基于激光成像雷达的鱼群探测系统的制作方法

本实用新型是涉及激光成像雷达技术领域，具体的说是基于激光成像雷达的鱼群探测系统。

背景技术：

当今渔业仍然是全球亿万人民的重要食物、营养、收入和生机的来源。然而我国在鱼群探测方面的技术仍然落后于其他渔业强国，即使拥有良好的渔业资源，落后的技术始终限制着我国渔业的发展。随着海上捕捞作业越发广泛，作业环境越来越复杂多变，渔业工作者的工作难度也在逐渐加大。为了提高海产品的捕捉效率、适应浅海渔场的需要、改善捕捞者的工作环境、有效抑制近距离干扰、获得清晰的鱼群图像和精确的鱼群位置，要求鱼群探测技术实现智能化和现代化，增强我国渔业的国际竞争力。

目前，海洋渔业的鱼群探测的手段主要是依靠声纳等水声探测系统。尽管当前的水声探测系统运用了各种先进技术改进了其探测性能，但是仍存在搜索速度慢、抗干扰能力差等缺陷，容易导致已探测到的鱼群目标在航行过程中丢失，难以实现高效的捕捞作业。此外声波在水中的传播路径复杂，受到海况的影响较大，各种鱼群的集群性对声波的反射特性又有很大差异，无法给渔业人员提供精准的信息。所以对基于激光成像雷达的鱼群探测系统进行研究具有很大的意义。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供基于激光成像雷达的鱼群探测系统。该种探测系统在探测时与目标自身的反射率无关，受环境的干扰较小，具有信噪比大等特点，能够实现鱼群探测的精准化。本系统通过数字延迟器来改变成像系统的延迟和门宽，实现快速判断鱼群的具体方位和大小，比传统的判断方法更加快速高效。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

基于激光成像雷达的鱼群探测系统，其特征是：包括数据采集模块、数据处理模块和航线控制模块，所述的数据采集模块包括激光雷达单元，所述的数据处理模块包括数据处理单元、SLAM运算单元、数据分析单元；

所述的数据采集模块与数据处理单元信号连接，所述的数据处理单元与SLAM运算单元信号连接，所述的SLAM运算单元与数据分析单元信号连接，所述的数据分析单元与航线控制模块信号连接；

所述的激光雷达单元包括激光发射系统和成像望远镜系统，所述的激光发射系统用于多角度发射探测激光，所述的成像望远镜系统用于接收回波信号，得到不同深度的散射信号并成像；

所述的数据处理单元用于将数据采集模块采集得到的原始信息进行精确处理，所述的SLAM运算单元用于将数据处理单元处理得到的点云信息构建成虚拟的鱼群场景；所述的数据分析单元用于对虚拟的鱼群场景进行数据分析；

所述的航线控制模块用于产生航向指令并控制渔船向探测得到的鱼群方向行驶。

所述的数据采集模块还包括定位单元和航行状态监测单元，所述的定位单元用于实时采集船只的具体位置信息；所述的航行状态监测单元用于实时采集船只的航行速度和航行方向；

所述的定位单元与数据处理单元信号连接，所述的航行状态监测单元与数据处理单元信号连接。

所述的航线控制模块包括航行命令生成单元、航线规划单元、航行命令执行单元，所述的航行命令生成单元用于将数据分析单元得到的分析结果生成航行命令，所述的航线规划单元用于将航行命令进行重新规划，产生一条能够驶向所探测鱼群的航线，所述的航行命令执行单元用于控制渔船向探测到的鱼群方向行驶；

所述的航行命令生成单元与数据处理模块信号连接，所述的航线规划单元与航行命令生成单元信号连接，所述的航行命令执行单元与航线规划单元信号连接。

所述的数据采集模块、数据处理模块和航线控制模块内均设置有信息传输单元，数据采集模块中的信息传输单元用于将数据采集模块中采集到的数据传输到数据处理模块内，数据处理模块中的信息传输单元用于接收数据采集模块传送的数据并将数据处理模块处理完毕的数据打包并发送到航线控制模块内，所述的航线控制模块内的信息传输单元用于接收数据处理模块发送的数据。

所述的激光发射系统包括脉冲激光发射器，脉冲激光发射器发射的激光光路依次经过凹透镜和球面镜，脉冲激光发射器、凹透镜和球面镜组成的发射系统设置在激光发射器转动装置上。

所述的成像望远镜系统包括成像望远镜、数字延迟信号发生器和CCD，所述的成像望远镜用于接收鱼群反射的散射回波信号，所述的回波信号汇聚到CCD成像，再通过数字延迟信号发生器的延迟、门宽得到不同深度的散射信号。

所述的凹透镜和球面镜之间的距离可调。

该系统利用激光成像雷达发射到水体而产生的瑞利散射回波信号的变化来快速判断水域中是否存在鱼群，并对散射信号进行数据采集。然后将采集的信息通过SLAM运算单元构建成虚拟的鱼群场景，系统的数据分析单元根据构建的虚拟鱼群场景进行数据分析、根据场景变换的情况来预测鱼群的运动方向，将数据结果显示在显示器上，使渔业人员更加直观得了解到鱼群的具体情况。最后，再根据航行控制模块规划新的航线控制渔船驶向所探测到的鱼群，节省了大量的人力资源和工作时间，实现鱼群探测技术的智能化。

该种基于激光成像雷达的鱼群探测系统能够产生的有益效果为：

第一，该系统能够从原理上解决了目标反射率低的问题，克服海洋激光雷达自发信号弱、分辨率差、信号随着鱼群得移动而不稳定的问题，在浅水渔场具有较大的优势。

第二，该系统能够通过散射信号变化的强弱来判断水中是否存在物体，并通过改变激光成像雷达系统的延迟和门宽来判断鱼群的具体位置，加快整个探测系统运行的速度，比传统的成像方法更高效。

第三，该系统通过激光成像雷达技术将采集到的信息进行数字处理，再将处理后的点云数据构建成鱼群场景，进一步提高水下鱼群监测的目标识别精度。

第四，该系统通过航线控制模块自动根据探测的结果重新规划航线，快速搜索鱼群且向鱼群的方向自动行驶，实现鱼群探测的智能化。

附图说明

图1为本实用新型基于激光成像雷达的鱼群探测系统的系统框图。

图2为本实用新型基于激光成像雷达的鱼群探测系统激光雷达单元的结构原理图。

图3为本实用新型基于激光成像雷达的鱼群探测系统的工作流程图。

说明书附图标注：1、脉冲激光发射器器；2、凹透镜；3、球面镜；4、探测水域；5、鱼群；6、成像望远镜。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1、图2所示，基于激光成像雷达的鱼群探测系统，其特征是：包括数据采集模块、数据处理模块和航线控制模块。

其中数据采集模块包括激光雷达单元、定位单元、航行状态监测单元和信息传输单元，所述的激光雷达单元用于实时采集鱼群的信息；所述的定位单元用于实时采集船只的具体位置信息；所述的航行状态监测单元用于实时采集船只的航行速度和航行方向；所述的信息传输单元用于将激光雷达单元、定位单元、航行状态监测单元采集到的信息数据发送到数据处理模块中。

数据处理模块包括数据处理单元、SLAM运算单元、数据分析单元和信息传输单元，所述的数据处理单元用于把数据采集模块得到的原始信息进行精确处理；随后SLAM运算单元根据数据处理后的点云信息构建成虚拟的鱼群场景；数据分析单元用于根据构建的鱼群场景进行数据分析，再比对数据是否与预设的场景一致，数据处理模块中的信息传输单元用于获取数据采集模块中的信息传输单元发送的数据信息，数据处理模块中的信息传输单元还能够将处理完毕的数据发送到航线控制模块中。

航线控制模块包括航行命令生成单元、航线规划单元、航行命令执行单元和信息传输单元，航行命令生成单元用于将数据分析单元得到的分析结果生成航行的命令；所述的航线规划单元用于把数据处理模块生成的航行命令单元进行重新规划，产生一条能够驶向所探测鱼群的航线；航行命令执行单元控制渔船向探测到的鱼群方向行驶，航线控制模块中的信息传输单元能够接收数据处理模块中的信息传输单元发送的数据。

进一步的，激光雷达单元包括激光发射系统和成像望远镜系统，所述的激光发射系统用于多角度发射探测激光，所述的成像望远镜系统用于接收回波信号，得到不同深度的散射信号并成像；其中，激光发射系统包括脉冲激光发射器，脉冲激光发射器发射的激光光路依次经过凹透镜和球面镜，脉冲激光发射器、凹透镜和球面镜组成的发射系统设置在激光发射器转动装置上。成像望远镜系统则包括成像望远镜、数字延迟信号发生器和CCD；

本实施例中，脉冲激光发射器1发射532nm脉冲激光入射到凹透镜2产生发散信号，发散信号由球面镜3反射得到汇聚光束，汇聚光束入射到探测水域4，在水中根据鱼群5反射的散射回波信号通过成像望远镜6收集，将信号会聚到CCD成像，通过控制数字延迟信号发生器的延时、门宽得到不同深度的散射信号，根据散射信号的差异来快速判断鱼群所在的具体位置以及鱼群的大小。

激光发射器转动装置能够转动整个发射系统，实现360度探测激光的发送，实现多方向探测激光的发送；凹透镜和球面镜之间的距离可以根据实际情况进行调整，提高该装置的适用范围。

本实施例中，激光器采用Nd：YAG激光器，发射波长为532nm，成像望远镜采用卡塞格林式望远镜，作为望远镜系统的主体，数字延迟信号发生器采用美国SRS公司DG535四通道数字延迟脉冲发生器。

本实施例中，航行状态监测单元采用的是美国Sentera Technology公司设计和制造的高精度WS601三维姿态传感器，通过先进的波浪力学算法融合低噪声加速度传感器和固态陀螺，提供实时高精度的动态测量值，同时配备了直观方便的图形化人机操作界面，满足原始数据的采集。

本实施例中，数据处理模块中采用SLAM运算单元，SLAM相比其他方法运算量较小，易于实时构图，精度较高。SLAM运算单元的运行过程包括特征提取、数据关联、状态估计、状态更新以及特征更新，实现对鱼群的及时定位与导航，构建出鱼群在水域之中具体的三维场景，提高水下鱼群监测的目标识别精度。

本实施例中，信息传输单元采用泽耀科技型号为AS69-DTU20的高速双向连续传输电台，此模块的优势在于成本低廉、连接设备的数量不受限制、传输距离满足本设计、全双工可以同时发送数据，从而实现鱼群探测系统数据的高速连续传输。

如图3所示，该种基于激光成像雷达的鱼群探测系统流程具体步骤如下：

步骤1，数据采集模块中的定位单元用于采集船只的实时数据，定位渔船的位置信息；航行状态监测单元用于实时采集渔船的速度和方向；激光雷达单元向周围水域发射信号、采集水域的散射回波信号；

步骤2，数据采集模块中的信息处理单元将数据采集模块采集到的信息实时打包并传输给数据处理模块中的信息处理单元；

步骤3，数据处理模块将数据采集模块所获得的实时信息进行处理，把激光雷达的原始数据转化为点云数据，并从中提取鱼群的轮廓构建出实时虚拟的鱼群场景。

步骤4，数据分析单元根据构建的场景进行分析，精确得计算出船只与鱼群的实时距离信息，预测出鱼群的前进路线，将分析数据生成的探测结果将显示在显示器上；

步骤5，数据处理模块中的信息处理单元将预测的鱼群前进路线发送给航线控制模块的信息处理单元；

步骤6，航线控制模块中的航行命令生产单元将接收到的数据生产航行命令，航线规划单元根据航线命令重新规划航行，再由航行命令执行单元实施对航线的控制，实现渔船向所探测到的鱼群方向自动行驶的功能。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。