连接。
中央逻辑单元9由依次电信号连接的中央逻辑控制单元91、网络传输逻辑单元92、网络接口控制器93组成，其中中央逻辑控制单元91为整个***提供同步逻辑，由网络传输逻辑单元92控制网络接口控制器93下传控制命令、***工作状态到湿端2，上传湿端2采集及处理后的数据至笔记本电脑11。
收发换能器阵12是由多通道等间距灵敏度不同换能器组成的线阵，形成5波束笔形发射，波束宽度为4°×4°，其中一个波束为换能器辐射面中心波束，其余4个波束为与换能器阵辐射面轴向夹角为30°的对称分布4波束；收发换能器阵12为收发合置，故换能器前端带有收发转换开关10，对信号发射***6后端与信号调理***7前端进行隔离。
本发明的收发换能器阵12安装在船龙骨下方或者舷侧，为了保证探测效果，安装时，收发换能器阵12的辐射面尽量与水面平行，同时，换能器阵安装支架的前后方向需要用钢丝绳或者吊装带拉紧，以免在穿航行过程中收发换能器阵12存在剧烈的颤抖，进而影响探测效果。换能器入水前，应该用酒精擦拭收发换能器12换能器辐射面，这样可以防止收发换能器12入水后辐射面与水之间存在气泡，进而影响探测效果。换能器安装吃水深度一般不应深于船龙骨的深度，以免在船靠岸时换能器辐射面接触水底，造成换能器的损坏，同时，换能器安装吃水深度不能过浅，以免在船航行过程中剧烈的升沉导致换能器辐射面露出水面，造成换能器损坏。收发换能器12壳体有标志换能器前波束方向的标记，安装时需要将前波束朝向船航行的方向。
实施方式一：
笔记本电脑11上运行的实时显控软件通过网络接口43将设置的工作参数和控制命令传送至信号产生***5上的用于接收命令和产生信号的第一逻辑单元51和信号采集与处理***8上的用于接收命令与数据采集的第三逻辑单元82，控制命令包括：启动命令、停止命令，工作参数包括：发射信号形式、脉冲长度、探测功率、探测周期、TVG起始时刻、AGC码、采样起始时刻、采样时间长度；中央逻辑控制单元91控制产生整个***的同步组合逻辑，包括控制信号产生***5的探测周期、信号采集与处理***8的采样同步、网络接口控制器93的数据上传同步。
信号产生***5上的用于接收命令和产生信号的第一逻辑单元51接收到笔记本电脑11通过网络接口控制器93发出的控制码，进行解码得到相应的控制指令，根据控制命令实时计算探测信号并存储至第二高速存储器83，同时接收来自中央逻辑控制单元91同步控制信号，产生对应的脉冲信号，传送至功率放大器61对信号进行功率放大，放大后的信号进入收发换能器阵12之前经过阻抗匹网络62，其作用是利用匹配网络电路与换能器阵12进行很好的匹配，从而达到最佳的发射效率。
运行笔记本电脑上11实时显控软件，然后***上电，信号产生***5和信号采集与处理***8分别装载程序，网络传输逻辑单元92控制网络接口控制器93主动连接显控软件，***连接成功后，进行参数设置。探测信号三种可选，发射声功率连续可调。CW探测脉冲长度连续可调，LFM信号脉冲长度(1ms、2ms、4ms、8ms)四种可调。探测周期(0.5s、1s、2s、4s)四档可调。笔记本电脑11上运行的实时显控软件实时显示从数据采集与处理***8通过网络接口控制器93传送来的鱼群大小、方位、密度，鱼种类、大小，对底速度等解算到的信息。
实施方式二：在实施方式一的基础上，笔记本电脑11上运行的实时显控软件对姿态传感器31数据进行采集。由于测量过程中载体存在横摇、纵摇、升沉的变化，姿态数据可以对测得鱼群方位进行修正，获得高精度的鱼群方位，同时对对底回波数据进行校正，获得高精度的对底测速结果。
实施方式三：在实施方式一的基础上，笔记本电脑11上运行的实时显控软件对GPS定位***32数据进行采集。GPS定位数据可以在测量过程中为载体提供导航及测线规划，保证全覆盖探测，同时记录测量区域精确位置信息。
实施方式四：在实施方式一的基础上，笔记本电脑11上的实时监控软件采集辅助设备3数据，包括姿态数据31、GPS32定位数据，利用GPS信息对姿态的艏向进行补偿，提高姿态传感器31艏向数据输出的精度，进一步提高鱼群探测及对底测速精度。
经过以上的操作过程，完成了高效率，高精度，更准确的分析鱼群密度、种类和对底速度的一种五波束探鱼仪。

Claims (3)

1.一种五波束探鱼仪，包括干端(1)、湿端(2),干端(1)由笔记本电脑(11)、转接盒(4)组成；湿端(2)由信号产生***(5)、信号发射***(6)、信号调理***(7)、信号采集与处理***(8)、中央逻辑单元(9)、换能器阵(12)组成；转接盒(4)为五波束探鱼仪的干端(1)、湿端(2)之间的电信号连接提供接口，其特征是：换能器阵(12)是收发合置，收发转换开关(10)连接到换能器阵(12)前面，收发换能器阵(12)是由等间距多通道灵敏度不同换能器组成的线阵，通过放大、滤波、匹配后的信号进行相移处理形成换能器辐射面中心波束、与相控换阵能器辐射面法线成30°夹角的斜正交结构的4个波束，共5个波束，波束宽度4°×4°；笔记本电脑(11)、转接盒(4)、中央逻辑单元(9)、信号产生***(5)、信号发射***(6)、收发转换开关(10)、收发换能器阵(12)依次电信号连接；收发换能器阵(12)、收发转换开关(10)、信号调理***(7)、信号采集与处理***(8)、中央逻辑单元(9)、转接盒(4)、笔记本电脑(11)依次电信号连接。
2.根据权利要求1所述的五波束探鱼仪，其特征是：加入辅助设备姿态仪(31)，姿态传感器(31)电信号连接到转接盒(4)。
3.根据权利要求1或2所述的五波束探鱼仪，其特征是：加入辅助设备GPS定位***(32)，GPS定位***(32)电信号连接到转接盒(4)。
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