一种声光融合的珊瑚活性探测系统及方法与流程

本发明涉及造礁石珊瑚活性检测技术领域，具体涉及一种声光融合的珊瑚活性探测系统及方法。

背景技术：

珊瑚礁中栖息着上万种各类海洋生物，不论是在海洋生态系统结构研究、医药开发、矿产勘探以及古生物、古地质科学研究乃至近海城市防灾方面都有着重要的价值。近年来，气候变化以及人类活动范围扩大以及深入，对珊瑚礁生态系统造成了巨大的影响。因此，针对珊瑚礁生态系统的研究、监测和保护工作，无论是在生态层面还是经济层面，都有着重要的意义。其中珊瑚活性状况的检测工作，更是研究保护珊瑚礁生态系统时不可或缺的一步。

传统的珊瑚活性的研究方式以现场测量、实物打捞的方法为主，不仅耗费大量的时间和人力物力，在采集数据的实时性，采集地点的空间等方面都有巨大的限制。另外，珊瑚礁分布广泛，礁间相对隔绝的特点使得研究成本的问题更加严峻。遥感技术作为一种能够实现大面积、实时性观测、收集、处理数据的技术，越来越为科学家青睐，但是无线电只能探测水面以上的岛礁，而不能探测到水下的情况，建立在光学传感器基础上的方法会受到分辨率和处理手段等技术层面上的影响。另外，在较为浑浊或者较深的水域中，光学传感器的价值也将变得非常有限。由于声音在水下是可以传播的，故声纳在水下目标进行探测、定位和通信应用中广泛运用，由于珊瑚个体比较小，对其探测只能选用频率比较高的超声。

珊瑚虫是多细胞腔肠动物，体内有共生虫黄藻。珊瑚的颜色主要是其共生虫黄藻的颜色。丧失活性的珊瑚，共生虫黄藻会被排出珊瑚虫体外，表现为珊瑚的外在颜色由原先斑斓的彩色变为碳酸钙骨架原本的白色，这一现象称为珊瑚的白化。一般认为珊瑚白化即为珊瑚死亡的表征，死亡后的珊瑚与健康的珊瑚软硬程度是不同的。除了主要的因素虫黄藻外，珊瑚生存水域的温度、盐度、水流、水深等因素也对珊瑚生长有一定影响，进而影响珊瑚的软硬程度，同时水域环境的差异也将导致超声的传播特性差异。这些因素综合导致健康与否的珊瑚对超声的吸收特性有差异，进而影响超声探测的回波强度。此外，珊瑚大多分布在0-50米范围内的海域，且活性珊瑚虫的大小在1厘米左右，完全能够被某频段的超声波很好地检测。

超声探测珊瑚，可以探测珊瑚所处位置，即是深度，还可以判断珊瑚的活性，且不受光照和海水清澈度的影响。如上所述，珊瑚的外在颜色若由原先斑斓的彩色变为碳酸钙骨架原本的白色，则可以判断珊瑚死亡，故从颜色的分析角度，辅之以光学手段，获得目标珊瑚的颜色信息，进而得到对珊瑚白化情况的声光双维度描述，从而得到较为准确的关于珊瑚活性的判断。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有探测方法无法在浑浊水域和光照强度不足的条件下使用，以及受到海水光学性质影响的局限。本发明根据珊瑚的白化特性反映出来的变硬和变白，用超声回波反演出目标珊瑚所处的准确位置和软硬程度，辅助光学手段来采集珊瑚的颜色，对不同海域环境的珊瑚采集的超声数据和光学数据进行融合处理，从而判断珊瑚的活性，实现一种全天候、低成本、轻量级的声光融合珊瑚活性探测系统及方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种声光融合的珊瑚活性探测系统，包括由控制模块、数据采集模块、定位模块、前端通信模块、电源组成的前端采集装置以及由融合数据处理器、存储单元、操作设备、后端通信模块和显示器组成的后台终端。

进一步地，前端采集装置的各模块集成在一起，部署在目标礁群海域，且做好固定；控制模块接收、处理和转发数据采集模块、定位模块和前端通信模块传输的指令和数据，实现对数据采集模块、定位模块和前端通信模块的总体控制；数据采集模块负责完成珊瑚的超声数据和光数据采集；定位模块用微型GPS终端实现，用以实时向后台终端报告搭载该定位模块的前端采集装置的具体位置；前端通信模块实现控制模块，数据采集模块、定位模块与后台终端数据的互联互通；电源为前端采集装置整体供电。

进一步地，后台终端负责对采集的数据进行处理、显示以及实现人机交互；所述融合数据处理器对光数据和超声数据进行预处理、相关性分析、先验数据比对进而给出珊瑚活性的判断，同时利用新采集数据与判断结果对先验融合数据库进行更新；所述存储单元对先验融合数据以及后端通信模块输入的前端采集装置定位数据、前端采集装置接收的超声和光数据进行存储，并将定位数据输出到显示器以供工作人员确认前端采集装置方位；所述操作设备实现工作人员对系统的输入；所述后端通信模块与前端通信模块无线连接，实现后台终端与前端采集装置各模块的数据互联；所述显示器用于显示设置参数和目标成像显示。

进一步地，数据采集模块包括机械控制单元、超声数据采集单元以及光数据采集单元；机械控制单元根据后台终端的指令实现前端采集装置的机械单元结构的俯仰、旋转操作以使探测设备校准锁定探测目标；超声数据采集单元负责发射超声探测信号和采集珊瑚反射的超声回波信号，该回波信号用于对珊瑚的水域深度测定和活性判断；光数据采集单元实现对目标的高分辨率光学图像拍摄。

进一步地，超声数据采集单元包括超声信号发射部件以及超声信号接收部件；发射部件通过超声换能器发射中心频率为300kHz的宽频超声探测信号。

进一步地，后台终端的融合数据处理器对超声数据进行回波强度、时延等参数计算，对光学数据进行灰度平衡、光照度矫正等预处理后进行目标珊瑚的识别分析、对反映目标软硬程度的超声数据与表示目标颜色的光数据进行相关性分析等融合数据处理，从而获得对目标珊瑚的白化情况这一判断珊瑚活性关键指标的声光双维度描述，经由与存储单元中先验融合数据的比对，给出目标珊瑚活性状况判别，最后将相应结果由相连的显示器展示给工作人员。

进一步地，后台终端的存储单元中先验融合数据库存储先验的不同深度不同活性珊瑚目标的超声和光融合数据，作为对探测目标的活性判断标准；除此以外，融合数据处理器会将处理单元每一次处理的数据及判断结果作为新的先验数据保存进入存储单元的更新数据库；定期用更新数据库对先验融合数据库实行再优化操作。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种声光融合的珊瑚活性探测方法，所述探测方法包括以下步骤：

S0、前端采集装置部署：根据目标礁群的分布状况，利用无人机或小型探测船只将前端采集装置均匀地部署到目标海域；

S1、前端采集装置部署平时处于待机模式，此时定位模块会定时接收并经前端通信模块向后台终端上传自身的GPS定位数据，数据采集模块则处于关闭状态；

S2、初始化：工作人员确认需要探测的目标珊瑚区域位置后，通过后台终端的操作设备查阅已部署前端采集装置的定位数据，对距离目标区域最近者发送探测指令以及目标的定位数据；前端采集装置的前端通信模块在接收到后台终端发送的指令与数据后进入探测模式；前端通信模块将从后台终端接收的指令转发给控制模块；控制模块控制数据采集模块的机械控制单元对大功率发射探头和高分辨率水下摄影机进行旋转、俯仰调整，以使其对准目标区域的第一个子区域；

S3、超声数据采集与传输：校准完成后，数据采集模块的超声数据采集单元开始工作；首先，超声信号发射部件的功能电路对后台终端产生的、经通信模块传输至此的宽频超声探测信号进行数模转换和功率放大，然后由超声发射探头将探测信号发出；超声信号接收部件在接收到目标珊瑚的回波信号后，接收电路进行前置放大、模数转换后，传输至前端通信模块进行缓存和后续传输工作；

S4、超声数据处理：后台终端的存储单元将数据进行存储并转发给融合数据处理器；融合数据处理器对超声回波信号的时延、回波强度等参数进行分析处理后，得到前端采集装置与目标的距离，再根据机械装置的俯仰角度，求得目标的水域深度，最后将距离和深度的计算结果经通信模块传输至控制模块；

S5、光数据采集与传输：控制模块在接收到后台终端产生的目标深度参数后，控制数据采集模块中光数据采集单元的高分辨率水下摄影机根据深度参数调整镜头焦距，以对目标珊瑚进行图片数据采集，并将采集到的数据经前端通信模块发送至后台终端；

S6、光数据处理与数据融合：后台终端的存储单元对前端采集装置经前端、后端通信模块输入的数据进行存储，并转发给融合数据处理器进行处理工作；融合数据处理器对光学数据进行目标识别分析；另外，融合数据处理器还会对反映目标软硬程度的超声数据与表示目标颜色的光数据进行相关性分析等融合处理，从而获得对目标珊瑚的白化情况这一判断珊瑚活性关键指标的声光双维度描述；存储单元的先验融合数据库存储先验的不同深度不同活性程度珊瑚的超声和光融合数据，作为对探测目标的活性判断标准；融合数据处理器将探测目标的融合数据与存储单元中先验融合数据进行比对，给出目标珊瑚活性状况判别，之后由相连的显示器展示给工作人员；

S7、下一子区域探测：该子区域探测完成后，控制模块将控制数据采集模块的机械控制单元对大功率发射探头和高分辨率水下摄影机进行旋转、俯仰调整，以使其对准目标区域的下一个子区域，重复步骤S3-S6直至所有子区域探测完毕；此时，融合数据处理器向显示器输出结束探测的请求，经工作人员确认后，控制模块控制前端采集装置重新回到待机模式；

S8、下一目标检测：工作人员确认下一目标区域的方位，并通过新目标区域的定位数据重新选定相距最近的前端采集装置，对下一区域进行检测；重复步骤S3-S7直至所有区域检测完成；

S9、先验数据库维护与更新：将每一次检测工作产生的新的声光融合数据与相应判别结果，存储在存储单元的更新数据库中；先验融合数据库将会定时将更新数据库中数据进行整合，从而保证数据库的可靠性，进而提高系统的最终判断准确率。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明以超声探测为基础，通过光学手段以及先验数据辅助，在后台终端中进行融合数据处理的方法，完成珊瑚活性的探测工作，利用相关超声和光学设备价格便宜的特点，通过以一种固定的前端采集装置代替出动探测船的方案和采用前端采集、后台处理分离的结构，给出了一种低成本、全天候、轻量级的解决方案，使得珊瑚活性探测工作能够突破传统人工方法对地点、时间的限制，降低了工作人员的经济和时间成本。

2、本发明利用了超声的特性对目标珊瑚测深，同时利用不同活性的珊瑚对超声的吸收特性不同这一性质，给出了一种超声探测珊瑚活性的方法。该方法能够突破以往光学方法面临的海洋光照条件限制，使得探测工作能在阴雨天气、浑浊海域等光照条件不利的情况下正常进行，即能够拥有更强的环境适应能力。

3、本发明根据珊瑚的白化特性反映出来的变硬和变白，用超声回波反演出目标珊瑚所处的准确位置和软硬程度，辅助光学手段来采集珊瑚的颜色，进而对不同海域环境的珊瑚采集的超声数据和光学数据进行融合处理，从而判断珊瑚的活性，提高了探测结果的鲁棒性和准确度。

4、本发明具有良好的拓展性。工作人员可以在前端采集装置上增加不同的传感器以采集目标珊瑚水域环境参数，如温度、盐度、水流速度等，与超声和光数据共同进行融合处理，使得探测结果更为准确。

附图说明

图1是本发明公开的一种声光融合的珊瑚活性探测系统的结构框图；

图2是本发明中数据采集模块结构框图；

图3是本发明中超声数据采集单元结构框图；

图4是本发明公开的一种声光融合的珊瑚活性探测方法的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1所示是本发明公开的一种声光融合的珊瑚活性探测系统的结构框图，该珊瑚活性探测系统包括由控制模块、数据采集模块、定位模块、前端通信模块、电源组成的前端采集装置以及由融合数据处理器、存储单元、操作设备、后端通信模块和显示器组成的后台终端。

前端采集装置的各模块集成在一起，部署在目标礁群海域，且固定牢靠。控制模块接收、处理和转发数据采集模块、定位模块和前端通信模块传输的指令和数据，实现对数据采集模块、定位模块和前端通信模块的总体控制。数据采集模块用于完成珊瑚的超声数据和光数据采集。定位模块采用微型GPS终端实现，用以实时向后台终端报告搭载该定位模块的前端采集装置的具体位置。前端通信模块实现控制模块、数据采集模块、定位模块与后台终端的数据交互。电源为前端采集装置整体供电。

上述后台终端负责对采集的数据进行处理、显示以及实现人机交互。融合数据处理器对光数据和超声数据进行预处理、相关性分析、先验数据比对进而给出珊瑚活性的判断，同时利用当前采集数据与判断结果对先验融合数据库进行更新。存储单元对先验融合数据以及后端通信模块输入的前端装置定位数据、装置采集的超声和光数据进行存储，并将定位数据输出到显示器以供工作人员确认装置方位。操作设备实现工作人员对系统的输入。后端通信模块与前端通信模块无线连接，实现后台终端与前端采集装置中各模块的数据互联。显示器用于显示设置参数和显示目标成像。

图2所示是前端采集装置中数据采集模块的结构框图，包括机械控制单元、超声数据采集单元以及光数据采集单元。机械控制单元根据后台终端的指令实现前端采集装置的机械单元结构的俯仰、旋转操作以使探测设备校准锁定探测目标；超声数据采集单元负责发射超声探测信号和采集珊瑚反射的超声回波信号，该回波信号用于对珊瑚的水域深度测定和活性判断；光数据采集单元实现对目标的高分辨率光学图像拍摄。

图3所示是超声数据采集单元的结构框图，包括超声信号发射部件以及超声信号接收部件。超声信号发射部件包括数模转换电路、功率放大电路以及利用高性能超声换能器构建的大功率发射探头。超声信号经过发射部件相应功能电路完成数模转换和功率放大后，通过探头实现信号的发射。超声信号接收部件由高灵敏接收探头阵列、前置放大电路、模数转换电路构成。接收探头阵列接收到目标回波信号后，经由其中相应的功能电路进行前置放大、模数转换后，将信号传送至通信模块进行缓存和后续传输工作。

实施例二

图4所示是系统工作流程图。该珊瑚活性探测方法的基本工作原理与流程如下，包括以下步骤：

S0、前端采集装置部署：根据目标礁群的分布状况，利用无人机或小型探测船只将前端采集装置均匀地部署到目标海域；

S1、前端采集装置部署平时处于待机模式，此时定位模块会定时接收并经前端通信模块向后台终端上传自身的GPS定位数据，数据采集模块则处于关闭状态；

S2、初始化：工作人员确认需要探测的目标珊瑚区域位置后，通过后台终端的操作设备查阅已部署前端采集装置的定位数据，对距离目标区域最近者发送探测指令以及目标的定位数据；前端采集装置的前端通信模块在接收到后台终端发送的指令与数据后进入探测模式；前端通信模块将从后台终端接收的指令转发给控制模块；控制模块控制数据采集模块的机械控制单元对大功率发射探头和高分辨率水下摄影机进行旋转、俯仰调整，以使其对准目标区域的第一个子区域；

S3、超声数据采集与传输：校准完成后，数据采集模块的超声数据采集单元开始工作；首先，超声信号发射部件的功能电路对后台终端产生的、经通信模块传输至此的宽频超声探测信号进行数模转换和功率放大，然后由超声发射探头将探测信号发出；超声信号接收部件在接收到目标珊瑚的回波信号后，接收电路进行前置放大、模数转换后，传输至前端通信模块进行缓存和后续传输工作；

S4、超声数据处理：后台终端的存储单元将数据进行存储并转发给融合数据处理器；融合数据处理器对超声回波信号的时延、回波强度等参数进行分析处理后，得到前端采集装置与目标的距离，再根据机械装置的俯仰角度，求得目标的水域深度，最后将距离和深度的计算结果经通信模块传输至控制模块；

S5、光数据采集与传输：控制模块在接收到后台终端产生的目标深度参数后，控制数据采集模块中光数据采集单元的高分辨率水下摄影机根据深度参数调整镜头焦距，以对目标珊瑚进行图片数据采集，并将采集到的数据经前端通信模块发送至后台终端；

S6、光数据处理与数据融合：后台终端的存储单元对前端采集装置经前端、后端通信模块输入的数据进行存储，并转发给融合数据处理器进行处理工作；融合数据处理器对光学数据进行目标识别分析；另外，融合数据处理器还会对反映目标软硬程度的超声数据与表示目标颜色的光数据进行相关性分析等融合处理，从而获得对目标珊瑚的白化情况这一判断珊瑚活性关键指标的声光双维度描述；存储单元的先验融合数据库存储先验的不同深度不同活性程度珊瑚的超声和光融合数据，作为对探测目标的活性判断标准；融合数据处理器将探测目标的融合数据与存储单元中先验融合数据进行比对，给出目标珊瑚活性状况判别，之后由相连的显示器展示给工作人员；

S7、下一子区域探测：该子区域探测完成后，控制模块将控制数据采集模块的机械控制单元对大功率发射探头和高分辨率水下摄影机进行旋转、俯仰调整，以使其对准目标区域的下一个子区域，重复步骤S3-S6直至所有子区域探测完毕；此时，融合数据处理器向显示器输出结束探测的请求，经工作人员确认后，控制模块控制前端采集装置重新回到待机模式；

S8、下一目标检测：工作人员确认下一目标区域的方位，并通过新目标区域的定位数据重新选定相距最近的前端采集装置，对下一区域进行检测；重复步骤S3-S7直至所有区域检测完成；

S9、先验数据库维护与更新：将每一次检测工作产生的新的声光融合数据与相应判别结果，存储在存储单元的更新数据库中；先验融合数据库将会定时将更新数据库中数据进行整合，从而保证数据库的可靠性，进而提高系统的最终判断准确率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。