一种用于鱼类养殖的投喂控制系统及方法

摘要

本发明揭示了一种用于鱼类养殖的投喂控制系统及方法。该系统包括：分裂波束换能器，完成声波和电信号的转换，在水中实现声波的发射及接收；投喂单元，接收控制指令，对养殖的鱼类进行投喂；信号采集处理及控制单元，接收分裂波束换能器采集的回波信号，经过相差检测、检波之后将其转化为回波图像，并经过目标识别、声波图像处理后，计算出投喂水域内单条鱼重量及鱼群总重量并以此为根据对投喂量进行调整。本发明的系统及方法可以对投喂水域内鱼类的生长发育变化进行监测并实时调整投喂量，减少养殖饵料的浪费。

权利要求

1.一种用于鱼类养殖的投喂控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：投喂前在水中向投喂水域发射声波，接收反射回来的声波，并转换为回波信号，生成投喂前回波图像，根据投喂前回波图像中的目标强度得到单条鱼重量；试投喂养殖饵料，鱼群聚集到投喂水域后，在水中向投喂水域发射声波，接收反射回来的声波，并转换为回波信号，生成试投喂回波图像，根据试投喂回波图像中的目标强度得到鱼群总重量；

S2：根据获取到的鱼群总重量和设定的投喂率，计算每次投喂需要的养殖饵料的投喂量，定时进行投喂；

其中步骤S1还包括：

S1.1：在实验条件下，将投喂鱼类按体长每相差某个长度为一规格，每规格若干条，分别称其重量，进行平均，并测量每种规格的单条鱼的目标强度，将获取到的多个目标强度剔除数值偏移较大的目标强度后进行平均，记录投喂鱼类的每种规格下单条鱼的体长、平均重量和目标强度，建立目标特征表；

S1.2：通过目标特征识别及阈值分析，识别出单条鱼的回波图像，从多幅单条鱼的回波图像的目标强度得到投喂鱼类的平均目标强度，即为单条鱼的目标强度，通过和所述目标特征表比对得到投喂水域内平均的单条鱼重量；

S1.3：利用回声积分法将试投喂回波图像的目标强度进行积分获得投喂水域内鱼群的总目标强度，除以所述单条鱼的目标强度，得到投喂水域内鱼的条数；

S1.4：将所述单条鱼重量乘以所述鱼的条数，得到投喂水域的鱼群总重量。

2.根据权利要求1的投喂控制方法，其中所述的目标特征识别及阈值分析，是将回波图像的目标强度与设定的最小阈值和最大阈值比较，若小于最小阈值或大于最大阈值，则不认为是单条鱼的回波图像；若处于最小阈值和最大阈值之间，则认定为单条鱼的回波图像。

说明书

一种用于鱼类养殖的投喂控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及信息化鱼类养殖的技术，更具体涉及一种用于鱼类养殖的投喂控制系统及方法。

背景技术

[0002] 随着集约化水产养殖规模的不断扩大，养殖过程越来越依赖于人工投喂配合饲料，养殖中的养殖饵料成本占整个养殖成本比重越来越大。在水产养殖过程中，养殖饵料投喂技术的高低直接影响养殖饵料的转化率及养殖效果。而投喂的重要依据就是投喂水域内鱼群的生长发育情况。鱼群的数量、重量实时变化，只有掌握了鱼群的生长发育才能有针对性的调整投喂量，以达到精准投喂的要求。

[0003] 目前，尚无有效的集约化养殖鱼类的投喂控制方法。生产中常用的方法是根据以往生产实践进行推算。如掌握相同规格的各阶段生长率和饲养过程中的存活率，即可推算出各饲养阶段的鱼群总重量，由此可以确定投饵率和投饵量；或者采用放养量、存活率、增重比和经验饵料系数来估计全年的投饵量，然后按水温高低逐月逐旬地分配投饵率和投饵量。

[0004] 根据以上描述可以看出，现有技术无法实时监测鱼群的生长发育状况，而是以经验估算其生长发育状况，并由此确定投饵量，因此不可避免出现较大的误差，从而导致养殖饵料不足或浪费，养殖效果不佳且养殖成本升高。

发明内容

[0005] （一）要解决的技术问题

[0006] 本发明的要解决的技术问题就是如何实现对投喂水域鱼群的数量和重量的监测，以此作为投喂依据，避免养殖饵料投喂量误差太大而出现养殖饵料不足或浪费的情况。

[0007] （二）技术方案

[0008] 作为本发明的一方面，提供了一种用于鱼类养殖的投喂控制系统，该系统包括分裂波束换能器、信号采集处理及控制单元、投喂单元，其中：

[0009] 所述分裂波束换能器，置于水中，与所述信号采集处理及控制单元相连，在信号采集处理及控制单元的控制下，向投喂水域发射声波，接收反射回来后的声波并转换为回波信号再传送给所述信号采集处理及控制单元；

[0010] 所述信号采集处理及控制单元，与所述分裂波束换能器和所述投喂单元相连，分析处理所述分裂波束换能器探测到的回波信号，得到单条鱼的目标强度和投喂水域鱼群的总目标强度，计算出单条鱼重量及鱼群总重量，由此计算出每次养殖饵料的投喂量，生成包括投喂量的投喂控制指令；

[0011] 所述投喂单元，与所述信号采集处理及控制单元相连，用于接收投喂控制指令，包括定时开关装置，在设定的投喂时间点，定时开关装置开启，投喂由投喂控制指令规定的投喂量的养殖饵料。

[0012] 优选地，还包括旋转单元，与所述信号采集处理及控制单元相连，所述分裂波束换能器固定于所述旋转单元，所述旋转单元接收所述信号采集处理及控制单元的旋转控制指令而带动所述分裂波束换能器旋转，调整发射声波的方位。

[0013] 优选地，所述相连为无线连接和/或有线连接。

[0014] 优选地，其中所述信号采集处理及控制单元包括：探测信号发射模块，通过探测信号发生器及功率放大器向所述换能器输出发射声波的信号；回波信号处理模块，接收换能器探测到的回波信号，经限幅、前置放大、带通滤波、检波后形成鱼类的回波图像；声波图像处理与控制模块，将回波图像进行目标特征识别后，得到单条鱼的目标强度，计算出单条鱼重量，再利用回声积分法获得投喂水域内鱼群的总目标强度，计算出鱼群总重量，并根据设定的投喂率生成包括投喂量的投喂控制指令，发送给所述投喂单元。

[0015] 优选地，其中所述信号采集处理及控制单元还包括存储单元，存储有投喂鱼类的每个体长规格下对应的重量、目标强度、投喂率，以及目标强度最小阈值和目标强度最大阈值。

[0016] 作为本发明的另一方面，提供了一种用于鱼类养殖的投喂控制方法，包括以下步骤：

[0017] S1：投喂前在水中向投喂水域发射声波，接收反射回来的声波，并转换为回波信号，生成投喂前回波图像，根据投喂前回波图像中的目标强度得到单条鱼重量；试投喂养殖饵料，鱼群聚集到投喂水域后，在水中向投喂水域发射声波，接收反射回来的声波，并转换为回波信号，生成试投喂回波图像，根据试投喂回波图像中的目标强度得到鱼群总重量。

[0018] S2：根据获取到的鱼群总重量和设定的投喂率，计算每次投喂需要的养殖饵料的投喂量，定时进行投喂。

[0019] 优选地，其中步骤S1还包括：

[0020] S1.1：在实验条件下，将投喂鱼类按体长每相差某个长度为一规格，每规格若干条，分别称其重量，进行平均，并测量每种规格的单条鱼的目标强度，将获取到的多个目标强度剔除数值偏移较大的目标强度后进行平均，记录投喂鱼类的每种规格下单条鱼的体长、平均重量和目标强度，建立目标特征表。

[0021] 优选地，其中步骤S1还包括：

[0022] S1.2：通过目标特征识别及阈值分析，识别出单条鱼的回波图像，从多幅单条鱼的回波图像的目标强度得到投喂鱼类的平均目标强度，即为单条鱼的目标强度，通过和所述目标特征表比对得到投喂水域内平均的单条鱼重量；

[0023] S1.3：利用回声积分法将试投喂回波图像的目标强度进行积分获得投喂水域内鱼群的总目标强度，除以所述单条鱼的目标强度，得到投喂水域内鱼的条数；

[0024] S1.4：将所述单条鱼重量乘以所述鱼的条数，得到投喂水域的鱼群总重量。

[0025] 优选地，其中所述的目标特征识别及阈值分析，是将回波图像的目标强度与设定的最小阈值和最大阈值比较，若小于最小阈值或大于最大阈值，则不认为是单条鱼的回波图像；若处于最小阈值和最大阈值之间，则认定为单条鱼的回波图像。

[0026] （三）有益效果

[0027] 本发明的系统，通过采用分裂波束换能器进行监测，并对回波信号的目标强度进行分析计算，可以得到单条鱼重量和鱼群总重量，从而精确计算出每次需要投喂的养殖饵料的投喂量，避免了仅凭经验估算带来的较大误差，防止养殖饵料不足或浪费，采用定时开关装置，避免了人工操作，减轻了水产养殖的劳动强度；通过采用旋转单元，可以旋转分裂波束换能器，在信号采集处理及控制单元的控制下，调整声波发射的方位，因而能实现对单条鱼的目标强度和鱼群总的目标强度的测定；通过设置存储单元，可以实现测得的目标强度与存储的阈值和目标强度的自动比对，不需要人工干预即可得到单条鱼重量。

[0028] 本发明的方法，通过对回波信号的目标强度进行分析计算，可以得到单条鱼重量和鱼群总重量，从而精确计算出每次需要投喂的养殖饵料的投喂量，避免了仅凭经验估算带来的较大误差，防止养殖饵料不足或浪费；通过预先实验测量建立目标特征表，从而在实际探测时可以方便的比对目标强度而得到单条鱼重量和鱼群总重量；通过目标特征识别及阈值分析的方法，排除了干扰，可以更精确的计算出单条鱼的平均目标强度。

附图说明

[0029] 图1是按照本发明一个实施例的用于鱼类养殖的投喂控制系统的结构框图；

[0030] 图2是按照本发明一个实施例的用于鱼类养殖的投喂控制方法的流程图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

[0032] 本发明的基本原理是回声探测原理，与光波、电磁波相比，声波在水中传播损失小，传播距离远，是水下小型目标探测与识别的最佳手段。回声探测时换能器将电子信号转换成声波脉冲并发射到水中，声波在水中传播过程中遇到障碍物时，由于物体的声阻抗率与水介质的不同，该物体会对入射声波产生散射及反射作用，部分声音信号反向散射至分裂波束换能器，如果信号水平超过用户选择的阈值，会被分裂波束换能器接收转化为电子信号并传输至信号采集处理及控制单元，生成回波图。根据声波发射后收到目标回声信号的间隔时间和声波在水中的传播速度（1500m/s,标准条件下），可测得目标所处的位置，对回声信号强弱和结构加以分析，可估算出目标强度。相比单波束或者多波束阵列,利用分裂波束技术可以确定目标在波束中的位置,并根据波束的指向性对偏离声轴的回声信号进行补偿,从而实现对鱼类目标强度的客观估测，测量结果更为精确。

[0033] 目标强度是水声学评估的一个重要参数，它是一个度量目标物体声波反射性能的参数，其物理意义上与反射系数较为接近。目标强度的定义是在距离目标的声学中心1m处，由目标反射回来的声强与同一方向上入射声强之比，取以10为底的对数后再乘以10。目标强度（TS）表示为：

[0034] TS=10×lg(Ir/Ii)=20×lg(Pr/Pi) （1）

[0035] （1）式中Ir、Ii为反射声强和入射声强，Pr、Pi为反射声压和入射声压。后来有学者又将目标强度定义为：

[0036] TS=20×lg(σ/4π) （2）

[0037] （2）式中，TS表示目标强度(dB)，σ表示目标物体的水声学截面(m2)。σ可以看作是目标物体对入射波产生散射的声学等效面积。

[0038] 在一定声波频率下，对于同种鱼类，单条鱼的目标强度与其体长存在一定的对应关系，而同种鱼类在体长相等的情况下，重量也大致相等。因此可以用这种对应关系来寻找鱼类的目标强度与其单个重量和总重量的关系。

[0039] 图1示出了根据本发明一个实施例的一种用于鱼类养殖的投喂控制系统，该系统包括：信号采集处理及控制单元4、投喂单元3、旋转单元2、分裂波束换能器1。

[0040] 分裂波束换能器1，置于水中，固定于旋转单元2，与信号采集处理及控制单元4相连。相比单波束或者多波束阵列,利用分裂波束技术可以确定目标在波束中的位置,并根据波束的指向性对偏离声轴的回声信号进行补偿,从而实现对鱼类目标强度的客观估测，测量结果更为精确。

[0041] 旋转单元2，与信号采集处理及控制单元4相连，并接收其控制指令带动换能器旋转，从而调整发射声波的方位。

[0042] 投喂单元3，与信号采集处理及控制单元4相连，用于接收其控制指令来对鱼类投喂养殖饵料，投喂单元3包括定时开关装置，在设定的投喂时间点，定时开关装置开启，投喂由投喂控制指令规定的投喂量的养殖饵料。

[0043] 信号采集处理及控制单元4，与分裂波束换能器1、旋转单元2、投喂单元3相连，包括：探测信号发射模块41，包括功率放大器、滤波器、探测信号发生器、模数转换器，用于通过探测信号发生器及功率放大器向分裂波束换能器1输出检测信号；回波信号处理模块42，包括前置信号放大器、带通滤波器、模数转换器、检波电路、限幅电路，用于接收换能器探测到的回声信号，调理回波信号，经限幅、前置放大、带通滤波、检波后形成鱼类的回波图像；存储单元（未在图1中示出），存储有投喂鱼类的每个体长规格下对应的重量、目标强度、投喂率，以及目标强度最小阈值和最大阈值；声波图像处理与控制模块43，包括控制器、人机界面，将回波图像进行目标特征识别后，得到单条鱼的目标强度，计算出单条鱼重量，再利用回声积分法获得投喂水域内鱼群的总目标强度，计算出鱼群总重量，并根据存储单元存储的投喂率生成包括投喂量的投喂控制指令，发送给投喂单元3。

[0044] 上述的单个目标特征识别，是将测得的目标强度与规定的目标强度最小阈值和最大阈值比较，若小于最小阈值或大于最大阈值，则不使用当前的目标强度进行计算；若处于最小阈值和最大阈值之间，则视为单条鱼的目标强度，然后找出存储单元存储的与其差值绝对值最小的目标强度，将其对应的重量、长度、投喂率作为探测到的单条鱼重量、长度、投喂率。投喂率是指每次需要投喂的养殖饵料量与鱼重量的比值，不同种类不同生长阶段的鱼有不同的投喂率，可以根据国标设定。

[0045] 上述计算总目标强度是这样实现的：因鱼摄食本性，投喂时将聚集到投喂水域。因此投喂前进行试投喂，此时调整旋转单元带动所述分裂波束换能器，对准投喂水域，从水中发射声波，得到包含绝大部分鱼群回波的回波图像，利用回声积分法将离散及重合的目标强度进行积分获得投喂水域内摄食的鱼群的总的目标强度，从而得到一个总的目标强度。

[0046] 上述的总重量计算，是将总的目标强度除以单条鱼的目标强度，得到鱼的总数，然后乘以单条鱼重量，即得到鱼群总重量。

[0047] 上述的声波图像处理与控制模块43生成投喂控制指令，是将总重量乘以设定的投喂率得到每次投喂的养殖饵料量，并将包含养殖饵料量的控制指令发送到投喂单元3。

[0048] 投喂单元3的定时开关装置到每次规定的投喂时间点就开启，投喂由投喂控制指令所规定的养殖饵料量。养殖饵料量的定量例如可由以下方式实现。投喂单元3包括控制装置、养殖饵料仓和投喂箱，养殖饵料仓和投喂箱之间有阀门相连，投喂箱有称重装置，阀门和称重装置与控制装置有相连。在称重装置的重量指示达到规定的养殖饵料量之前，控制装置控制阀门开启，养殖饵料从养殖饵料仓进入投喂箱，在称重装置的重量指示达到规定的养殖饵料量时，控制装置控制阀门关闭，此时投喂箱就有规定的养殖饵料量。定时开关装置到设定的时间点就发出信号，控制装置控制投喂箱的养殖饵料进入水中。

[0049] 图2示出了根据本发明一个实施例的用于鱼类养殖的投喂控制方法，该方法主要包括步骤：

[0050] S1：通过投喂前回波图像得到单条鱼重量，通过试投喂回波图像得到鱼群总重量：投喂前在水中向投喂水域发射声波，接收反射回来的声波，并转换为回波信号，生成投喂前回波图像，根据投喂前回波图像中的目标强度得到单条鱼重量；试投喂养殖饵料，鱼群聚集到投喂水域后，在水中向投喂水域发射声波，接收反射回来的声波，并转换为回波信号，生成试投喂回波图像，根据试投喂回波图像中的目标强度得到鱼群总重量。

[0051] S2：根据获取到的鱼群总重量和设定的投喂率，计算每次投喂需要的养殖饵料的投喂量，定时进行投喂。

[0052] 优选地，其中步骤S1还可以包括：

[0053] S1.1：在实验条件下，将投喂鱼类按体长每相差某个长度为一规格，每规格若干条，分别称其重量，进行平均，并测量每种规格的单条鱼的目标强度，将获取到的多个目标强度剔除数值偏移较大的目标强度后进行平均，记录投喂鱼类的每种规格下单条鱼的体长、平均重量和目标强度，建立目标特征表；

[0054] S1.2：通过目标特征识别及阈值分析，识别出单条鱼的回波图像，从多幅单条鱼的回波图像的目标强度得到投喂鱼类的平均目标强度，即为单条鱼的目标强度，通过和所述目标特征表比对得到投喂水域内平均的单条鱼重量；

[0055] S1.3：利用回声积分法将试投喂回波图像的目标强度进行积分获得投喂水域内鱼群的总目标强度，除以所述单条鱼的目标强度，得到投喂水域内鱼的条数；

[0056] S1.4：将所述单条鱼重量乘以所述鱼的条数，得到投喂水域的鱼群总重量。

[0057] 其中所述的目标特征识别及阈值分析，是将回波图像的目标强度与设定的最小阈值和最大阈值比较，若小于最小阈值或大于最大阈值，则不认为是单条鱼的回波图像；若处于最小阈值和最大阈值之间，则认定为单条鱼的回波图像。

[0058] 上述的最小阈值和最大阈值可以如此设定：将目标特征表中最小的目标强度乘以一个小于1的系数即为最小阈值，将目标特征表中最大的目标强度乘以一个大于1的系数即为最大阈值，上述系数可以根据经验给定。也可以根据鱼所处的生长发育阶段应该会具有的目标强度，保留一定裕度而设定最小阈值和最大阈值。

[0059] 毫无疑义的是，本发明的系统可以实现本发明的方法的部分或全部步骤，本发明的方法也可采用本发明的所有可能组成和结构的系统。

[0060] 本实施例的系统和方法可以实现对养殖鱼类的单条鱼重量和鱼群总重量的监测，并根据鱼类生长情况适时调整投喂量，从而达到较少养殖饵料浪费，防止水质污染的目的。

[0061] 以上实施方式仅用于本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和范围当中。