声学渔探仪设计【文献综述】.doc

毕业设计文献综述海洋科学 声学渔探仪设计 摘要：本文首先介绍了渔探仪传统设备的发展历程，大致经历了这样的 一个阶段：声波探测、模拟技术、显示技术T声波探测、数字技术、 显示技术论述了传统和被动式渔探仪的基本原理和优缺点，并对目 前国内外目标识别技术进行了比较研究关键字：声学渔探仪 发展历程基本原理目标识别引言：随着国民经济的发展，人们对海洋资源的需求日益增加，渔 业资源的开发越来越受到重视渔探仪安装在船上，在船航行时利用 声波探测鱼群的有无、位置、大小、种类充分合理利用渔探声纳技 术逐渐成为人们的共识1渔探仪的发展历程1.1渔探仪的发展历程渔探仪的研究很早就开始了，我国70年代初期就出现了渔探仪, 在国外更早时期就出现了渔探仪的发展大致经历了这样的一个阶 段：声波探测、模拟技术、显示技术T声波探测、数字技术、显示技 术80年代一千的渔探仪在利用声波探测使，由于采用模拟技术， 发射和接受的参数均将半量程时的数据作为该量程的标准参数进行 预置，属于固定参数式，因此很难保证在整个量程范围内都能实现比 较理想的探测和显示鱼群和大鱼难以区分，尤其是在噪声杂波多的 水面附近和具有强回波海底附件时，要准确无误地判断鱼情更是难上 加难。

90年代中后期以英国雷松公司为代表的渔用系统开发商将数 字处理模块加入渔探仪中，研发了新一代的渔探仪系统，它不但能根 据海况和探测深度口动地高频率地调整输出功率、声波频率，述能口 动地无数级地调整脉冲重复频率、接受宽带、接受增益、颜色增益等 参数实现水下鱼情和海底状况真实再现，彩色画面稳定，水面附近不 再有杂波，海底轮廓真实，水中鱼儿清晰可辨2.渔探仪的基本原理2.1传统渔探仪的原理从上面的分析可以看到，这两代渔探仪都属于传统的渔探仪，传 统渔探仪的基本原理是利用鱼鳏充满空气后是声波的良好反射体，所 以从换能器发射声波短脉冲，可以接收到鱼群的回波脉冲由发射与 冋波脉冲的时间差测定距离，由记录到的冋波灰度和图形大小判断鱼 群的大小，由灰度、深度和运动规律判断鱼群的种类这种传统的渔 探仪的实质是主动声纳，工作频率一般为几十kHz到几百kHz,其缺 点作用距离短2.2被动式渔探仪的基本原理传统的渔探仪实质上是主动声纳系统,缺点是成本高、设备复杂, 作用距离近为了降低渔探仪成本、简化设备、提高作用距离，将被 动式声纳技术应用于渔探仪系统采用被动式声纳原理，利用矢量水 听器接受声场中质点的升压和振速信息，对声压和振速进行联合处 理，从而对信号的声能流值进行最大似然比检测，在最大似然比检测 的基础上声源的方位角进行估计，获得方位角的最大似然估计值。

全新概念的被动式声纳系统，它完全得益于新型传感器（矢量水 听器）技术与现代信号处理技术的有机结合被动式渔探仪是利用鱼 群本身的生物噪声特性来探测水中鱼群的方位、距离和识别其种类 由于渔探仪使用的接受系统采用压差式矢量水器，用压差代替声源的 振速信息，从而进行目标的定位2.2.1被动式渔探仪的目标识别水下目标识别是现代声纳系统与水声对抗的一个重要组成部分, 是声纳后置数据处理的一个重要环节，分为主动声纳冃标识别和被动 声纳目标是被主动声纳目标识别是利用主动声纳发射脉冲声信号， 根据接收到的回波信号的特性对目标类性作出判决，因为目标的发射 回波是冃标类型、距离、方位等的函数，包含了诸如回波展宽、幅度、 相位、发射系数、目标尺度、能谱等表征目标的特征信息；被动声纳 冃标识别则是利用被动声纳接收到的水下冃标辐射噪声的特性进行 分类判决，因为目标辐射噪声包含了目标的转速、螺旋桨的桨叶数、 发动机的汽缸等表征目标的特征本文主要讨论被动式冃标识别冃标识别问题属于模式分类系 统存在于时间和空间中可观察的事物，如果我们可以区分他们是否 相同或者相似，都可以称为模式识别，但模式指的并不是事物本身， 而是我们从事物所获得的信息。

现有的基本模式识别方法主要有两 种，即统计模式识别和结构（句法）模式识别，水下目标识别主要采 用的是统计模式识别方法，基于统计方法的模式识别系统主要有如下 5个部分组成：（1）数据获取和预处理；（2）特征提取；（3）特征选 择；（4）分类器设计；（5）分类及结果解释2.2.2国内外目标识别技术的比较国外对水下目标识别技术研究一直十分重视，在理论和试验方面 均投入了大量的人力和物力在水下目标的被动识别领域美国海军推 出B-3的潜泳声纳目标分类系统，采用的是1/3倍频程谱分析的 方法；在70年代中期美国海军就装备了以在70年代中期美国海军就 装备了以拖线阵为主体的B-5潜用声纳B-5潜用声纳的工作 频率下限己经达到了 100Hz;在80年代中期美国海军已经将海上冃标 识别系统装备海军舰艇，包括M工THE公司开发的用于海军指挥控 制机构的专家系统和斯坦福大学研制的HASP/S工AP目标识别专家 系统在同一时期，日本通过采用频率、强度进行比较的模板匹配方 法研制了具有目标识别功能的SK-8海岸预警系统到了上世纪90年代，各国水声学者将人工神经网络技术引入水 下目标识别技术领域美国的A.P.Russ。

利用声纳信号的形状特征 研制了一种多层神经网络的分类系统;J. Meister研制出一种神经网络 谐波簇分类器，用来提取信号的谐波特征，并利用Konhonen自组织 特征神经网络将高维特征映射到二维神经元阵列上，该方法具有较好 的鲁棒性和推广能力英国的C. R. Gent和C. P. Sheepard开发了一种 基于神经网络的被动神经网络的被动声纳分类系统，用以将两种特定 类型的目标信号与其它低频预警信号区分开来到目前为止，基于新兴信息处理技术一神经网络、专家系统、模 糊系统技术的水下目标分类系统的研究己经取得了一定的成果，各种 分类系统已经具备学习和快速识别能力、小训练集产生的网络性 能的补偿能力和对外界环境的抗干扰能力通过对当前所掌握的技术 资料分析研究，国外现有水下冃标被动识别系统的正确分类率在 80-90%之间各国海军为了满足作战需要，继续提高水下目标识别 系统的识别正确率，不断地进行各种试验3.抗噪声干扰设计现代探鱼仪探测能力的提高，在很大程度上取决于其分辨率在探 鱼仪及水声设备中往往需要不同的探测频率、周期、脉宽以及波形编 码等变化参数的发射信号源传统探鱼仪发射信号单一，适用的深度 量程变化范围较小而难以满足各种不同的参数变化耍求。

本文着重考 虑水域中的深浅不一（如水库、浅海水域等，地形复杂、以及最小量程 范围小等特点，从探鱼仪的发射脉冲信号源入手，利用单片机发展技 术，设计一种适合于深度范围变化大的水域，具有抗水下噪声干扰的 可编程脉宽调制信号源其他的一些用于产生不同形式的编码信号功 能也可固化于存贮器中由于大部分的水下噪声脉冲宽度相对窄，（1）如果设计的发射 脉宽足够宽，接收电路适当调节以至它只接收宽的脉冲信号，则窄的 噪声干扰脉冲将被抑制掉，但是当发射脉宽增加时，由发射脉宽与垂 直分辨率关系可知〔2）:垂直分辨率二式中C为声速，：为发射脉宽由此可见发射脉宽越宽,垂直分辨率越 差根据脉宽与分辨率的关系,这里设计的发射信号，当在寻找鱼群时, 有一起始发射脉宽，它能自动地根据不同量程选择起始脉宽，在设置了 起始的发射脉宽后,又设计了抑制脉宽旋钮用于根据现场情况，调 节抑制脉宽,达到抑制噪声干扰的目的实验表明:对接收机来说，这是 个极有效的抗噪声干扰在水库水域中的探测结果表明:通过抑制脉 宽，在接收信号的时域处理上设置相应的脉宽鉴别电路,从而达到抗噪 声干扰的目的，这是个极简单又有效的方法由于设置的起始发射脉 宽很窄，在最小的量程范围内(如0〜10m档)仍有较高的映象分辨率。

此方法设计简单，使用灵活、方便，可望做为其他的水声设备信号源，具 有良好的功用和实用价值参考文献：【1】许肖梅，抗噪声干扰的探鱼仪脉宽调制信号源 海洋技术第16 卷第1期，1997年3月【2】于铭，杨士莪,牟冬英，被动式渔探仪的信号检测与方位估计哈 尔滨工业大学学报第40卷第1期，2008年1月[3] 于铭，杨士莪，被动式渔探仪开发设计与试验研究 应用声学 第26卷第4期，2007年7月[4] [贾志富•三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计•应用声 学.2001,20 (4)[5] 侯自强，李贵斌•声纳信号处理一原理与设备•海洋出版社，1986:[6] 彭圆，申丽然，李雪耀，土科俊•基于双谱的水下目标辐射噪声 的特征提取与分类研究•哈尔滨工程大学学报.2003, 24 (4)[7] LowranceElectronicsINC,InstallationandOperationManualX-155AComputerSonar,OKLA ,1985[8] 于雪南 冋声探鱼仪.农业出版社,1983[9] 74LS541 OCTAL BUFFERS AND LINE DRIVERS WITH 3 —STATE OUTPUT Layout. 1998。