CN1959434A - 多波束超声波探鱼仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波束超声波探鱼仪，其结构包括水上分机、换能器阵和收发切换开关；其中，水上分机主要由工控机、信号产生***、信号发射***、信号调理***、信号采集与处理***、显示器和存储器组成；它利用多通道换能器阵提高了接收回波强度，能够获得更丰富更准确的鱼群和海底地形、地貌等信息，提高了捕捞的准确性和工作效率，并提高了与船航行安全保障能力。可广泛用于海洋和内陆湖泊江河的渔业开发、资源普查及其它探测任务。

Description

多波束超声波探鱼仪

技术领域

本发明涉及的是一种宽扇面鱼群信息高效获取的多波束超声波探鱼仪。

背景技术

在渔业开发中，为了减小捕捞的盲目性，提高经济效益，基本所有的各大、中、小型渔船上都普遍安装了探鱼仪设备。目前，在国内外能够查阅到的关于探鱼仪的资料、专利以及产品，涉及的基本都是围绕垂直式单波束探鱼仪开展的设计与应用。这种原型诞生于上个世纪50年代的探鱼仪的出现曾经给世界海洋渔业带来一次革命，但是在对海洋渔业更加依赖的21世纪，它们的缺陷与不足已日趋显现。

垂直式单波束探鱼仪的工作原理为：采用向渔船正下方单波束发射探测超声波，然后再以单波束接收鱼群及海底回波，从而判断鱼群的有无、大小和种类，并且能够附带给出海底的深度信息和地貌等信息。为了增大垂直式单波束探鱼仪的探测范围、减小探测盲区，要求很宽的探测波束(通常达到±40°左右)，而为了实现更远的探测距离，同时要求很高的发射功率，这两者是一个矛盾；单波束探鱼仪还有一个缺陷：不能分辨出鱼群的厚度和宽度，这给张网捕捞带来困难；并且，利用单波束探鱼仪设备，为了提高发现鱼群的概率，还必须缩小渔船搜索的间隔，这种低的探鱼效率直接导致了渔业开发成本的提高。这三方面的限制决定了垂直式单波束探鱼仪已经不适合当前海洋渔业开发所需的能够高效获取宽扇面内的鱼群信息的迫切需求。

我国是海洋大国，海洋中丰富的鱼类资源是满足我国人民生活需要和发展经济的重要支柱。但我国却不是渔业强国，年均渔业产量与渔业强国日本、美国、挪威等差距较大。其原因除了我国渔业资源捕捞的无计划性、不够科学之外，最重要的原因就是我国的助渔器械落后。据日刊《MINATO》报道，2005年日本古野电气公司已开发出可精确测定鱼体长的探鱼仪(FCV-30)，由于牵涉商业机密，难以获取其相关技术与实施细节。该探鱼仪的开发成功，将使捕捞大鱼等在选择资源作业上成为可能，并可灵活应用于以渔场管理为目的的海洋资源调查等各个方面。另据《中国水产科学》、《水产学报》等国内权威期刊发表的文章指出，近年来，我国周边国家装备有上述先进助渔设备的渔船频频深入我国传统渔场，采取快探、快捕，捕完就跑的策略，严重影响了我国渔业生产。时而发生的我国装备落后的渔船跟在国外渔船的后面捕鱼的现象，从另一个方面也反映出我国渔船现有单波束探鱼仪技术和设备的落后。如果将探鱼仪比作渔船海上生产的眼睛，高性能的探鱼仪则使渔船带上望远镜和显微镜，它不仅能探知是否有鱼，还具有鱼群的宽度与厚度的正确判断能力，以及识别鱼的大小和种类的功能，是关系到我国渔业生产能否丰收的最重要设备之一。由于进口国外高性能探鱼仪的价格昂贵，种种客观事实清楚表明我国渔业生产、养殖、调查对自主知识产权的先进探鱼仪技术与设备的强烈需求。

发明内容

本发明的目的是为海洋渔业的低成本、高效率开发提供一种多波束超声波探鱼仪，利用多通道换能器阵提高了接收回波的强度；解决了鱼群的宽度与厚度的正确判断问题，大大提高了捕捞准确性；而且增大了渔船的单次搜索鱼群范围，大大提高了捕捞效率；由于具有了多波束形成的功能，对海底地形信息的获取能力也大大强于传统的单波束探鱼仪，这还进一步提高了对渔船航行安全的保障能力。

本发明多波束超声波探鱼仪的***组成包括：水上分机(1)、换能器阵(2)以及收发切换开关(21)。

水上分机(1)控制整个***的运行、信息的实时显示及存储。它以一台嵌入式工控机(3)为主，结合了信号产生***(4)、信号发射***(5)、信号调理***(6)、信号采集与处理***(7)、显示器(8)以及存储器(9)。其中，工控机(3)、信号产生***(4)、信号发射***(5)与收发切换开关(21)依次电信号连接；收发切换开关(21)与信号调理***(6)、信号采集与处理***(7)、工控机(3)、存储器(9)依次电信号连接；工控机(3)与显示器(8)之间电信号连接；收发切换开关(21)与换能器阵(2)相互间电信号连接。

换能器阵(2)是由等间距多通道换能器组成的均匀线阵，其通道数取决于探测指标的要求。其结合收发切换开关(21)，在发射探测信号时，将电信号转换为声波发射出去，而在接收目标回波时，将声信号转换为电信号，传给水上分机(1)。

信号产生***(4)的任务是接收嵌入式工控机(3)的工作参数和控制命令，并产生探测脉冲波形，其组成包括：DSP数字信号处理器(10)、PCI接口控制器(11)、FLASH闪存(12)、存储器(13)、数模变换器(14)以及波形整形器(15)。其中，PCI接口控制器(11)、DSP(10)、数模变换器(14)与波形整形器(15)依次电信号连接；FLASH(12)、DSP(10)与存储器(13)之间依次电信号连接。

信号发射***(5)完成探测脉冲信号的功率放大和发射，由依次电信号连接的功率放大器(16)和与换能器阵(2)进行匹配的阻抗匹配器(17)组成。

信号调理***(6)完成对由换能器阵(2)所获得的多通道目标回波进行调理，组成包括依次电信号连接的模拟预处理放大器(18)、后置放大器(19)和带通滤波器(20)。

信号采集与处理***(7)的任务是完成对信号调理***(6)送来的信号进行采集和处理、接收嵌入式工控机(3)给出的控制命令并实时装载***、产生协调整个***工作的同步信号、获得水下鱼群、海底地形及地貌等信息，其构成包括：PCI接口控制器(22)、高速存储器(23)、总线接口(24)、***中央逻辑控制器(25)、模数变换器(26)、数模变换器(27)、乘数模变换器(28)、DSP(29)、包括2个DSP的DSP组(30)、包括3个DSP的DSP组(31)，以及包括6片和6个DSP一一对应的FLASH组(32)。其中，PCI接口控制器(22)与***中央逻辑控制器(25)、总线接口(24)、高速存储器(23)之间依次电信号连接；PCI接口控制器(22)又与DSP(29)、DSP组(30)、DSP组(31)之间依次电信号连接；FLASH组(32)又分别与DSP(29)、DSP组(30)、DSP组(31)相互间电信号连接；DSP(29)又分别与总线接口(24)、模数变换器(26)、数模变换器(27)、乘数模变换器(28)之间电信号连接。

各部分的作用分别说明如下：

在嵌入式工控机(3)上运行的***实时显示控制软件，通过PCI总线，利用鼠标或键盘分别输入工作参数和控制命令至信号产生***(4)上的DSP(10)和信号采集与处理***(7)上的DSP(30)，控制命令包括：启动命令、暂停命令、停止命令，工作参数包括：脉冲长度、发射功率级、探测周期；还可以实时显示从数据采集与处理***(7)传送来的鱼群、海底地形、地貌等信息。并将这些信息存入存储器(13)。

DSP(29)负责嵌入式工控机(3)传送的控制命令和工作参数的接收、产生采样脉冲、通过乘数模变换器(28)控制信号调理***(6)中的后置放大器(19)，控制信号采集与处理***(7)：通过模数变换器(26)进行回波信号采集、控制数模变换器(27)实时监测回波信号质量及模数变换器工作状态、控制信号变换DSP组(30)对原始采集信号进行变换处理、控制信息解算DSP组(31)进行鱼群、海底地形及地貌等信息的解算、控制***中央逻辑控制器(25)产生***同步信号、通过总线接口(24)存储原始采集信号至高速存储器(23)。DSP(29)、DSP组(30)、DSP组(31)各自的数据、算法和程序存储在各自对应的FLASH组(32)中。

***中央逻辑控制器(25)给出***的同步信号、产生信号采集与处理***(7)上数据传输以及存储原始数据至高速存储器(23)的所需的各种时序组合逻辑，以及产生工控机(3)通过PCI接口控制器(22)访问高速存储器(23)的读写逻辑。

总线接口(24)不仅完成了嵌入式工控机(3)和DSP(29)访问高速存储器(13)的信号切换，避免了总线冲突，而且还完成了总线信号的驱动。

DSP(10)接收由嵌入式工控机(3)通过PCI接口控制器(11)传送给信号产生***(4)的命令控制码，进行相应解码得到命令控制指令，进行相应的探测信号实时计算并存储至高速存储器(13)，接收来自信号采集与处理***(7)上的中央逻辑控制器(25)给出的***同步信号，DSP(10)中运行的信号产生算法存储在FLASH(12)中。产生的信号是200千赫兹的单频填充脉冲信号，传输给波形整形器(15)进行滤波等整形处理，然后经过功率放大器(16)进行功率放大，在功率放大器(16)和换能器阵(2)之间还有阻抗匹配器(17)，其功能就是利用匹配电感与换能器阵(2)很好的匹配，从而得到更高的电-声转换效率。

信号调理***(6)中的模拟预处理放大器(18)，具有高输入阻抗、低输出阻抗和很高的增益带宽积，同时还具有极低的噪声，通过前端匹配电阻与换能器阵(2)进行阻抗匹配，从而无失真地接收目标回波信号。

后置放大器(19)一方面对信号进行进一步的放大(放大倍数可调)，满足***总的放大量的要求；另一方面进行***的混频处理，将高频窄带回波信号调制到低频段方便进一步的采集与处理。

带通滤波器(20)是利用运算放大器构建的有源二阶带通滤波器，在信号接收频带内起伏较小，通带内外的抑制比达到40dB。

收发合置换能器阵(2)采用8个陶瓷窄条晶片拼接组成。形成8°×60°的发射指向性，以及8°×2.5°的接收指向性。

本发明的工作原理是：

多波束超声波探鱼仪安装在水面渔船上，换能器阵(2)位于水下。当渔船在作业海区内开始搜索鱼群时，多波束超声波探鱼仪以主动的方式开始工作。接通***的电源，根据作业海区的大致情况，通过显示控制软件设定***的工作参数，并装载入***，然后启动***开始工作。信号产生***(4)产生频率为200千赫兹的CW脉冲，通过信号发射***(5)放大，经由换能器阵(2)把电信号转换成声信号发射到水中传送出去，发射出去的声波经由目标反射(散射)回来，换能器阵(2)把接收到的声信号转换为电信号，传送给信号调理***(6)，继而将调理后的信号送至信号采集与处理***(7)进行采集和处理，从而获取探测范围内的鱼群、海底地形和地貌等信息，并经由PCI总线传给工控机(3)，在显示器(8)上实时显示出观测到的各种信息，同时将这些信息存入存储器(9)。

本发明的优点是：能够获得更丰富更准确的鱼群、海底地形和地貌等信息，提高了探鱼仪***的空间分辨能力。可广泛用于海洋，或者内陆湖泊的渔业开发，渔业资源普查及测深等其他目标的探测任务。

附图说明

图1多波束超声波探鱼仪的结构原理框图

图2多波束超声波探鱼仪的分***结构框图

图3多波束超声波探鱼仪的信号采集与处理***的电路原理图

具体实施方式

该发明的换能器阵(2)安装在船龙骨下方或者舷侧，为了保证探测效果，安装时，换能器阵(2)的中轴线尽量与水面平行。从减少航行噪声(机械传导噪声和螺旋浆噪声)、减少或避开气泡层等方面考虑，换能器阵(2)尽量选择在船舶航行时产生水花最小及船体颠簸、摇摆幅度也最小的地方，一般在离船艏三分之一至五分之二的位置，而且吃水深度不应超过龙骨的深度。为了利用8°的航行方向波束宽度覆盖更大的探测区域，并且为了给张网捕捞留出更多的准备时间，基阵面与水平面成一锐角放置，指向船行方向。DSP(10)采用的是美国TI公司的TMS320VC5416-160MHz，PCI接口控制器(11)采用的是TI公司的PCI2040，数模变换器(14)采用的是AD公司的AD7945，模拟预处理放大器(18)采用的是AD公司的AD8066，PCI接口控制器(22)采用的是AMCC公司的S5933，总线接口(24)采用的是TI公司的SN74LVTH16245，***中央逻辑控制器(25)采用的是ALTERA公司的EPM3512，模数变换器(26)选用的是AD公司的AD7865，FLASH组(32)采用的是ATMEL公司的AT25F1024。

由220V AC或48V DC给***上电后，信号产生***(4)和信号采集与处理***(7)分别引导程序，进入待机状态，启动水上分机(1)内的显示控制软件，进行参数设置。发射声功率(标准、强)两档可调，探测脉冲长度(0.25ms、0.5ms、1ms、2ms)四档可调，探测周期(0.25s、0.5s、1s、2s)四档可调。

完成工作参数设置后，按启动命令使多波束超声波探鱼仪开始工作，工作流程为：信号产生***(4)按照设定的工作参数产生对应的探测信号，通过信号发射***(5)以一定的功率发射出去。信号调理***(6)在信号发射***(5)的探测信号发射完毕后开始接收。同时，信号采集与处理***(7)开始采集，然后送入采集控制DSP(29)、信号变换DSP组(30)、海底地形及地貌等信息解算的DSP组(31)进行信息处理，解算获得鱼群、海底地形、地貌等信息，通过PCI接口控制器(22)传送至嵌入式工控机(3)，并在显示器(8)上显示出来，同时存入存储器(9)。

本发明的优点是：能够获得更丰富更准确的鱼群、海底地形和地貌等信息，提高了探鱼仪***的空间分辨能力。可广泛用于海洋，或者内陆湖泊的渔业开发，渔业资源普查及测深等其他目标的探测任务。

Claims (6)

1.一种多波束超声波探鱼仪，其结构包括水上分机(1)、换能器阵(2)和收发切换开关(21)，其特征在于水上分机(1)由工控机(3)、信号产生***(4)、信号发射***(5)、信号调理***(6)、信号采集与处理***(7)、显示器(8)和存储器(9)组成；其中，工控机(3)、信号产生***(4)、信号发射***(5)与收发切换开关(21)依次电信号连接；收发切换开关(21)与信号调理***(6)、信号采集与处理***(7)、工控机(3)、存储器(9)依次电信号连接；工控机(3)与显示器(8)之间电信号连接；收发切换开关(21)与换能器阵(2)相互间电信号连接。

2.如权利要求1所述的多波束超声波探鱼仪，其特征在于信号产生***(4)由DSP数字信号处理器(10)、PCI接口控制器(11)、FLASH闪存(12)、存储器(13)、数模变换器(14)和波形整形器(15)组成；其中，PCI接口控制器(11)、DSP(10)、数模变换器(14)与波形整形器(15)依次电信号连接；FLASH(12)、DSP(10)与存储器(13)之间依次电信号连接。

3.如权利要求1所述的多波束超声波探鱼仪，其特征在于信号发射***(5)由依次电信号连接的功率放大器(16)和阻抗匹配器(17)组成。

4.如权利要求1所述的多波束超声波探鱼仪，其特征在于信号调理***(6)由依次电信号连接的模拟预处理放大器(18)、后置放大器(19)和带通滤波器(20)组成。

5.如权利要求1所述的多波束超声波探鱼仪，其特征在于信号采集与处理***(7)由PCI接口控制器(22)、高速存储器(23)、总线接口(24)、***中央逻辑控制器(25)、模数变换器(26)、数模变换器(27)、乘数模变换器(28)、DSP(29)、DSP组(30)、DSP组(31)和FLASH组(32)；其中，PCI接口控制器(22)与***中央逻辑控制器(25)、总线接口(24)、高速存储器(23)之间依次电信号连接；PCI接口控制器(22)又与DSP(29)、DSP组(30)、DSP组(31)之间依次电信号连接；FLASH组(32)又分别与DSP(29)、DSP组(30)、DSP组(31)相互间电信号连接；DSP(29)又分别与总线接口(24)、模数变换器(26)、数模变换器(27)、乘数模变换器(28)之间电信号连接。

6.如权利要求1所述的多波束超声波探鱼仪，其特征在于换能器阵(2)是由等间距多通道换能器组成的均匀线阵，其通道数由探测指标的要求决定。

Images