水下LED集魚燈燈載視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧克祥， 許家龍， 王偉杰,3， 錢衛(wèi)國(guó),3， 葉 超

(1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2 上海嘉寶協(xié)力電子有限公司，上海 201802；3 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

水下LED集魚燈燈載視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧克祥1， 許家龍2， 王偉杰1,3， 錢衛(wèi)國(guó)1,3， 葉 超1

(1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2 上海嘉寶協(xié)力電子有限公司，上海 201802；3 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

為實(shí)時(shí)獲取光誘捕撈作業(yè)時(shí)水下魚群狀態(tài)的視頻信息，設(shè)計(jì)了一款水下LED集魚燈燈載視頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上以水下LED集魚燈為載體，在其內(nèi)部嵌入了一套數(shù)字視頻解決方案；在信號(hào)處理上利用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以克服電力線上的雜波和電流信號(hào)固定脈沖對(duì)視頻信號(hào)的干擾；在通信設(shè)計(jì)上以電力載波(PLC)方式作為視頻信號(hào)傳輸方案。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其信號(hào)傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，在電力線標(biāo)稱截面積6 mm2、長(zhǎng)度30 m時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)3 ms，丟包率0%，實(shí)際傳輸速率為8 000 Kbps。系統(tǒng)在不改變集魚燈結(jié)構(gòu)的前提下，添加了視頻拍攝功能，且無需單獨(dú)增設(shè)視頻傳輸線，可作為光誘漁船上的輔助漁撈設(shè)備使用，也可拓展應(yīng)用于魚類行為實(shí)驗(yàn)中。

水下LED集魚燈；視頻；正交頻分復(fù)用；電力載波

光誘捕撈作業(yè)時(shí)，一般先使用探魚儀確定魚群位置，再在魚群附近開啟集魚燈誘集魚群聚集，待魚群穩(wěn)定后再進(jìn)行捕撈[1]。此過程中探魚儀能夠探測(cè)和追蹤魚群，獲取魚群的大小和位置信息，可大幅提高捕撈作業(yè)的效率[2-5]。但目前探魚儀采用的聲成像技術(shù)，圖形分辨率偏低，魚群在屏幕上只顯示為一團(tuán)移動(dòng)的色塊，無法直接觀測(cè)到水下魚群活動(dòng)的具體情況，如集群狀態(tài)下的魚群穩(wěn)定性、魚群對(duì)燈光的反應(yīng)等，因而無法準(zhǔn)確判斷下網(wǎng)時(shí)機(jī)?，F(xiàn)行解決方案是延長(zhǎng)集魚燈照明時(shí)間，但這同時(shí)也造成集魚燈能源浪費(fèi)、捕撈作業(yè)耗時(shí)長(zhǎng)等問題[6]。另外，集魚時(shí)間過長(zhǎng)也可能導(dǎo)致捕撈產(chǎn)量下降[7]。如何準(zhǔn)確獲取水下魚群動(dòng)態(tài)是當(dāng)前亟待解決的問題。使用光成像技術(shù)的水下攝像機(jī)能有效捕捉水中魚群活動(dòng)狀態(tài)[8-9]，但目前市場(chǎng)上的水下攝像機(jī)需要專人操作，且操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不適合作為漁撈設(shè)備直接引入漁業(yè)。因此，針對(duì)漁船作業(yè)環(huán)境要求設(shè)計(jì)了一種新型水下視頻觀測(cè)系統(tǒng)，以期為相關(guān)研究人員和漁業(yè)工作者提供一些參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于LED水下集魚燈對(duì)水壓的耐受能力已經(jīng)通過了生產(chǎn)實(shí)踐的考驗(yàn)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將其作為載體[10-12]。本文以LEDSZ1000型水下LED集魚燈為例，其額定電壓為直流60 V，額定功率為1 kW。

1.1 系統(tǒng)組成

水下LED集魚燈的燈載視頻系統(tǒng)由燈端和船端兩部分組成，燈端包括誘魚模塊、視頻模塊和PLC通信模塊，船端包括PLC通信模塊、上位機(jī)和電源模塊(圖1)。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1 Functional module of the video system

其中，誘魚模塊即為水下LED集魚燈的燈體部分，通過發(fā)光引誘魚群聚集，同時(shí)為視頻模塊提供照明；視頻模塊用于記錄水下視頻信息，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；燈端的PLC通信模塊負(fù)責(zé)將視頻模塊記錄的數(shù)字視頻信號(hào)調(diào)制為PLC幀信號(hào)，并將其耦合到電力線上；船端的PLC通信模塊則從電力線上耦合出PLC幀信號(hào)，并解調(diào)為數(shù)字視頻信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)從船端PLC通信模塊接收到的水下視頻；電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電力保障。

1.2 燈端結(jié)構(gòu)

燈端的誘魚模塊、視頻模塊和PLC通信模塊都內(nèi)嵌于集魚燈燈殼內(nèi)部。為了便于固定、保證散熱效果，視頻模塊(攝像頭)安裝在集魚燈內(nèi)六棱柱基板的下表面。集魚燈底部燈罩為半球形石英玻璃燈罩，攝像頭安裝位置恰好處于半球形燈罩的球心，攝像頭方向朝下。燈端PLC通信模塊內(nèi)置于銅質(zhì)燈頭空心部位，并通過模擬前端與集魚燈的電力線相連，其信號(hào)端則連接到視頻模塊上(圖2)。

圖2 燈端結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of lamp end’s structure

1.3 船端結(jié)構(gòu)

船端的電源模塊通過電力線連接誘魚模塊和燈端PLC通信模塊，同時(shí)也與船端PLC通信模塊的模擬前端相連。船端PLC通信模塊的信號(hào)端接口類型為RJ45，通過網(wǎng)線連接到漁船駕駛室的上位機(jī)。

2 數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)干擾

考慮到漁船的特殊工作環(huán)境，水下LED集魚燈燈載視頻系統(tǒng)采取載波式的信號(hào)傳輸方式，使用的電力載波技術(shù)采用了HomePlug AV規(guī)范，其理論最高傳輸速率可達(dá)到200 Mbps[13-15]。但這種將視頻信號(hào)加載在電力線電流信號(hào)之上的信號(hào)傳輸方式，視頻信號(hào)容易受到干擾(包括電流信號(hào)本身固有脈沖的干擾和電力線上其他雜波的干擾)，可能導(dǎo)致上位機(jī)接收到的視頻信號(hào)丟幀，甚至可能完全接收不到信號(hào)[16-17]。為解決這一問題，系統(tǒng)在調(diào)制和解調(diào)信號(hào)時(shí)采用了正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)進(jìn)行處理。

2.2 信號(hào)處理

OFDM是一種并行調(diào)制技術(shù)，其信號(hào)頻譜利用率很高[18-19]。在視頻信號(hào)發(fā)送時(shí)，采用Homeplug協(xié)議中規(guī)定的Powerpacket處理技術(shù)，將所有被發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)位的載波信號(hào)合并成一個(gè)傳輸信號(hào)[20-21]。同時(shí)將傳輸信號(hào)從頻域轉(zhuǎn)換為時(shí)域并插入警戒區(qū)間和循環(huán)前綴。OFDM不僅消除了信號(hào)波形間的干擾，也提高了頻譜利用率。同時(shí)，使得信號(hào)傳送不受雜波干擾，抗外界干擾能力也更強(qiáng)[22-23]。

2.3 數(shù)據(jù)通信流程

系統(tǒng)工作后，視頻模塊收到視頻請(qǐng)求開始記錄水下的視頻信息。處理器以MPEG-4視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮視頻模塊采集的數(shù)據(jù)，完成視頻數(shù)據(jù)的編碼和封裝。封裝好的視頻信號(hào)經(jīng)RJ45以太網(wǎng)接口傳輸給控制器，再處理成標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)MII接口信號(hào)，通過PLC處理器，再將其調(diào)制成PLC幀信號(hào)，由模擬前端發(fā)送到耦合電路耦合到電力線的電流信號(hào)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，船端PLC通信模塊從電力線上耦合出PLC幀信號(hào)，并按上述逆過程最終將壓縮的視頻信號(hào)解碼成原始的視頻流文件，提供給上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)(圖3)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試方案

為了檢測(cè)系統(tǒng)能否正常工作，即上位機(jī)能否接受到燈端的視頻信號(hào)，本課題組做了相關(guān)測(cè)試。測(cè)試時(shí)采用的電力線為水下LED集魚燈標(biāo)配的潛水電纜，其標(biāo)稱截面積為6 mm2。以光誘圍網(wǎng)捕撈為例，作業(yè)中水下集魚燈實(shí)際放置深度為20～30 m水深，因此本測(cè)試中選取的電力線長(zhǎng)度為30 m。為了模擬水下集魚燈真實(shí)工作環(huán)境和保障系統(tǒng)的散熱，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)的燈端和電力線浸沒在水槽中。測(cè)試前先開啟系統(tǒng)工作20 min，以保證系統(tǒng)測(cè)試時(shí)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。測(cè)試時(shí)用PC機(jī)替換系統(tǒng)中的上位機(jī)，并將船端的PLC通信模塊通過網(wǎng)線直接連接到PC機(jī)上。系統(tǒng)延時(shí)和丟包率通過PC機(jī)命令提示符的Ping命令直接測(cè)得，傳輸速率則通過Jperf 2.0軟件測(cè)得。

圖3 數(shù)據(jù)通信流程圖Fig.3 Flow chart of data communication

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)延時(shí)3 ms，丟包率為0%。系統(tǒng)視頻信號(hào)的傳輸速率為8 000 Kbps，滿足高清視頻數(shù)據(jù)的傳輸要求。

4 討論與結(jié)論

1)水下LED集魚燈燈載視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以水下LED集魚燈為載體，增設(shè)的視頻模塊和燈端PLC通信模塊內(nèi)置于燈體內(nèi)，保證了系統(tǒng)的密閉性。同時(shí)，系統(tǒng)將視頻信號(hào)加載在電力線的電流信號(hào)之上進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸，不需要單獨(dú)增設(shè)信號(hào)線，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。

2)水下LED集魚燈燈載視頻系統(tǒng)可以配合探魚儀使用，使得操作者不僅能夠掌握整體魚群的大小和位置信息，同時(shí)也能獲取集群狀態(tài)下魚群游動(dòng)狀態(tài)的細(xì)節(jié)信息，有利于操作者判斷捕撈時(shí)機(jī)，提高捕撈效率。

3)水下LED集魚燈燈載視頻系統(tǒng)拓展應(yīng)用至魚類行為觀察實(shí)驗(yàn)，特別是研究漁船作業(yè)時(shí)水下魚群逃逸和趨光等行為，還可進(jìn)一步用于研究捕撈中的漁具操作以及燈光強(qiáng)弱、顏色等對(duì)魚類集群影響等試驗(yàn)。

本系統(tǒng)在集魚燈內(nèi)增加視頻模塊和燈端PLC通信模塊，其帶來的負(fù)載變化對(duì)集魚燈發(fā)光特性是否有影響及影響大小還需要深入研究。另外，系統(tǒng)成像效果受到攝像頭焦距、集魚燈顏色等的影響，尚需進(jìn)一步試驗(yàn)探究硬件配置的合理性和優(yōu)化方法，以使系統(tǒng)達(dá)到最佳成像效果。

[1] 鄭建麗,焦?fàn)?張怡,等.燈光圍網(wǎng)漁船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)論證[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2014,41(5):49-53.

[2] 王杰明,唐衍力.中西太平洋金槍魚圍網(wǎng)技術(shù)及存在的問題[J].海洋湖沼通報(bào),2004,38(1):96-100.

[3] 袁俊.基于水平魚探儀影像的金槍魚追蹤系統(tǒng)研究[D].上海:上海海洋大學(xué),2012.

[4] 葉磊.探魚聲納接收采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2014.

[5] 劉瑀晨.探魚聲吶信號(hào)處理子板軟硬件設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2014.

[6] 許巍.西北太平洋秋刀魚舷提網(wǎng)捕撈技術(shù)研究[D].上海:上海海洋大學(xué),2006.

[7] 周松,王蘭生.燈光圍網(wǎng)光誘時(shí)間長(zhǎng)短的控制[J].海洋漁業(yè),1989,38(6):36-37.

[8] LINES J A, TILLETT R D, ROSS L G,etal. An automatic image-based system for estimating the mass of free-swimming fish[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2001, 31(2): 151-168.

[9] HARVEY E, CAPPO M, SHORTIS M,etal. The accuracy and precision of underwater measurements of length and maximum body depth of southern bluefin tuna (thunnusmaccoyii) with a stereo-video camera system[J]. Fisheries Research, 2003, 63(3): 315-326.

[10]李天華.LED水下集魚燈的研究與設(shè)計(jì)探討[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2010,37(3):64-67.

[11]錢衛(wèi)國(guó),陳新軍,錢雪龍,等.國(guó)產(chǎn)LED水下集魚燈光學(xué)特性與節(jié)能分析[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2010,37(6):56-61.

[12]錢衛(wèi)國(guó),孫滿昌.水下燈在魷釣作業(yè)中的集魚效果[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2000,27(6):10-11.

[13]VLACHOU C, BANCHS A, SALVADOR P,etal. Analysis and enhancement of csma/ca with deferral in power-line communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, 34(7): 1978-1991.

[14]AFKHAMIE K H, KATAR S, YONGE L,etal. An overview of the upcoming homeplug av standard[C]. International Symposium on Power Line Communications and ITS Applications, 2005: 400-404.

[15]HAZEN M E. The technology behind homeplug av powerline communications[J]. Computer, 2008, 41(6): 90-92.

[16]高金輝,申杰奮,楊軍平.低壓電力線載波通信干擾因素的解決方法[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35(2):89-92.

[17]SIVANEASAN B, GUNAWAN E, SO P L. Modeling and performance analysis of automatic meter-reading systems using plc under impulsive noise interference[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2010, 25(3): 1465-1475.

[18]阿良田,洋雄. Ofdm-dat通信方式の提案:シャノンの限界は迂回できるか(一般,無線通信方式,無線通信システム,標(biāo)準(zhǔn)化及び一般)[J].電子情報(bào)通信學(xué)會(huì)技術(shù)研究報(bào)告:rcs,無線通信システム,2013,113(246):139-144.

[19]張潤(rùn)曦,李小進(jìn),賴宗聲.基于ldpc編碼及l(fā)s估計(jì)的ofdm系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005,28(13):1-2.

[20]HSU C, WANG N, CHAN W Y,etal. Improving homeplug power line communications with ldpc coded ofdm[C]. Intelec 2006: 28th International Telecommunication Energy Conference, 2006: 1-7.

[21]鄢菁.基于中壓電力線的配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)研究—子站系統(tǒng)[D].武漢:武漢大學(xué),2004.

[22]甘華強(qiáng),王軍,周鵬,等.復(fù)雜多徑信道下的ofdm抗干擾同步算法[J].信號(hào)處理,2015,31(11):1461-1466.

[23]賀蘇寧. Ofdm調(diào)制抗干擾性能分析與仿真[J].電信技術(shù)研究,2001,57(6):21-27.

The design of video system loaded in underwater LED fish gathering lamp

LU Kexiang1, XU Jialong2, WANG Weijie1,3, QIAN Weiguo1,3, YE Chao1

(1 College of Marine Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2ShanghaiJiabaoXieliElectronicsCo.,LTD,Shanghai201802,China;3NationalEngineeringResearchCenterforOceanicFisheries,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

In order to obtain the real-time video information of fish in light fishing, a video system loaded in underwater LED fish gathering lamp was designed. In terms of structure design, the underwater LED fish gathering lamp was taken as a carrier, and a set of digital video solution was embedded in it. As to the digital design, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) was used to overcome the interference of the clutter and the fixed pulse of current signal in the power line to the video signal. In communication design, power line communication (PLC) was used as a video signal transmission scheme. The system was tested after design, and the test results showed that, on the condition that the power line’s nominal cross-sectional area is 6 mm2, and its length is 30 m, the system delay is 3 ms, the packet loss rate of the system is 0%, and the actual transmission rate is 8 000 Kbps. This system, on the condition that it doesn’t change the lamp’s structure and adds no additional single line, adds the video function to the underwater LED fish gathering lamp, and can be either used as an auxiliary fishing equipment in light fisheries or applied in fish behavior experiment.

underwater LED fish gathering lamp; video; orthogonal frequency division multiplexing; power line communication

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.010

2016-08-17

2016-10-29

上海市科委項(xiàng)目(14DZ1205000)；國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心開放課題(A-0209-14-0506-3)

盧克祥(1992—)，男，碩士研究生，研究方向：漁具漁法。E-mail: lkx2011abc@outlook.com

錢衛(wèi)國(guó)(1977—)，男，教授，研究方向：集魚燈、魚類行為學(xué)。E-mail: wgqian@shou.edu.cn

S972.6

A

1007-9580(2016)06-051-04