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基于水平鱼探仪影像的金枪鱼追踪系统研究

作　者: 袁俊
导　师: 韩军
学　校: 上海海洋大学
专　业: 渔业资源
关键词: 水平鱼探仪金枪鱼鱼群追踪交互多模型（IMM）算法联合概率数据关联（JPDA）算法卡尔曼滤波
分类号: S972
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

金枪鱼围网作业中一项关键技术就是利用水平鱼探仪掌握水下信息。水平鱼探仪由早期负责搜索侦查鱼群转变成现在主要用途为监控水下围网网形的展开和鱼群运动状态。目前金枪鱼围网渔业中存在空网率高，不宜掌握水下鱼群动向的问题。如果能够实时追踪鱼群运动方向，预测鱼群速度，采取手段防止鱼群逃逸就显得尤为重要。本文提出了一种基于水平鱼探仪影像的金枪鱼跟踪系统，主要包括数据采集系统和鱼群跟踪算法。目前系统已经安装在一艘金枪鱼围网渔船上并记录海上真实数据。本文研究的目的是探讨应用基于水平鱼探仪影像的金枪鱼追踪系统，期望达到金枪鱼鱼群运动状态的追踪检测，从而提高围网投网成功率等目的。该金枪鱼追踪系统在硬件方面集成了用于测量鱼群位置的水平鱼探仪数据综合探测和记录系统，软件方面主要通过声学图像处理等方法开发的IMM-JPDA综合应用追踪算法，以及用于目标追踪、记录分析等跟踪手法。通过声学图像处理提取目标鱼群信息，使用交互式多模型（IMM）算法和联合概率数据关联（JPDA）算法跟踪鱼群运动状态。以此实现金枪鱼游泳速度和运动方向的实时预测和显示。了解金枪鱼的逃逸速度，借此可以及时控制网位网形防止鱼群逃脱。本文研究的内容是以水平鱼探仪为主要设备，以计算机算法和水下探测以及目标识别追踪技术为方法，分别探讨了水平鱼探仪的成像方法，数据接收和显示系统的说明以及数据格式及其处理方法。首先，研究水平鱼探仪数据接收仪器的连接来完成海上数据的记录；其次，根据水平鱼探仪的数据处理方法，研究水平鱼探仪图像处理方法；再次，使用三维处理技术对水平鱼探仪图像中的水下数据就行三维演示；最后，利用运动目标追踪技术对水平鱼探仪图像进行研究，探讨金枪鱼鱼群在围网作业中的运动状态。本文主要的研究成果如下：1．针对水平鱼探仪的成像特点，对水平鱼探仪采集的图形进行图像重新绘制和图像的预处理，采用阈值滤波的算法后可明显区分背景噪声和目标回声，以此区分背景和机动目标，此方法可快速自动多幅连续处理水平鱼探仪图像，便于随后的目标追踪研究。利用photoshop的illustrator ai技术，把单帧的水平鱼探仪图像转换为矢量图像数据格式，并导入3DMax软件进行三维编辑显示。2．使用IMM-JPDA算法和卡尔曼滤波追踪，采用匀速模型、匀加速模型和布朗模型模拟金枪鱼运动状态，追踪一个网次数据100帧图像，结果得出鱼群速度在0-10m/s区间范围内变动，最大速度达到35m/s。鱼群最小离网距离在100m至300m区间内。鱼群运动速度和最小离网距离说明，在一个放网周期内，金枪鱼鱼群运动状态是多变的。3．在3DMax中对矢量化后的水平鱼探仪图像进行编辑，并导出三维显示视频文件，使用水平鱼探仪对水下围网的网型和鱼群进行了三维显示处理，由于追踪的金枪鱼鱼群主要为浮水鱼群，且水平鱼探仪水平波束发射角度从-4°至-45°的角度变化，鱼群在三维显示中不明显，围网网型张开较好，在水下显示为圆形巨大声墙。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-20
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 研究目的和意义  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-17
    1.3.1 渔业资源研究  12-13
    1.3.2 鱼群跟踪技术  13-14
    1.3.3 水声学图像三维处理技术  14-17
  1.4 研究方法与步骤  17-19
  1.5 章节概要说明  19-20
第二章材料与方法  20-42
  2.1 水平鱼探仪数据记录显示系统  20-30
    2.1.1 水平鱼探仪成像方法  20-21
    2.1.2 水平鱼探仪数据接收机系统构成说明  21-25
      2.1.2.1 仪器接续方法说明  22-24
      2.1.2.2 信号传输说明  24
      2.1.2.3 各个处理类函数的说明，以及源代码等说明及实现方法  24-25
    2.1.3 水平鱼探仪数据显示系统说明  25-29
    2.1.4 水平鱼探仪数据格式  29-30
  2.2 辅助探测系统配置  30-32
    2.2.1 GPS 定位系统  31
    2.2.2 姿态记录  31-32
  2.3 水平鱼探仪图像预处理  32-36
    2.3.1 概要  32
    2.3.2 水平鱼探仪数据处理  32-33
    2.3.3 水平鱼探仪成像分辨率  33-34
    2.3.4 水平鱼探仪图像预处理  34
    2.3.5 水平鱼探仪图像三维处理  34-36
  2.4 运动目标跟踪  36-42
    2.4.1 概要  36
    2.4.2 运动目标跟踪的原理  36-37
    2.4.3 运动目标跟踪的方法  37-42
      2.4.3.1 运动模型--交互式多模型（IMM）算法  37-39
      2.4.3.2 数据关联--联合概率数据关联（JPDA）算法  39-41
      2.4.3.3 卡尔曼滤波器  41
      2.4.3.4 目标跟踪结果分析及其应用  41-42
第三章结果及分析  42-46
  3.1 海上试验  42
  3.2 追踪分析  42-46
第四章结论与展望  46-48
  4.1 结论  46-47
  4.2 展望  47-48
参考文献  48-52
附录  52-63
致谢  63

基于水平鱼探仪影像的金枪鱼追踪系统研究

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