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。

宽带多波束渔用声呐显控系统设计及关键技术研究

针对宽带多波束渔用声呐实时探测数据量大、处理数据慢等特点,设计了一种宽带多波束渔用声呐显控系统。该系统采用控制层、显示层和数据层3层架构设计,运用多线程技术实时处理数据,并采用多种插值方法实现声呐图像可视化。经过试验对比分析,声呐图像采用双立方插值算法其PSNR值为29.36 dB,可视化效果较好。为进一步提高声呐图像分辨率,采用中值滤波、均值滤波、双边滤波及高斯滤波算法对声呐图像进行去噪效果对比,其PSNR值分别为29.67 dB、28.66 dB、27.64 dB、28.09 dB,结果表明,中值滤波算法去噪效果较好。通过反复试验和论证,本系统可实时高效探测目标信息,可作为宽带多波束渔用声呐设备的显控软件,具有较强的实用价值。

远洋渔业多波束声呐主机高效散热设计与验证

为了解决多波束渔用声呐主机在远洋渔船高温、高湿环境下工作时面临的散热问题,该研究从多波束渔用声呐主机的散热分析出发,运用传热学和结构设计的相关理论,对渔用声呐主机进行了热设计。首先运用系统分析法对声呐主机整个散热过程中的结构和散热方式展开研究;然后,利用热仿真软件对声呐主机的散热过程进行仿真,对比信号处理机在不同风道设计方案下声呐主机的整机温度的变化,多款散热风扇对整机散热效果的影响,在不同环境温度下(20、30、40、50℃)声呐主机的散热能力,以及热设计前后的温度分布;最后,搭建了声呐主机散热测试平台,验证声呐主机的真实散热能力。结果表明,强迫对流与自然冷却结合的散热方式可以解决声呐主机的热量堆积问题。仿真结果表明,4条风道的设计可作为声呐主机的散热方案,选用的FFB0612SHE和FFB0612EHE散热风扇符合声呐主机的散热要求,通过热设计可使声呐主机的温升控制在25℃以内,热量堆积现象大幅改善。散热试验结果表明,热设计后的渔用声呐主机散热能力大幅提升,声呐主机的温升控制在25℃以内,各板卡之间的温度控制在5℃以内,验证了仿真分析结果,在热源与主机外部环境之间形成了一条低热阻的通道。研究结果提高了声呐主机的工作稳定性,为声呐主机在远洋渔船高温、高湿环境下的正常工作提供了解决方案和理论分析方法。

基于卡尔曼滤波的多波束渔用声呐波束稳定算法仿真及实现

多波束渔用声呐是海洋渔业中不可或缺的设备,在探测鱼群方面发挥着重要作用。然而此类声呐的指向性容易受到风浪和船舶姿态的影响。为了解决这个问题,本研究建立了简化的姿态变化模型,指出了影响波束稳定误差的因素,并提出了一种基于卡尔曼滤波和数字波束形成技术的波束稳定算法:先对姿态值做滤波及插值处理,获得更平滑、采样率更高的姿态数据;再使用坐标旋转的方式对波束的目标指向进行补偿,从而实现声呐波束的稳定而精确的指向。本研究基于FPGA(现场可编程门阵列)实现了波束稳定模块。摆台模拟试验结果表明,在四级海况下,应用本模块可保证各波束指向角度最大偏差不超过±1.8°,与仿真结果基本一致。本研究已应用在多波束渔用声呐中,大大提高了渔船捕捞效率。

基于圆弧阵加权的水平全向扫描多波束渔用声呐波束成形旁瓣抑制研究

多波束渔用声呐研制中为研究波束加权对基阵方向性的影响,从常见的水平全向渔用声呐的基阵模型出发,将圆柱阵等效为多个垂直排列的圆弧阵,使用Matlab编程软件仿真了线性加权和非线性加权,对比了非线性加权中相似加权和抑制区最小功率加权对圆柱阵指向性的影响。结合现有的测试条件,在消声水池对两种非线性加权法进行了波束指向性测试。结果显示:两种非线性加权法更适合水平全向扫描的多波束渔用声呐,其中相似加权法加权过后的波束主瓣展宽较小仅约1°,旁瓣较未加权波束旁瓣降低约9 dB,对改善圆柱阵换能器的波束指向性效果较好。研究表明,可以在圆柱阵换能器中选用相似加权法来改善基阵的方向性。

水声学探测在江河鱼类资源评估中的技术分析

水声学探测已成为鱼类资源评估的重要手段之一。介绍了水声学调查的方案设计和鱼类资源量估算方法,并结合2009年冬季三峡库区水声学调查,着重阐述EY60回声探测系统的正确使用方法和Sonar5分析软件的应用,探讨水声学技术用于江河鱼类资源调查存在的不足以及应用展望,旨在为水声学设备及分析软件的正确使用提供技术参考。

双频识别声呐在鱼类资源调查中的应用进展

介绍双频识别声呐(Dual-frequency Identification Sonar,DIDSON)的工作原理、图像后处理,国内外应用领域和研究现状.通过国内外的研究实验,探讨DIDSON使用过程中影响鱼类资源定量评估、鱼类个体体长探测的重要因素及问题处理办法.在此基础之上,分析DIDSON在改善鱼类种类鉴别方面的优势.探讨DIDSON在渔业资源调查应用过程中的不足并对DIDSON在实际过程中的应用进行展望,以期对DIDSON的应用提供一些参考.

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。

电脑化浅海探鱼仪

介绍了电脑化浅海海探鱼仪的主要结构，工作原理和技术特性。所研制的电脑化浅海探鱼仪，采用８０３１单片机为核心的信号处理单元，以单色ＣＲＴ显示器显示回波映象。具有操作方便功能完善，显示直接，映象可扩展等新一代探鱼仪的先进特点，适用于近海渔场，水库等水域的捕捞探测和测深。

多波束渔用声呐作用距离预报建模及性能分析

多波束渔用声呐是海洋渔业实现高效、精准和选择性捕捞的重要工具。为了系统分析多波束渔用声呐探测性能及主要制约因素对作用距离的影响,针对圆柱形阵多波束渔用声呐,采用水声学系统仿真的方法,分别对主要为噪声和混响环境下的渔用声呐探测性能进行分析,对不同海况下噪声不同目标强度鱼群的探测性能进行比较,分析窄带系统和宽带系统降低混响的能力,并对噪声和混响混叠环境下的渔用声呐探测性能进行仿真分析;最终,从系统设计、发射方式、接收方式等多个角度提出提高渔用声呐探测性能的方法,为远距离、高分辨率多波束渔用声呐的研制提供改进的方向。

探鱼仪的映象分析

本文通过在高关水库进行的利用探鱼仪探测水体实物的试验,较为详细地分析了水中各类物体(鱼群、水中障碍物、库底、铁板、网箱、刺网、树柴等)的映象特点.文中对一些物体的映象识别方法也进行了介绍。

基于STM32的Delta-Sigma调制的鱼探仪发射机信号源设计

在鱼探仪发射机的信号源设计中提出了一种基于STM32的Delta-Sigma调制的D类软件可调幅正弦波的设计方法。采用MATLAB的DSToolbox工具箱设计了2阶过采样率为40的2值Delta-Sigma调制器,并在STM32中软件实现。分析了影响源输出的诸多因素,如死区、电源纹波、调制比;对电路设计和布板给出了建议。该方法可灵活方便地扩展设计任意波形,对于各类仪器仪表,如超声波探测仪、信号发生器、测量仪表、EMC抗干扰度模拟发生器等的信号源设计具有极大的参考价值。

圆柱阵多波束渔用声呐波束形成性能分析

圆柱阵多波束渔用声呐是海洋渔业精准捕捞的重要声学设备,可实现探测水域的全方位扫描,其波束形成能力是反映渔用声呐探测性能的主要技术指标之一。本研究从圆柱阵多波束渔用声呐波束形成能力分析出发,利用水声学算法仿真方法,分别对垂直和水平方向波束形成进行仿真,分析了幅度偏移、相位偏移及频移对圆柱阵垂直和水平方向波束形成性能的影响。结果显示:幅度和相位偏移对圆柱阵垂直和水平方向主瓣影响较小,主瓣变宽;对旁瓣影响较大,旁瓣明显增大;当偏移量在-5~15 dB时,对第一旁瓣增益影响在3 dB以内,当偏移过大时对其影响可达6 dB以上;频移对波束指向性影响较小,工作频点对波束主瓣宽度有较大影响,主瓣宽度偏差约在3°左右。本研究可为自主研制高精度、远距离圆柱阵多波束渔用声呐提供参考。

拖网曳纲渔获量自动检测装置的电路设计

一、前言目前,我国机帆渔船在海洋捕捞作业中,一般是根据渔业人员的实际经验,估计渔获量多少并决定是否起网,因此起网的盲目性很大。过早起网,网中渔获量少,生产效率降低;起网过迟,则易造成破网或丢网或由于负荷过高而损坏甲板机械。因此,在捕捞过程中,实现自动检测渔获量已成为急需解决的课题。

海洋渔业声学装备关键技术研究进展

海洋渔业声学装备在海洋渔业精准探测、高效捕捞中有着重要应用,其关键技术的改进对于装备性能提升至关重要。本研究分析了海洋渔业声学装备关键技术国内外研究现状,论述了单波束、双波束、分裂波束和多波束关键技术的研究进展,并重点阐述了近十年来多波束、多频和宽带关键技术在海洋渔业声学装备方面取得的重大进展。研究表明,国内渔业声学装备关键技术虽取得了一定进展,但与国外先进技术还存在较大差距,文章最后对国内渔业声学装备关键技术未来发展进行了展望。

分裂波束鱼探仪换能器的旁瓣级控制

从一般离散阵列的指向性计算公式出发,利用对称阵列的对称特性简化了计算公式,得出对称离散阵列的通用计算方法,并进一步推广到连续对称阵列指向性计算。利用简化公式分析了分裂波束鱼探仪换能器的指向性特性,并优化分裂波束鱼探仪换能器的阵形设计,得出其设计参数的一般取值范围。根据优化后的设计参数,研制了一款70 kHz分裂波束鱼探仪换能器。通过消声水池测试,其实测指向性与理论计算非常吻合,水平方向与垂直方向的旁瓣级均达到-20 dB以下。同时也验证了简化后的计算公式对于对称阵列的指向性计算的有效性。

基于IncoPat数据库的探鱼仪技术发展态势分析

探鱼仪是一种重要的海洋渔业探测装备,在海洋渔业精准高效捕捞中有着重要的应用前景。为快速全面的了解全球探鱼仪领域关键技术的研究进展,本研究基于IncoPat专利数据分析平台,利用专利数据挖掘并分析探鱼仪技术的申请趋势、地域分布、重点技术领域与主要申请人及申请人专利价值等,通过可视化方法展示该技术领域的创新情况与研发态势。结果表明:目前,探鱼仪技术正处于高速发展期,其专利申请主要集中在中国,国内相关科研机构、高校及企业已经意识到探鱼仪的重要潜在价值,均加大了对该技术领域的研究。尽管国内探鱼仪技术领域专利申请较多,但与渔业发达国家相比,其专利质量仍有较大差距。本研究提出了促进中国探鱼仪技术可持续发展的建议,为未来探鱼仪技术的进一步发展提供参考。

探鱼仪脉冲载波频率的测量

本文介绍采用８０３１单片微机实现探鱼仪脉冲载波频率的测量。本测量方法简单、实用，精确度较高，已广泛应用在探鱼仪的生产过程中，并取得了良好的效果。