一種基于水平魚探儀影像的圍網(wǎng)目標(biāo)魚群追蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種魚群追蹤方法，特別涉及一種基于水平魚探儀影像的圍網(wǎng)目標(biāo)魚 群追蹤、預(yù)判，三維圖像立體估算魚群數(shù)量的方法。
【背景技術(shù)】 [0002] 遠洋漁業(yè)的捕撈作業(yè)方式主要有拖網(wǎng)、圍網(wǎng)、延繩釣、魷魚釣等形式。針對金槍魚類的 捕撈，圍網(wǎng)是最主要的方式。由于金槍魚游泳速度快、動作敏捷，因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)魚群再進行圍 捕，將導(dǎo)致高空網(wǎng)率，而不會有很好的收獲?，F(xiàn)有的水平魚探儀僅僅可以探測水下魚群的大 小和分布狀況，缺乏對魚群的有效追蹤和對魚群運動軌跡的預(yù)判，同時缺乏三維圖像對魚 群數(shù)量的立體估算功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于水平魚探儀影像的圍網(wǎng)目標(biāo) 魚群追蹤方法。
[0004] 本發(fā)明主要構(gòu)思:通過水平魚探儀獲取原始數(shù)據(jù)，利用濾波算法從中提取目標(biāo)魚 群信息，建立數(shù)學(xué)模型;通過數(shù)據(jù)處理算法實現(xiàn)魚群運動狀態(tài)的追蹤;通過對魚群運動狀態(tài) 的實時分析，提取魚群游泳速度和運動方向等信息，實現(xiàn)對魚群運動軌跡的預(yù)判，從而達到 提高圍網(wǎng)投網(wǎng)成功率的目的；同時通過改變聲吶頭的發(fā)射角度和方向，采集水下三維圖像， 實現(xiàn)魚群數(shù)量的立體估算功能。
[0005] 本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的： 一種基于水平魚探儀影像的圍網(wǎng)目標(biāo)魚群追蹤方法，所使用的系統(tǒng)主要包括裝有水聲 換能器的聲吶頭，數(shù)據(jù)采集卡，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，PC機，陀螺儀，GPS和潮流計等。該方法具體 是： 第一步:通過裝有水聲換能器的聲吶頭獲取原始信號，利用數(shù)據(jù)采集卡將原始信號調(diào) 理，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳入PC機。
[0006] 第二步:開啟陀螺儀、GPS獲取航海信息，開啟潮流計獲取海流信息，并將數(shù)據(jù)實時 傳入PC機。
[0007] 第三步:將獲取的水聲信號和航海以及海流信息相結(jié)合，通過追蹤系統(tǒng)的軟件實 時顯示出魚群的大小和分布狀態(tài)，追蹤魚群，并對魚群的運動軌跡進行預(yù)判。
[0008] 第四步:按照指定的掃描周期改變水平魚探儀聲吶頭的發(fā)射角度和傾角方向，采 集360度全方位的三維空間數(shù)據(jù)，從而繪制三維圖像，立體估算魚群的數(shù)量。
[0009] 本發(fā)明的具體實施例子中，在獲取了原始聲學(xué)信號之后，對魚群進行追蹤并對其 軌跡預(yù)判的實現(xiàn)流程如下： 第一步:水平魚探儀圖像預(yù)處理：由于圖像中不可避免的存在著雜波等非回波成分，通 過圖像預(yù)處理操作，降低雜波對有效魚群信息的影響。
[0010] 第二步：目標(biāo)檢測:將目標(biāo)回波與原始圖像背景分離開來，從原始圖像中檢測出運 動目標(biāo)。建立目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)對運動目標(biāo)的跟蹤處理模型，確定目標(biāo)的運動狀態(tài)，并優(yōu)化目標(biāo) 跟蹤系統(tǒng)。
[0011] 第三步：目標(biāo)參數(shù)錄取:結(jié)合海流和航海信息，確定目標(biāo)的位置坐標(biāo)參數(shù)，以及目 標(biāo)的幾何特征信息，以便于目標(biāo)在顯示終端的矢量化顯示，獲取目標(biāo)的輪廓信息。然后將目 標(biāo)在原始圖像上的像素位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)，將目標(biāo)面積信息轉(zhuǎn)化為實際地理尺寸， 使錄取到的目標(biāo)參數(shù)和魚群的大小對應(yīng)上。
[0012] 第四步：目標(biāo)數(shù)據(jù)記錄存儲:保存規(guī)定時間段內(nèi)所有目標(biāo)的相關(guān)信息，包括目標(biāo)錄 取時間、目標(biāo)位置及其特征信息等。存儲的目標(biāo)信息文件為后續(xù)的三維動態(tài)顯示作基礎(chǔ)。
[0013] 第五步：目標(biāo)運動軌跡的預(yù)測:對目標(biāo)運動狀態(tài)實時分析，提取目標(biāo)的運動速度和 方向等信息，實現(xiàn)對目標(biāo)運動軌跡的預(yù)判。
[0014] 本發(fā)明的具體實施例子中，對多目標(biāo)的跟蹤與軌跡預(yù)判采用聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián) (JPDA)和卡爾曼濾波(KF)算法，保證同源測量的正確劃分和各目標(biāo)的高精度位置融合估 計，提尚系統(tǒng)對多目標(biāo)的檢測概率和跟蹤性能。
[0015] 本發(fā)明中的具體實施例子中，可以改變聲納頭傾角和聲波發(fā)射方向的立體掃描系 統(tǒng)具有兩個旋轉(zhuǎn)方向，其一為繞著豎直方向360度旋轉(zhuǎn)，其二為在豎直平面內(nèi)上下旋轉(zhuǎn)，實 現(xiàn)水下立體掃描的具體流程如下： 第一步：以與水平面夾角為〇度，與垂直向下為90度作為計算標(biāo)準(zhǔn)，聲吶頭先以一個較 小的傾角私.、初始發(fā)射角&向水中發(fā)射聲波，并接收回波信號。
[0016] 第二步:聲吶頭的傾角α固定，將發(fā)射角β增大一個固定角度_，繼續(xù)發(fā)射探測聲波 并接收回波。
[0017] 第三步:重復(fù)第二步，直到360度全范圍探測完畢。
[0018] 第四步:改變聲吶頭的傾角α，增加度，重復(fù)第二、三步。
[0019] 第五步:當(dāng)傾角值α達到或超過％_度，一個全周期掃面結(jié)束。
[0020] 本發(fā)明中的具體實施例子中，采用面繪制算法對三維數(shù)據(jù)場中的采樣點進行檢測 處理，通過Κ均值聚類進行分類處理，實現(xiàn)三維圖像的有效構(gòu)建。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過從原始數(shù)據(jù)中濾波提取出魚群目標(biāo)信息，并利 用卡爾曼濾波(KF)和聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)(JPDA)算法對目標(biāo)魚群進行追蹤，對運動軌跡進行 預(yù)判，從而提高圍網(wǎng)投網(wǎng)的成功率；同時改變聲吶頭的傾角，掃描360度全范圍內(nèi)的三維空 間，繪制三維圖像，立體估算魚群數(shù)量，這將利于提高我國海洋漁業(yè)資源的開發(fā)效率，促進 海洋經(jīng)濟的發(fā)展。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的整個系統(tǒng)的硬件電路框圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明的目標(biāo)追蹤以及運動軌跡預(yù)判的算法流程圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明的聲納頭旋轉(zhuǎn)示意圖。
[0026] 圖5為本發(fā)明的立體估算魚群數(shù)量的聲納頭掃描工作流程圖。
[0027]圖6為本發(fā)明的三維掃描示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 圖1為本發(fā)明的整個系統(tǒng)的硬件電路框圖，本發(fā)明的硬件系統(tǒng)包含裝有水聲換能 器的聲吶頭1，所述聲吶頭1連接數(shù)據(jù)采集卡2,數(shù)據(jù)采集卡2獲得的模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換 模塊3后傳給PC機4;陀螺儀5、GPS和潮流計等傳感器6獲取海流和航海信息，并傳給PC機4。 同時本發(fā)明的聲吶頭1可以改變波束發(fā)射傾角，并能夠360度旋轉(zhuǎn)。
[0029] 該系統(tǒng)的工作流程如下： 第一步:通過裝有水聲換能器的聲吶頭獲取原始信號，利用數(shù)據(jù)采集卡將原始信號調(diào) 理，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳入PC機。
[0030] 第二步:開啟陀螺儀獲取航海信息，開啟GPS、潮流計獲取海流信息，并將數(shù)據(jù)實時 傳入PC機。
[0031] 第三步:將獲取的水聲信號和航海以及海流信息相結(jié)合，通過追蹤系統(tǒng)的軟件實 時顯示出魚群的大小和分布狀態(tài)，追蹤魚群，并對魚群的運動軌跡進行預(yù)判。
[0032] 第四步:按照指定的掃描周期改變水平魚探儀聲吶頭的發(fā)射角度和傾角，采集360 度全方位的三維空間數(shù)據(jù)，從而繪制三維圖像，立體估算魚群的數(shù)量。
[0033] 圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖。魚探儀的原始信號通過數(shù)據(jù)采集卡后，經(jīng)AD模塊進 行模數(shù)轉(zhuǎn)化再傳給PC機，聲吶頭的觸發(fā)和傾角控制信號通過普通10 口傳給PC機，航海和海 流信息通過RS232接口傳給PC機。
[0034]圖3為本發(fā)明的目標(biāo)追蹤以及運動軌跡預(yù)判的算法流程圖。
[0035] 第一步:原始數(shù)據(jù)獲取:通過帶有聲納頭的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取原始水聲數(shù)據(jù)。
[0036] 第二步：圖