全方位数字宽带多波束渔用声呐研制

针对远洋渔业捕捞作业过程中对于高效、高精度探测扫海的需求,该研究结合全方位数字宽带多波束技术具有长距离、高分辨率目标探测的特点,采用宽带技术和多波束技术抑制界面混响、体积混响的干扰,及提升探测目标分辨率,提出一种基于可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的分布式信号处理系统架构,实现多个扇区独立探测扫海,通过水声学理论仿真分析方法,确定影响系统性能的换能器阵尺寸、最大探测距离和最优工作频点3个主要参数之间的相互制约关系,并结合国内典型渔船现状确定渔用声呐关键参数,优选探测信号频段为20~30 kHz。进一步分析噪声、界面混响、体积混响对探测性能的影响,采用基于FPGA的“并行+串行”宽带波束成形实现算法方案,使运算过程中片上存储资源使用量降低90%;采用Delta-Sigma调制技术提升发射信号信噪比,将20~30 kHz内的噪声调整到50 kHz以上频段;提出基于两点递推插值一步预测的波束稳定改进算法,实现在渔船大幅度摇摆下实时波束稳定误差小于1.6°(-0.8°~+0.8°)。研制渔用声呐圆柱型换能器阵、高集成度接收机和发射机、256通道多通道信号处理机等核心部件,并进行系统集成,最终系统实现256个独立的接收和发射通道,支持20~30 kHz频段信号,具备水平360°全方位及垂直近70°的扫描探测能力。选择远洋围网渔船进行海上试验,结果表明:系统性能稳定,环境目标探测结果清晰连续,对目标强度为0 dB鱼群的探测距离达到1550 m以上。所研制的全方位数字宽带多波束声呐关键指标满足海洋渔业捕捞场景需要,可大幅度提升渔业捕捞探测性能,为下一步大规模自主量产奠定基础。

宽带分裂波束探鱼仪相位校准与方位角估计模块的实现

宽带分裂波束探鱼仪在渔业资源调查中有着广泛应用,其方位角估计精度决定了能否准确确定目标鱼群的方向和位置。为了提高方位估计的精度和效率,提出了一种基于改进的正交数字下变频技术的相位校准算法,对该算法进行了仿真,并基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现了该算法;然后采用Vitis HLS平台构建了方位角估计知识产权(IP)核,在提高方位角估计精度的同时降低了浮点计算时延;最后用信号发生器进行了测试。结果显示:模块的方位角估计误差不超过0.05°,整体计算延迟不超过420 ns,逻辑资源消耗不超过45%,与系统指标相符。该研究成果已成功应用于宽带分裂波束探鱼仪中,显著提升了系统精度和性能,并产生了一定的经济效益。

宽带分裂波束探鱼仪目标方位估计方法

目标方位估计是分裂波束探鱼仪的主要任务。常用的宽带目标方位估计方法包括互相关、互功率谱和自适应滤波。探鱼仪回波中存在大量目标,当鱼体目标回波时间间隔较小造成回波重叠时,这类方法会产生较大误差。本研究针对使用线性调频信号的宽带分裂波束探鱼仪,分析了信号时延对脉冲压缩结果的影响,提出一种利用脉冲压缩相位进行目标方位估计的方法,并给出理论推导。该方法运算量小,易于工程实现。仿真结果表明:该方法在目标间距不小于脉冲压缩距离分辨率时,仍然可以获得较为准确的方位估计;该方法与常用的互相关、互谱法相比,有更好的抗噪声能力。

罗非鱼声控投饵方法

鱼类的摄食活力可以用摄食过程发出的声音直接测量。本研究通过构建声学监测平台,应用带宽1 Hz-470 kHz,在40 kHz以下自由场电压灵敏度级-217 dB(基准值为1 V/μPa)的水声检测设备,采集罗非鱼摄食过程中产生的声信号,分析其摄食活力。研究表明,罗非鱼摄食时发出的声音在0-6 kHz可区分于背景噪声,其声功率与摄食活力呈正相关。声功率移动平均值反应鱼摄食活力趋势,可作为食欲反馈,结合生长模型和投喂模型可以组成投饵策略。

多波束深水网箱声学监测仪的研究

研究了一种声学监测设备,使网箱养殖者能在海水能见度较低时实现对鱼群的实时监测,进而掌握深水网箱中鱼群的生存状况。该声学监测仪由7个独立通道构成,能同时输出探测图像并通过监测仪的评估软件对数据进行分析。试验结果表明该设备能够对深水网箱中的生物量进行估计,可用于鱼类生长情况研究并监测鱼群的逃逸情况。

AD8310在网箱声学监测中的应用

分析了网箱声学监测系统接收信号的特点,研究了利用对数放大器AD8310进行动态信号压缩的方法。给出了AD8310的工作原理,并将其应用于网箱声学监测系统中,设计了相应的电路,最后给出了对数压缩后传播损失补偿的计算方法。

基于线性调频(LFM)信号的单体鱼类目标回波识别与性能分析

在估计鱼类目标强度时,需要选择单体的回波信号进行计算。窄带信号下回波的相位标准差是单体检测的关键指标,但对于宽带信号相邻两点的相位差是时变的,无法将回波相位标准差作为单体信号的判定依据。本研究对线性调频宽带信号下的单体识别方法和性能进行了分析和仿真,并对该方法在消声水池内进行了测试和验证。结果显示:相比窄带信号,宽带信号的距离分辨能力与其带宽成正比,随着带宽提高,宽带信号探测的距离分辨率也相应提高,具有更好的单体目标识别性能;和单体信号回波相比,距离接近的多目标干涉回波,其回波内的短时角度变化显著增大,使用回波内角度标准差作为单体识别指标代替相位标准差能获得较好的识别性能。

基于MCGS的深水网箱自动投饵远程控制系统的设计

为提高深水网箱养殖投饵的自动化和工业化水平,设计并开发出适合深水网箱养殖投饵管理的自动控制系统。该自动投饵控制系统基于MCGS组态软件进行二次开发,采用PLC为控制核心,应用计算机与PLC进行通讯。介绍了深水网箱自动投饵系统的工作原理和系统设计框架,阐述了PLC控制系统的工作流程和程序设计,说明了基于MCGS组态软件的系统组态过程。运行试验的结果表明,系统具有性能稳定、可靠性高、人机界面友好、操作便捷等特点,实现了投饵控制、动画显示、系统状态监控、权限管理、历史数据输出、打印等功能,可以满足深水网箱集约化养殖精确投饵操作和管理等各项要求。

渔船拖网绞车张力自动控制系统设计及试验

为了补偿拖网渔船作业过程中绞车纲绳张力波动或渔船转向造成的负载不对称性,保持网具良好的开口形状,基于电液控制技术设计了拖网张力自动控制系统。对拖网曳纲张力采集方法进行了研究,采用油压力传感器间接测量拖网左右曳纲张力数据作为输入信号,传输到控制器进行逻辑运算,控制先导溢流阀调整马达溢流压力,改变绞车输出扭矩,从而驱动拖网绞车收、放来控制左右曳纲张力,达到系统动态平衡。并基于实验室虚拟仪器工程平台(laboratory virtual instrument engineering workbench,Lab VIEW)对系统软件进行了设计,实现绞车张力控制系统的参数设置与控制管理。为了验证系统的张力控制特性和实用性,对系统进行了海上应用试验,在张力自动控制模式下,拖网绞车根据渔船航速和水流自动调节收放网速度,减少作业过程中曳纲张力波动。拖曳过程中拖网曳纲长度范围为350~490 m,绞车曳纲张力范围为118~148 k N,对应系统压力为2.3~2.7 MPa,渔船平均拖速为5.6节。试验结果表明,左右曳纲张力差在合理范围内,系统能很好调节曳纲张力大小,为渔船安全生产提供了保障;启用张力控制系统后网口面积比未使用张力控制系统前增大了9.5%,有效调整了网口扩张,提高了捕捞效率。

自动投饲船及其测控系统的设计与开发

为解决对虾养殖中人工投饲强度大、劳动力成本高等问题,进行了自动投饲船的研究开发。设计了一种采用蓄电池的电动投饲船及测控系统。投饲船沿池塘四周航行,同时投放饲料。船体采用双体船结构,推进装置为两台对称布置的螺旋桨推进器。测控系统用于航行轨迹和航向测量、数据传输及航向控制。测距传感器测量投饲船与池塘堤岸的距离,从而确定投饲船的航行轨迹。电子罗盘测量投饲船航行方向。通过调整两个推进器的转速差来控制航向和航速。安装在船上的投料机执行饲料投放工作。样机试验表明,该投饲船运行稳定,测控系统获取的信息可上传至上位机,用于监控投饲船的工作过程。

基于声学方法的水产养殖投饲反馈技术研究进展

目前水产养殖常用的投饲方法是定时定量投喂,往往导致投饲不足或过量。通过监测养殖对象摄食状态为投饲控制提供有效反馈信息,能够根据养殖对象食欲实时调整投饲量,满足摄食需求并减少饲料浪费。声学方法由于其固有的物理特性可以在浑浊水体中测量养殖对象摄食状态。本文介绍了残余饲料检测、鱼群空间分布监测和摄食声音监测这3种基于声学方法的投饲反馈技术,总结了近30年来国内外研究进展,对不同反馈技术的特点和问题进行了分析,并提出声学方法需要与其他反馈技术和投饲量预估方法结合使用,以满足复杂养殖条件下精准投饲要求。

浒苔声反射特征的实验测定

以2008年夏季在中国黄海中南部海域引起绿藻暴发的主要种类浒苔(Enteromorpha prolifera)为研究对象,在消声水池内利用经过校正的、工作频率为70kHz的Simrad EY500回声探测-积分系统对其声反射特征进行测定,根据浒苔的回声积分等测定值建立了浒苔声反射强度与浒苔密度关系的定量表达式。实验结果显示,浒苔是有效声散射体,其体积反向散射强度(Sν,dB)与浒苔密度(ρ,g/m3)之间的关系为Sν=17.31gρ-95.9,与鱼类目标强度和体长关系具有类似的表述模式。结果证实渔业声学原理和现行渔业声学仪器、方法同样适用浒苔的探测,水声技术可成为下沉浒苔快速监测的有效手段。实验同时显示,浒苔的声散射特征具有其特殊的复杂性,这可能与其可通过光合作用产生气体(氧气)有关。因此,若欲利用声学方法对下沉浒苔资源进行定量评估调查,需对浒苔的生理生化特征进行同步观测研究。

基于．NET的池塘养殖数字化管理系统

为了促进水产养殖健康发展,基于.NET Framework技术作为开发环境,Access作为后台数据库开发了一套池塘养殖数字化管理系统,并对系统进行了硬件架构和软件设计。硬件架构由水质监测与管理系统、自动投饵系统和投喂决策系统组成。根据测量的水温、溶氧量和酸碱度等信息,结合鱼类生长需要形成合理的投喂量和最佳的投喂时间,实现池塘养殖数字化管理。应用试验表明,系统能够对养殖水体进行实时监测和控制,达到精准投喂,系统平均降低饲料系数20%,提高摄食量1.5～2.0倍。

基于信息化水环境监测的养殖水体调控技术

对养殖水环境进行生态调控是环境友好型渔业发展的关键,应用信息化监测技术,是提高调控效能的重要技术手段。本文回顾、总结了池塘养殖生态调控技术发展的主要历程,系统概述了国内外不同养殖水环境调控技术的研究进展;从不同调控方式的主要作用和不同调控手段的技术特点等方面详细介绍了池塘生态调控技术的主要实现方式,并从信息收集、处理、应用三个主要方面,分析了养殖水体调控技术存在的主要问题。归纳总结了信息化养殖水环境调控的技术特点,指出信息化水环境监测技术在养殖水体的自动信息收集、智能信息处理、精准控制输出等方面重要作用,并从学科发展趋势和应用需求的角度出发,提出信息化养殖水环境调控技术实现难点和未来发展趋势。

养殖水质在线监控的系统集成技术

应用多参数水质传感器、PAC场控制器、IEEE 802.15.4无线传感器网络、CAN现场通信网络等技术进行系统设计,创建低成本、高效率、性能匀称、可扩充系统的水产养殖水质测试和水质调控的集成系统。认为推广普及规范化的水质监控手段,对促进水产养殖的科技进步和产业升级,实现水产养殖业增长方式转变有积极的意义。指出在现阶段发展我国的"数字化"养殖水质监控系统时,要注意现场设备的数字化、智能化、多功能化、网络化,开发低价位性能可靠的数字化水质传感器,提高信息的共享性和发挥养殖水质数据的应用价值。

水产养殖自动化系统的防雷保护技术

雷电引发脉冲电磁场对微电子器件设备造成侵害已成为水产养殖自动化系统损坏的主要原因之一。经对系统的现场实际情况和雷电入侵途径分析,提出了直击雷、雷电感应和雷电波的防护措施。对控制房和DCS柜采用避雷针、独立针的直接雷防护;系统电源分别采用箱式电源避雷器、电源避雷器、模块式电源避雷器作为三级电源保护,减少LEMP雷电电磁脉冲辐射;计算机网络与等电位地网间设置低压避雷器或火花隙,防止信号干扰和避免地电压反击;根据传输速率、工作电平、特性阻抗等,选择通信线路的信号防雷保护器的参数和型号。

集中式养殖水质在线监测系统测量误差影响因子分析

集中式养殖水质在线监测是目前池塘养殖应用比较广泛的水质检测技术之一,但由于检测方式发生改变,被检测水体经过管道输送后,水质参数可能发生变化,造成额外误差。利用对比试验,以直接采样方式获得的水质数据作为参考值,通过对比分析不同采样管路下的水质数据,证明取样管道长度对pH值、氧化还原电位(ORP)等水质指标检测结果影响不明显,对温度、溶氧(DO)等水质指标检测结果有一定影响;设备连续运行时间长短对温度、pH等水质指标检测结果影响不明显,对DO、ORP有明显影响。在此基础上提出,采用集中式水质在线监测系统,当水泵功率在300 W左右时,最佳采样距离不要超过80 m。

养殖水体水质的神经网络预测模型研究

以池塘养殖水体常规水质指标作为训练样本,在分析传统水质预测模型的基础上,构建神经网络水质预测模型。运用改进的BP算法对在线监测的水质指标进行分析、分类和预测,确定水质指标与其影响因子间的非线性关系,研究养殖水体水质指数变化梯度和分布规律,同时对水质状况进行模糊判别,为养殖生产提供预警控制,并对不同情况下的输出结果做出了比较。结果表明:该网络具有较好的泛化能力,预测平均误差在3%以内,实现了水质指标的准确预测和判别,收敛速度快,具有较好的实用性和较高的预测精度,基本满足环境管理的需要。

金枪鱼电浮标卫星通讯与数据压缩实现

针对目前海上渔船与流放在海面的浮标远距离通讯传输时存在信息易丢失、通讯费用高以及数据显示终端不够友好等诸多问题,对卫星通讯终端(IDP)的数据结构与哈夫曼压缩算法展开研究。采用图像分级式哈夫曼编码压缩方法,利用卫星信号收发服务器提供中转,对卫星回传的40组典型数据进行编码解码试验。结果显示,通讯数据流量最高压缩比达到0.58,平均节省通讯成本40%,客户端人机界面友好,实现卫星定位与浮标各项参数的实时显示,控制命令延迟时间仅为5 s。最终将压缩算法部署在卫星通讯终端并实时接收远程数据后,控制命令收发数据包完整、无丢帧,声呐探测图像清晰可辨,数据包压缩效果显著,达到了预期效果。此浮标已经应用至南海部分金枪鱼围网渔船,渔船可以通过船载客户端与浮标实现有效通讯并实时接收金枪鱼鱼情信息,通讯成本在可接受范围内。

标准化池塘养殖集中智能控制系统设计与应用

水产养殖是我国渔业主要生产方式，其产量占水产总量的70％，而池塘养殖产量又占中国水产养殖总量的80％。随着我国池塘养殖面积和产量的大幅度提高，生产劳动力和生产成本相应地大幅增加，日常生产管理反映出如下几方面的问题：一是养殖面积大，生产人力严重不足，增氧和饲料投喂虽然全部使用增氧机和投饵机，但每次鱼塘增氧机和投饵机全部人工开关一次的轮循时间较长，结果造成每个鱼塘每次投喂时问和投喂量各不相同，人力很难精确控制，效率低下，费时费力。