ANALISIS PENENTUAN JENIS KAWANAN IKAN BERDASARKAN DETEKSI FASA PANTULAN GELOMBANG AKUSTIK DAN PENERAPAN HIDDEN MARKOV MODEL
ARMAN DJOHAN DIPONEGORO
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
SURAT PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Penentuan Jenis Kawanan Ikan Berdasarkan Deteksi Fasa Pantulan Gelombang Akustik dan Penerapan Hidden Markov Model adalah karya saya sendiri dengan arahan pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Agustus 2007
Arman Djohan Diponegoro NIM C561020041
ABSTRAK
ARMAN D DIPONEGORO. Analisis Penentuan Jenis Kawanan Ikan Berdasarkan Deteksi Fasa Pantulan Gelombang Akustik dan Penerapan Hidden Markov Model. Dibimbing oleh Dr. Ir. INDRA JAYA M.Sc., Prof. Dr. Ir. BONAR P. PASARIBU M.Sc., Dr. Ir. TOTOK HESTIRIANTO M.Sc. Penelitian ini ditujukan untuk membuktikan bahwa perubahan fase dari pendeteksian gelombang pantul dari gerakan kawanan ikan dan bentuk gelombang dari perubahan fase gelombang pantul tersebut tergantung dari jenis ikan yang diamati. Disamping itu dengan menggunakan teknik Hidden Markov Model (HMM) dapat dikenal jenis ikan yang diamati terhadap sejumlah jenis ikan lainnya. Penelitian ini dilakukan dalam tiga kegiatan yaitu simulasi perubahan fase, uji coba di lapangan dan simulasi adanya gangguan. Data perubahan fase yang diperoleh dari hasil simulasi perubahan fase dengan menggunakan ikan-ikanan dalam bentuk, ukuran, bahan permukaan dan formasi susunan ikan-ikanan dalam satu kelompok yang berbeda Simulasi dilakukan dengan cara menarik ikan-ikanan oleh motor listrik dengan kecepatan dan arah gerakan terhadap posisi transducer yang berbeda. Simulasi gangguan dilakukan untuk mengetahui besar pengaruh gangguan yang mungkin terjadi seperti pantulan dari obyek sekitarnya, suara motor, gelombang dari perangkat instrumen lainnya yang mempunyai frekuensi sama. Simulasi dilakukan dengan menggunakan beberapa rangkaian elektronik yang mewakili gelombang yang dipantulkan kawanan ikan, gelombang yang dipantulkan obyek sekitarnya dan suara motor. Untuk memperoleh kondisi yang nyata, dilakukan eksperimen di kolam ikan karantina Seaword dan di P. Genteng kecil Kep. Seribu dengan menggunakan keramba apung 4x4 m. Jenis ikan yang digunakan adalah sejumlah jenis ikan schooling , shoaling dan soliter. Dalam penelitian ini gelombang perubahan fase dari semua jenis ikan yang digunakan, dideteksi dengan perangkat akustik pendeteksi jenis ikan dengan menggunakan teknik phase shifted detection. Untuk menganalisis gelombang perubahan fase dari masing-masing jenis ikan atau ikan-ikanan, gelombang perubahan fase tersebut dikonversi ke bentuk frekuensi spektrum dengan teknik Fast Fourier Transform (FFT). Untuk membedakan jenis ikan atau ikan-ikanan yang dideteksi dihitung sudut antara garis kemiringan puncak spektrum dari percobaan-percobaan yang akan dibandingkan. Bila dua garis yang dibandingkan sejajar atau sudut antaranya 00 berarti gelombang perubahan fase yang dibandingkan bentuknya sama. Demikian sebaliknya bila membentuk sudut tertentu berarti bentuk gelombang perubahan fase yang dibandingkan tidak sama. Untuk melakukan proses pengenalan (recognition) digunakan metode Hidden Markov Model (HMM) salah satu dari teknik Kecerdasan Tiruan (artificial intellegent). Dari hasil proses pengenalan dengan teknik HMM diperoleh bahwa deteksi perubahan fasa untuk jenis ikan schooling dapat dikenal secara akurat atau jenis ikan yang teridentifikasi 100 % kecuali untuk jenis ikan shoaling dan soliter. Dari hasil simulasi gangguan gelombang pantul dari obyek sekitarnya, suara motor dan gelombang akustik dengan frekuensi yang sama tidak mempengaruhi hasil akhir proses pengenalan. Kata Kunci : Akustik, Deteksi fase, Pengenalan Jenis kawanan Ikan, Hidden markov Model
ABSTRACT
ARMAN D DIPONEGORO. Analysis to Recognize The Schooling of Fish Species Based on The Phase of Acoustic Reflection Wave and The Application of Hidden Markov Model. Under direction of Dr. Ir. INDRA JAYA M.Sc., Prof. Dr. Ir. BONAR P. PASARIBU M.Sc., Dr. Ir. TOTOK HESTIRIANTO M.Sc. The aim of this research was to show that detection of phase shifted of acoustic wave reflection due to the movement of the fish school could identify the kind of fish school or the moving targets from its properties. Using the Hidden Markov Model (HMM), the observed fish school could be recognized from other fish schools. The research were executed into three experiments, namely phase shifted detection simulation, interference simulation and in situ experiment. The phase shifted detection simulation was executed to prove that the waveform of phase shifted reflected acoustic wave of moving target could identify its characteristics based on its dimension, shape, speed and structure in a group that simulated by the number of imitation fishes. During experiment, the imitation fishes were pulled by electric motor with different speed and transducer positions toward the direction of imitation fish. The research also analyzed the influences of several kind of possible interferences generated during the phase detection of the acoustic wave reflection. The simulation were done by means of electronic circuitry that represented .the fishes wave reflection and by the interference waves such as the reflection wave, and the engine sound. In situ experiment were executed to observe the real condition of the phase shifted reflection wave for 3 (three) kind of fishes. The three kind of fishes, consist of schooling fish species, shoaling fish species and a solitary fishes species . The phase shifted data were collected from the experiments in the fishing pool in the Seaworld and in a 4x4 m sea cage in Genteng Island. In this research, the phase shifted wave of all kind of fishes and all kind of imitation fishes was be detected by the fish species detector using a phase shifted detection technique. To distinguish the kind of fishes or imitation fishes, the angle between two or more line slope of the spectrum envelope of each phase shifted waves were calculated. If the two lines were parallel or the angle between the lines were 0o, the spectrum or the phase shifted wave were coincide each other, or the two wave were the same and, if the two lines formed a certain angle, then such spectrums or phase shifted waves were different. Hidden Markov Model (HMM) technique was applied for recognition processing. Computational results, showed that the reflection wave of the schooling fishes could recognized the fish school accurately (the fish school were 100 % identified successfully), however such recognition processing was not valid for shoaling and solitary fishes. From the interference simulation results, the reflection wave due to the surrounding areas of the objects, engine noise, fish direction and transducer position were not affected the result of identification and recognition processes. Keywords : Phase Detection, Acoustic, Fish School Recognition, Hidden Markov Model
ANALISIS PENENTUAN JENIS KAWANAN IKAN BERDASARKAN DETEKSI FASA PANTULAN GELOMBANG AKUSTIK DAN PENERAPAN HIDDEN MARKOV MODEL
ARMAN DJOHAN DIPONEGORO C561020041
Disertasi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Departemen Pemanfaatan Sumberdaya Perikanan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
LEMBAR PENGESAHAN
Judul Disertasi
: Analisis Penentuan Kawanan Jenis Ikan Berdasarkan Deteksi Fasa Pantulan Gelombang Akustik dan Penerapan Hidden Markov Model .
Nama Mahasiswa
: Arman Djohan Diponegoro
NRP.
:
Program Studi
: Teknologi Kelautan
C561020041
Menyetujui. Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Indra Jaya, M.Sc Ketua
Prof. Dr. Ir. Bonar P. Pasaribu, M.Sc Anggota
Dr. Ir. Totok Hestirianoto, M.Sc Anggota
Mengetahui,
. Program Studi Teknologi Kelautan Ketua,
Prof. Dr. Ir. John Haluan M.Sc
Tanggal Ujian : 13 Agustus 2007
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS.
Tanggal Lulus :
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Jakarta pada tanggal 13 November 1948. Pada tahun 1976 lulus S1 di Fakultas Teknik UI Jurusan Elektro dan pada tahun 1991. lulus S2 di Program Studi Computer Engineering faculty of Engineering , National University of Singapore. Sejak tahun 1985 sampai sekarang penulis bertugas di Departemen Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Pada saat itu juga yaitu dari tahun 1997 sampai tahun 2005 bertugas di Pusat Sains dan Teknologi Universitas Indonesia (PPST-UI) sebagai Sekretaris PPST-UI. Sebelum bergabung
di Universitas
Indonesia, sejak 1978 sampai tahun 1984, penulis bertugas di berbagai perusahaan. Di bidang penelitian penulis telah melakukan beberapa penelitian antara lain : penelitian mengenai Pengenalan jenis ikan soniferous dari suara yang dibangkitkan dengan menggunakan teknik Neural Network dan teknik Hidden Markov model (HMM)’, ’Pengenalan jenis kawanan ikan dari pendeteksian perubahan fase gelombang yang dipantulkan dengan menggunakan teknik Neural Network dan teknik Fuzzy Logic’, dan ’Pengenalan pola renang kawanan ikan schooling dari tampilan echogram dari split beam echo sounder EK60 dengan menggunakan teknik Fuzzy Logic, teknik Neural Network dan teknik HMM. Paten yang diperoleh ”Identifikasi jenis ikan dengan mendeteksi perubahan fase gelombang yang dipantul oleh gerakan ikan yang diamati”, Pengenalan jenis ikan dengan menerapkan teknik Hidden Markov Model. Publikasi yang berhubungan dengan penelitian ini antara lain 1. “The Fish Species Recognition in a Schooling Structure Using the Hidden Markov Model Based on The Phase Detection of Sonar Reflection Wave”, Proceeding The 2nd Indonesian Japan Scientific Symposium 2006, 280-2862. “The Analysis of The Interferences on the Phase Shifted Detection of Fish Schooling Reflection Wave”, Proceeding The 2nd Indonesian Japan Scientific Symposium 2006, 287-291. 3. “The Comparison of Three Vector Quantization Algorithms on The Fish Species Recognition Using The Hidden Markov Model” , Proceeding The 2nd Indonesian Japan Scientific Symposium 2006, .292-295.
PRAKATA
Penulis sangat bersyukur pada Allah SWT, yang karena kurnia-Nya telah menjadikan penulis dapat menyelesaikan disertasi ini. Dalam penyusunan disertasi ini penulis mencoba untuk mengatasi masalah yang dihadapi para nelayan di Indonesia dalam melakukan penangkapan di laut. Mereka sangat kesulitan untuk mengetahui lokasi fishing ground dari jenis ikan tertentu terutama untuk memperoleh ikan dengan ukuran tertentu atau ukuran dewasa dalam rangka menghindari penangkapan ikan-ikan yang belum berproduksi . Hal ini dimaksudkan untuk memperoleh penangkapan yang ramah lingkungan dalam menjaga kesinambungan kehidupan jenis ikan tertentu di perairan Indonesia. Demikian pula untuk menghindari waktu yang terbuang dan usaha yang sia-sia akibat melakukan penangkapan dengan cara mencoba-coba atau tanpa perhitungan, perlu dibuat perangkat yang dapat mendeteksi jenis ikan yang diinginkan. Berdasarkan hal tersebut diatas penulis melakukan penelitian untuk memperoleh alat yang mampu mendeteksi jenis ikan tertentu. Terima kasih kepada Dr Ir Indra Jaya M.Sc. Prof Dr Ir Bonar P. Pasaribu dan Dr Ir. Hestirianto M.Sc yang telah meluangkan waktu dalam membimbing serta melakukan penelitian dan penyusunan disertasi ini. Demikian pula penulis mengucapkan terima kasih kepada Pusat Penelitian Sains dan Teknologi Universitas Indonesia yang telah membiayai sebagian besar biaya penelitian disamping juga dukungan moril yang penulis peroleh selama penulis menempuh pendidikan S3 di Institut Pertanian Bogor. Semoga disertasi ini dapat dipergunakan sebagai dasar penelitian dalam pengembangan perangkat pendeteksi atau pengenalan jenis ikan di masa mendatang yang lebih sempurna.
Bogor, Agustus 2007
i
DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR ISI …………………………..……..……………………………… i DAFTAR TABEL …………………………...…………..………………….. vii DAFTAR GAMBAR ……………………..……………………………...…. ix DAFTAR LAMPIRAN..................................................................................... xvi DAFTAR ISTILAH ..... …………………………………………………....… xvii 1 PENDAHULUAN …………………………………………………......... 1 1.1
Latar Belakang ………………………………………………….... 1
1.2
Tujuan dan Manfaat ……………………………………............... 2
1.3
Lingkup Kegiatan …………………………………………...…..... 3
1.4
Batasan …………………………………………………………... 3
1.5
Perumusan Hipotesis ...................................................................... 4 1.5.1 Perubahan fase akibat gerakan target pantulan dengan bentuk random ......................................................... 4 1.5.2 Gerakan schooling berbagai jenis ikan ................................ 7 1.5.3 Pengaruh gangguan............................................................... 10 1.5.4 Posisi transducer terhadap arah gerakan kawanan ikan........ 13 1.5.5 Pengaruh pantulan pada permukaan perairan ..................... 14 1.5.6 Pengaruh azas Doppler ........................................................ 15 1.5.7 Posisi transducer terhadap gerakan kawanan ikan ke arah vertikal ..................................................................... 15
1.6
Sistimatika Penulisan ....................................................................... 16
2 TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................. 17 2.1
Gerakan Kawanan Ikan ................................................................... 17
2.2
Gerakan Ikan Secara Individu ........................................................ 22
2.3
Pengolahan Sinyal ............................................................................ 23
2.4
Deteksi Perubahan Fase .................................................................. 26
2.5
Persamaan Akustik .......................................................................... 27
2.6
Proses Pengenalan ........................................................................... 28
ii
2.7
Hidden Markov Model .................................................................... 36
3 METODOLOGI .......................................................................................... 41 3.1
Deteksi Perubahan Fase.................................................................... 41 3.1.1 Frekuensi yang digunakan .................................................. 42 3.1.2 Proses penerimaan gelombnag perubahan fase ................... 43
3.2
Kegiatan Penelitian yang Dilakukan................................................. 43 3.2.1 Simulasi pendeteksian perubahan fase ............................... 44 3.2.2 Simulasi pengaruh gangguan .............................................. 46 3.2.3 Uji coba di kolam ............................................................... 49 3.2.4 Uji coba di laut ................................................................... 50
3.3
Metode untuk Memperlihatkan Perbedaan Karakteristik Sekelompok Obyek Bergerak atau Gerakan Jenis Kawanan Ikan ........................................................................ 51
3.4
Proses Pengenalan dengan Teknik HMM........................................ 53 3.4.1 Pembentukan basis data ....................................................... 54 3.4.2 Proses pengenalan ............................................................... 56 3.4.3 Proses ekstraksi ........................................……………….. 57 3.4.4 Pembentukan state dari Markov chain ………………….. 58 3.4.5 Log of probabilty ................................................................. 59
4 HASIL RANCANG BANGUN SISTIM DETEKSI KAWANAN IKAN .. 60 4.1
Rancang Bangun Perangkat Pendeteksi Jenis Ikan ……………..... 60 4.1.1 Diagram blok........................................................................ 60 4.1.2 Frekuensi yang digunakan.................................................... 60 4.1.3 Daya pancar yang diperlukan............................................... 61 4.1.4 Transducer............................................................................ 61 4.1.5 Rangkaian osilator............................................................... 62 4.1.6 Rangkaian penguat daya....................................................... 64 4.1.7 Rangkaian penerima.............................................................. 67 4.1.8 low pass filter.....................................................................
69
iii
4.1.9 Phase shifted detector...................................................... 70 4.1.10 Uji coba rangkaian keseluruhan…………………………… 72 4.2
Rancang Bangun Perangkat Lunak HMM ……………………...... 74 4.2.1 Algoritma membangun basis data (data base) sebagai pembanding ………………………………………………. 74 4.2.2 Algoritma proses pengenalan .............................................. 76 4.2.3 MATLAB TOOLBOX command …………………………
4.3
77
Rancang Bangun Perangkat Simulasi Gangguan ………………... 81 4.3.1 Rangkaian simulasi pembangkit gelombang perubahan fase akibat pantulan gerakan kawanan Ikan......................... 82 4.3.2 Rangkaian penggeser fase.................................................... 84 4.3.3 Rangkaian penggabung ...................................................... 87 4.3.4 Foto perangkat simulasi pengaruh gangguan....................... 88
4.4
Rancang Bangun Perangkat Simulasi Perubahan Fase .................. 89 4.4.1 Unit penggerak…………………………………………..… 89 4.4.2 Unit pembawa ikan-ikanan.................................................. 91 4.4.3 Unit pengendali.................................................................... 94 4.4.4 Foto konstruksi simulasi................................................. 96
5 SIMULASI DAN UJI COBA SISTIM DETEKSI……………….............. 98 5.1
Simulasi Perubahan Fase …...............…………………………..... 98 5.1.1 Konfigurasi uji coba............................................................. 98 5.1.2 Uji coba simulasi gerakan unit pembawa ikan-ikanan dalam keadaan kosong..................................... 100 5.1.3 Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm dari tripleks........................................................................... 102 5.1.4 Uji coba simulasi ikan-ikanan dengan permukaan karet.................................................................... 104 5.1.5 Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 30 cm .................. 106 5.1.6 Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 30 cm 2 lapis.................................................................................... 108
iv
5.1.7 Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 10 cm ............... 109 5.1.8 Uji coba simulasi ikan-ikanan 10 cm dengan permukaan cembung........................................................... 111 5.1.9 Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 30 cm dengan kecepatan lambat 1 m/detik .......................... 112 5.1.10 Uji coba simulasi dengan posisi transducer 300 dan 1500 dari arah gerakan ikan-ikanan.......................... 113 5.2
Simulasi Pengaruh Gangguan .......................................................... 116 5.2.1 Uji coba simulasi pengaruh pantulan gelombang pembawa............................................................ 116 5.2.2 Uji coba simulasi pengaruh adanya gangguan dari pantulan gelombang pantul gerakan kawanan ikan itu sendiri....................................................... 119 5.2.3 Uji coba simulasi pengaruh gangguan dari suara motor...... 121 5.2.4 Uji coba simulasi pengaruh gelombang yang frekuensi nya sama dengan frekuensi pembawa (200 kHz)............................................................. 123
5.3
Uji Coba di Kolam............................................................................ 125 5.3.1 Konfigurasi uji coba.............................................................. 125 5.3.2 Pelaksamaan Uji coba……………………………………... 126 5.3.3 Hasil uji coba......................................................................... 129
5.4
Uji Coba di Laut................................................................................ 134 5.4.1 Konfigurasi………………………………………………… 134 5.4.2 Pelaksanaan uji coba……………………………………… 136 5.4.3 Hasil uji coba……………………………………………… 136
5.5
Proses Pengenalan…………………………………………………. 140 5.5.1 Pelaksanaan uji coba………………………………………. 140 5.5.2 Rangkuman hasil uji coba..................................................... 154
6 ANALISIS DAN PEMBAHASAN............................................................ 155 6.1
Analisis Simulasi Perubahan Fase................................................... 155 6.1.1 Spektrum gerakan ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm ....... 155
v
6.1.2 Perbandingan spektrum ikan-ikanan berukuran 30 cm ........ 157 6.1.3 Perbandingan spektrum ikan-ikanan berukuran 10 cm ........ 158 6.1.4 Perbandingan spektrum ikan-ikanan dengan permukaan tripleks dan karet.................................................................. 159 6.1.5 Perbandingan spektrum ikan-ikanan dengan bentuk permukaan rata dan permukaan cembung............................ 160 6.1.6 Perbandingan spektrum ikan-ikanan untuk 3 (tiga) lapis frame........................................................................... 160 6.1.7 Perbandingan spektrum ikan-ikanan untuk 2 (dua) Kecepatan............................................................................. 161 6.1.8 Perbandingan spektrum 3 (susun) ikan-ikanan dalam satu frame.................................................................. 162 6.1.9 Perbandingan spektrum ikan-ikanan untuk 3 (tiga) posisi transducer................................................................... 163 6.1.10 Perbandingan spektrum untuk 3 (tiga) jenis ukuran ikan-ikanan............................................................... 163 6.2
Analisis Simulasi Pengaruh Gangguan............................................ 164 6.2.1 Pengaruh gangguan dari gelombang lainnya dengan frekuensi berbeda................................................................. 164 6.2.2 Pengaruh gangguan dari pantulan gelombang yang dipancarkan......................................................................... 166 6.2.3 Pengaruh gangguan dari pantulan gelombang gerakan schooling ikan itu sendiri..................................................... 168 6.2.4 Pengaruh gangguan dari suara mesin dan noise lainnya...... 169 6.2.5 Pengaruh gangguan dari peralatan akustik lainnya dengan frekuensi dan fase sama .......................................... 169
6.3
Analisis Hasil Uji Coba di Lapangan............................................... 170 6.3.1 Analisis hasil uji coba bandeng...................................
170
6.3.2 Analisis hasil uji coba 10 ekor bandeng.......................
172
6.3.3 Analisis hasil uji coba hiubambu……………………..
174
6.3.4 Analisis hasil uji coba kerong…………………………
176
6.3.5 Analisis hasil uji coba bendera.....................................
177
vi
6.3.6 Analisis hasil uji coba kakap........................................
179
6.3.7 Analisis hasil uji coba untuk berbagai posisi transducer................................................................... 180 6.3.8 Analisis hasil uji coba untuk adanya gangguan.................... 182 6.3.9 Analisis perbandingan spektrum 4 jenis ikan...................... 184 6.4
Analisis Proses Pengenalan ............................................................. 185 6.4.1 Pengaruh perubahan ukuran codebook ................................ 185 6.4.2 Pengaruh perubahan ukuran repetisi ……………………… 186 6.4.3 Pengaruh perubahan ukuran durasi …………………..…… 188 6.4.4 Perbandingan proses pengenalan untuk berbagai Jenis kawanan ikan………………………………………... 189
7 KESIMPULAN DAN SARAN.................................................................. 190 DAFTAR PUSTAKA......................................................................................... 191 LAMPIRAN ………………………………………………………………….. 194
vii
DAFTAR TABEL halaman 1
Jarak pancar untuk berbagai frekuensi dan daya pancar ……………...…..
61
2
Spesifikasi Transducer yang digunakan……………………………….….
62
3
Spesifikasi jenis ikan yang digunakan uji coba di kolam Seaworld …….…....... 126
4
Spesifikasi jenis ikan yang digunakan uji coba di laut ............................. 136
5
Kumpulan hasil uji coba untuk ukuran codebook 32, durasi 0,2 detik............................................................................................. 142
6
Kumpulan hasil uji coba untuk ukuran codebook 64, durasi 0,2 detik...........................................................................................
7
144
Kumpulan hasil uji coba untuk ukuran codebook 128, durasi 0,2 detik............................................................................................ 146
8
Kumpulan hasil uji coba untuk ukuran codebook 32, durasi 1 detik............................................................................................... 148
9
Kumpulan hasil uji coba untuk ukuran codebook 64, durasi 1 detik……………………………………………………………... 150
10
Kumpulan hasil uji coba untuk ukuran codebook 128, durasi 1 detik……………………………………………………………... 152
11
Rangkuman hasil uji coba untuk bandeng................................................. 154
12
Rangkuman hasil uji coba untuk hiubambu.............................................. 154
13
Rangkuman hasil uji coba untuk kerong................................................... 154
14
Rangkuman hasil uji coba untuk bendera.................................................. 154
15
Rangkuman hasil uji coba untuk kakap merah.......................................... 154
16
Besar amplitude spektrum dari 5 (lima) percobaan ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm dalam dB.................................................................. 156
17
Amplitude spektrum gerakan ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm dalam skala linear yang dinormalisir........................................................... 156
18
Besar spektrum bandeng dalam skala linear yang dinormalisir.................................................................................................. 171
viii
19
Besar spektrum untuk 10 ekor bandeng dalam skala linear yang dinormalisir..................................................................... 174
20
Besar spektrum frekuensi hiubambu dalam skala linear yang dinormalisir......................................................................................... 175
21
Besar spektrum kerong dalam skala linear yang dinormalisir................... 176
22
Besar spektrum gerakan bendera dalam skala linear yang dinormalisir......................................................................................... 178
23
Besar spektrum gerakan kakap dalam skala linear yang dinormalisir......................................................................................... 179
24
Besar spektrum bandeng dengan tiga posisi transducer dalam skala linear yang dinormalisir........................................................... 181
25
Besar spektrum dengan adanya gangguan dalam skala linear yang dinormalisir......................................................................................... 183
26
Nilai LoP dari file bendera19a untuk ukuran codebook 64 dan 128 dengan ukuran repetisi 5………………………………………………….. 186
27
Nilai LoP dari file bendera16a untuk ukuran repetisi 10 dan 15 dengan ukuran codebook 32…………………………………………….. 187
ix
DAFTAR GAMBAR halaman 1
Proses perubahan fase gelombang pantul dari target yang bergerak Dimana TX adalah transducer pemancar dan RX adalah transducer penerima .................................................................................... 5
2
Ilustrasi simpangan gerakan ikan................................................................. 7
3
Formasi schooling horisontal sebagai fungsi fasa, φ(t)............................
8
4
Perubahan fase akibat formasi vertikal schooling ikan...............................
9
5
Gangguan gelombang pantul dari gelombang yang dipantulkan kawanan ikan................................................................................................ 12
6
Bentuk gelombang yang dihasilkan dari gabungan beberapa gelombang dengan frekuensi yang sama tetapi berbeda fase.....................
12
7
Arah pancar transducer terhadap arah gerakan kawanan ikan..................... 13
8
Posisi tranducer membentuk sudut α secara vertikal terhadap gerakan ikan ................................................................................................ 15
9
Kepadatan schooling yang berhubungan dengan panjang ikan untuk jenis-jenis
saithe, herring, dan sprat ............................................
18
10
Kepadatan schooling herring......................................................................
19
11
Perubahan bentuk schooling harengula clupeola dari pandangan horisontal selama pengamatan satu jam.............................
12
20
Posisi antar individu untuk tiga jenis ikan, seithe, herring dan cod dilihat dari pandangan (a) atas (horisontal) dan (b) vertikal ....................... 21
13
Pola gerakan ikan (a) gerakan pectoral fin movement (b) gerakan amplitude horizontal wriggle ….…………………………….
22
14
Bentuk gelombang sinusoida.......................................................................
23
15
Gelombang pulsa segiempat periodik.........................................................
24
16
Spektrum frekuensi gelombang segiempat periodik...................................
26
17
Diagram blok phase modulator dan phase shifted detector…….………
26
18
Diagram pembuatan basis data referensi dan proses identifikasi................
29
19
MFCC processor........................................................................................
30
20
Mel-spaced filterbank………………………………………………...…..
32
21
Codebook dari suatu input vektor……………………………..……....….
34
x
22
Diagram konsep pembentukan codebook dengan vector quantization. sinyal satu dan lainnya dapat dibedakan berdasarkan lokasi dari
centroidnya......................................
35
23
Diagram alir dari algoritma LBG................................................................. 36
24
State Diagram dari HMM atau HMM chain dengan 4 state........................ 38
25
Diagram blok perangkat pendeteksi fase gerakan kawanan jenis ikan. TX adalah transducer pemancar dan RX adalah transducer penerima........
41
26
Hubungan panjang ikan dengan frekuensi .................................................. 43
27
Konfigurasi pelaksanaan simulasi pendeteksian perubahan fase dari gelombang pantul gerakan kawanan ikan-ikanan (a) konstruksi kolam percobaan (b) struktur unit ikan-ikanan .................... 45
28
Diagram blok simulasi pengaruh gangguan................................................. 48
29
Lintasan gelombang pantul dan gelombang langsung................................. 49
30
Uji coba di kolam......................................................................................... 50
31
Uji coba dengan keramba di laut.................................................................. 51
32
Metode untuk memperoleh kurva kemiringan puncak (envelope) spektrum frekuensi....................................................................................... 52
33
Diagram alir proses pembentukan basis data…........................................... 54
34
Diagram alir proses pengenalan................................................................... 57
35
Penggalan gelombang dari gelombang satu jenis kawanan ikan ................ 58
36
Diagram blok perangkat pendeteksi jenis kawanan ikan............................. 60
37
Foto transducer ............................................................................................. 62
38
Rangkaian osilator dengan rangkaian penguat............................................
39
Unjuk kerja rangkaian osilator..................................................................... 64
40
Rangkaian penguat daya.............................................................................
41
Unjuk kerja rangkaian penguat daya untuk (a) frekuensi 50 kHz (b) frekuensi 200 kHz .................................................................................
63 65 66
42
Rangkaian penerima (reveiver) ................................................................... 68
43
Unjuk kerja rangkaian penerima.................................................................. 68
44
Rangkaian low pass filter………………….……………………………..
69
45
Unjuk kerja rangkaian low pass filter……………………………………
69
46
Rangkaian phase shifted detector………………………………………..
70
47
Diagram blok uji coba rangkaian phase shifted
xi
detector dengan menggunakan balance modulator……………………… 71 48
Unjuk kerja rangkaian phase shifted detector………………………..….
49.
Diagram blok uji coba sistim perangkat keseluruhan………………..…... 73
50
Foto dari peralatan secara keseluruhan....................................................... 73
51
Foto rangkaian dari masing-masing unit……………………………..…..
74
52
Codebook dari basis data............................................................................
78
53
Tampilan dimensi 2 dari pembelajaran codebook ...................................... 79
54
Rangkaian pembangkit perubahan fase.....................................................
55
Diagram blok uji coba simulasi pembangkit perubahan fase..................... 82
56
Unjuk kerja rangkaian pembangkit perubahan fase
72
82
(a) amplitude pada skala 10 mV (b) amplitude pada skala 5 mV (c) gelombang segiempat dengan amplitude pada skala 10 mV ................ 83 57
Rangkaian pengeser fase............................................................................. 85
58
Diagram blok uji coba rangkaian penggeser fase....................................... 85
59
Unjuk kerja rangkaian penggeser fase (a) penggeseran fase sebesar 1800 dengan tegangan DC maksimum (3 V) (b) penggeseran fase sebesar 900 untuk tegangan DC 1 V (c) penggeseran fase dengan amplitude gelombnag pantul Lebih kecil dari gelombnag datang karena jarak ....................................... 86
60
Rangkaian penggabung (adder/ mixer)...................................................... 87
61
Foto perangkat simulasi pengaruh gangguan.............................................. 88
62
Konstruksi perangkat simulasi perubahan fase........................................... 90
63
Konstruksi unit penggerak........................................................................... 91
64
Konstruksi unit pembawa ikan-ikanan ....................................................... 92
65
Bentuk ikan–ikanan berukuran 20 x 25 cm (a) dari bahan tripleks (b) dari bahan karet ..................................................................................... 93
66
Bentuk ikan-ikanan berukuran 30 cm......................................................... 94
67
Bentuk ikan-ikanan berukuran 10 cm........................................................ 94
68
Konstruksi stop otomatis............................................................................
69
Tampilan tombol pengendali jarak jauh...................................................... 95
70
Rangkaian pengatur gerakan maju mundur................................................. 96
71
Rangkaian pengatur kecepatan
72
Foto konstruksi simulasi perubahan fase (a) unit penggerak
95
........................................................ 96
xii
(b) unit ikan-ikanan (c) unit pengendali (d) bagian penyanggah (e) bagian motor listrik .............................................. .................................. 97 73
Konfigurasi Uji coba simulasi perubahan fase.............................................. 99
74
Tampak muka tampilan pengendali............................................................... 99
75
Foto uji coba simulasi unit pembawa dalam keadaan kosong....................... 101
76
Hasil uji coba simulasi gerakan unit pembawa dalam keadaan kosong (a) bentuk gelombang (b) spektrum frekuensi ................... 102
77
Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm.................................... 103
78
Bentuk gelombang perubahan fase gerakan ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm dari tripleks (a) masih mengandung noise (b) tanpa noise ............................................................................................. 104
79
Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm dari karet.................. 105
80
Tampilan gelombang perubahan fase dari gelombang pantul gerakan ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm dengan permukaan dari karet setelah dibebaskan dari noise gerakan unit pembawa ikan-ikanan...............
81
105
Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 30 cm (a) susunan belah ketupat (b) dengan susunan tidak teratur. .................... 106
82
Tampilan gelombang perubahan fase akibat pantulan gerakan ikan-ikanan berukuran 30 cm tanpa noise unit pembawa ikan-ikanan (a) susunan belah ketupat (b) susunan tidak teratur..................................... 107
83
Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 30 cm 2 (dua) lapis.................
84
Tampilan bentuk gelombang perubahan fase akibat
pantulan
2 lapis kawanan ikan-ikanan berukuran 30 cm tanpa noise.......................... 85
108 109
Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 10 cm dengan permukaan rata dari tripleks.................................................................................................... 110
86
Bentuk gelombang perubahan
fase gerakan
ikan-ikanan
berukuran 10 cm dengan permukaan rata dari tripleks tanpa noise.............. 87
110
Uji coba simulasi ikan-ikanan berukuran 10 cm dari kayu cembung ........................................................................................ 111
88
Tampilan bentuk gelombang perubahan fase akibat pantulan gerakan ikan-ikanan dengan permukaan cembung dari kayu tanpa noise .................................................................................................... 112
89
Tampilan bentuk gelombang perubahan fase akibat pantulan
xiii
gerakan ikan-ikanan berukuran 30 cm dengan kecepatan 1 m/det............... 113 90
(a) Uji coba simulasi dengan posisi transducer 300 dari arah gerakan ikan-ikanan dan (b) Uji coba simulasi dengan posisi tarnsducer 1500.......... 114
91
Tampilan bentuk gelombang perubahan
fase akibat pantulan
gerakan ikan-ikanan berukuran 30 cm (a) dengan posisi transducer 300 dan (b) 1500 dari gerakan ikan-ikanan…………………..…. 115 92
Konfigurasi uji coba simulasi gangguan pantulan gelombanggelombang yang dipancarkan......................................................................... 117
93
Hasil uji coba gangguan dari pantulan gelombang yang dipancarkan (a) input ke mixer (b) gelombang yang keluar rangkaian phase detector setelah melewati rangkaian LPF .. ………………… .............118
94
Konfigurasi rangkaian simulasi pantulan gelombang pantul obyek bergerak seperti gerakan ikan.................................................. 119
95
Hasil uji coba gangguan dari pantulan gelombang pantul gerakan kawanan ikan itu sendiri (a) input ke mixer (b) perbandingan gelombang mewakili gerakan ikan dan output dari phase detector setelah LPF .................................................................... 120
96
Konfigurasi uji coba simulasi pengaruh gangguan suara motor................... 121
97
Hasil uji coba gangguan suara motor (a) gelombang yang masuk ke rangkaian mixer (b) perbandingan keluaran LPF dengan gelombang yang mewakili gerakan kawanan ikan ...................................... 123
98
Konfigurasi uji coba simulasi pengaruh gangguan pada frekuensi yang sama....................................................................................... 125
99
Hasil uji coba gangguan dengan frekuensi yang sama.................................. 124
100
Konfigurasi proses uji coba sinyal yang diterima dari sinyal pantulan yang dipancarkan transducer pemancar....................................... 125
101
Posisi transducer tegak lurus pada jarak 4 m dari gerakan kawanan ikan untuk semua jenis ikan yang diuji ......................................... 127
102
Posisi transducer untuk beberapa posisi transducer (a) posisi 300 (b) posisi 1500 (c) jarak 1 m................................................. 128
103
Hasil uji coba bandeng (a) percobaan pertama (b) percobaan kedua (c) percobaan ketiga…………………………..….…. 129
104
Hasil uji coba gerakan kawanan bandeng dengan transducer
xiv
pada posisi 30o (a) percobaan pertama (b) percobaan kedua (c) percobaan ketiga …………………….…………….…………….…… 130 105
Hasil uji coba gerakan kawanan bandeng dengan transducer pada posisi 150o (a) percobaan pertama (b) percobaan kedua (c) percobaan ketiga. ................................... ...............................................
131
106 Hasil uji coba gerakan kawanan bandeng dengan transducer pada posisi 90o dengan jarak 1 m (a) percobaan pertama (b) percobaan kedua (c) percobaan ketiga ........................................……..
132
107 Hasil uji coba gerakan kawanan hiubambu dengan transducer pada posisi 90o dengan jarak 4 m (a) percobaan pertama (b) percobaan kedua (c) percobaan ketiga ………..……………………… 133 108
Konfigurasi uji coba di laut.......................................................................... 134
109
Konstruksi keramba jaring untuk uji coba.................................................... 135
110
Hasil uji coba gerakan kawanan kerong (a) percobaan pertama (b) percobaan kedua (c) percobaan ketiga.................................
111
Hasil uji coba gerakan kawanan bendera (a) percobaan pertama (b) percobaan kedua (c) percobaan ketiga.................................
112
137 138
Bentuk gelombang kakap merah (a) percobaan pertama untuk satu ekor (b) percobaan kedua satu ekor (c) percobaan kedua untuk 2 (dua) ekor (d) percobaan ketiga untuk 3 (tiga) ekor..................
139
113
Konfigurasi proses pengenalan ..................................................................
141
114
Spektrum frekuensi gelombang perubahan fase gerakan ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm dari percobaan 1 ...................
155
115
Spektrum gerakan ikan-ikanan berukuran 20 x 25 cm ...............................
157
116
Spektrum ikan-ikanan berukuran 30 cm......................................................
158
117
Spektrum gerakan ikan-ikanan berukuran 10 cm........................................
158
118
Spektrum gerakan ikan-ikanan dengan permukaan dari tripleks dan karet. ................................................................................
119
Spektrum gerakan ikan-ikanan dengan permukaan rata dan cembung................................................................................................
120
160
Perbedaan spektrum gerakan ikan-ikanan 1 (satu) lapis dengan 2 (dua) lapis jarak 5 cm dan 2 (dua) lapis dengan jarak 10 cm....................
121
159
Perbandingan spektrum gerakan ikan-ikanan untuk
161
xv
2 (dua) kecepatan..............................................................................,..........
162
122
Spektrum 3 (susun) ikan-ikanan dalam satu frame...................................... 162
123
Spektrum ikan-ikanan untuk 3 (tiga) posisi transducer............................... 163
124
Perbandingan spektrum untuk 3 (tiga) jenis ukuran ikan-ikanan................ 164
125
Pengertian persamaan Cos (2ωct + φ(t)) dengan Cos (2ωct + θ)................. 167
126
Perbandingan envelope spektrum gerakan kawanan bandeng.................... 171
127
Foto bandeng bergerak balik arah..............................................................
128.
Spektrum untuk 10 ekor bandeng............................................................... 174
129
Spektrum perubahan fase gelombang pantul gerakan kawanan
173
hiubambu..................................................................................................... 175 130
Spektrum perubahan fase dari gelombang pantul gerakan kawanan Kerong.........................................................................................................
131
Spektrum perubahan fase dari gelombang pantul gerakan kawanan bendera........................................................................................
132
177
178
Spektrum perubahan fase dari gelombang pantul gerakan kawanan kakap .......................................................................................... 180
133
Spektrum perubahan fase dari gelombang pantul gerakan kawanan ikan untuk beberapa posisi transducer........................................................
181
134
Diagram polar atau beamwidth transducer yang digunakan ........................ 182
135
Spektrum 10 ekor bandeng dengan adanya gangguan ............................... 183
136
Spektrum perubahan fase dari gelombang pantul gerakan kawanan 4 (empat) jenis kawanan ikan...................................................... . 184
xvi
DAFTAR LAMPIRAN halaman 1
Foto uji coba deteksi perubahan fase di Lab. Akustik Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan .................................................................... 194
2
Foto uji coba di Seaworld Ancol ………………………………………… 198
3
Foto uji coba di P.Genteng Kecil ………………………………………… 200
4
List dari pemograman Matlab …………………………………………... 203
5
Peta Pulau Genteng Kecil Kep. Seribu ………………………………….
208
xvii
DAFTAR ISTILAH
1
Akustik : ilmu tentang suara
2
Aliasing : tumpang tindih antara beberapa gelombang
3
Amplifier : rangkaian penguat tegangan atau daya suatu gelombang.
4
Balance Modulator : suatu chip elektronik (Integrated circuit) yang dapat digunakan sebagai rangkaian pendeteksi perubahan fase.
5
Centroid : sebuah titik yang mewakili beberapa titik-titik sample (codeword) dan satu cluster
6
Cluster : suatu ruang dua dimensi dari suatu bidang yang bentuknya tergantung dari teknik yang digunakan
7
Codebook : kumpulan sejumlah codeword dari beberapa codeword
8
Codeword : titik-titik sample dari besaran komponen-komponen spektrum frekuensi dari suatu gelombang yang diperoleh dari hasil transformasi Fourier.
9
Cool Edit Pro : Perangkat lunak aplikasi untuk memproses sinyal
10
Distorsi : cacat gelombang akibat kondisi alat atau rangkaian.
11
Dorsal aspect : pandangan arah vertikal dari atas
12
Echo Sounder : Perangkat untuk mendeteksi jarak atau kedalaman dengan menggunakan teknik pantulan gelombang akustik
13
Ekstraksi :
Proses pemenggalan gelombang sampai ke proses pembentukan
codebook 14
Function generator : Instrumen pembangkit gelombang dengan frekuensi RF
15
Far field : daerah jangkauan diluar pengaruh side loop dari transducer
16
Feature Extraction : mengubah suatu bentuk gelombang ke bentuk gelombang dengan waktu durasi tertentu agar dapat diproses ke besaran codeword
17
FFT : Fast Fourier Transform, teknik atau cara untuk mengubah suatu gelombang dari domain waktu ke domain frekuensi.
18
Frame blocking : pembatasan panjang gelombang dalam satu frame
19
Frequency domain : Bentuk gelombang dalam domain frekuensi
xviii 20 Gelombang akustik kontinyu : gelombang yang tidak terputus-putus seperti halnya pada perangkat Fish Finder dimana gelombang yang dipancarkan dalam bentuk penggalan-penggalan dengan waktu durasi tertentu 21 HMM : Hidden Markov Model 22 HMM Recognition : proses pengenalan dengan menggunakan metode HMM. 23 Interference : gelombang gangguan yang mungkin terjadi dalam suatu sistim 24 Lateral aspect : pandangan kearah samping badan ikan. 25 LBG : Linde, Buzo, and Gray salah satu teknik VQ 26 LoP : Log of probability, besarnya kemungkinan munculnya suatu pengamatan dari suatu sederetan munculnya suatu kejadian ke kejadian tertentu (probability of transition) dengan memperhitungkan kemungkinan munculnya kejadian yang mengikuti sebelumnya. 27 LPC : Linear Predictive Coding, salah satu teknik untuk mengompres gelombang suara pembicaraan. 28 LPF : Low Pass Filter, penampis frekuensi rendah 29 Main loop : bagian utama pola radiasi suatu transducer 30 MFCC : Mel Frequency Cepstrum Coefficient, 31 Near field : jarak pancar yang masih dipengaruhi side loop dari suatu antena atau transducer 32 Noise : derau atau galat, adalah gangguan yang muncul dari dalam alat itu sendiri atau dari luar dalam bentuk gelombang dengan spektrum yang sangat lebar. 33 Osilator : rangkaian pembangkit gelombang dengan frekuensi yang diinginkan 34 Osiloskop : alat ukur untuk melihat bentuk suatu gelombang. 35 Phase delay : perbedaan fase 36 Phase modulator : rangkaian yang menumpangkan gelombang sinyal dalam hal ini gelombang perubahan fase ke gelombang pembawa (akustik) dengan cara menggeser fasenya. 37 Phase shifted : perubahan fase 38 PSK : Phase Shifted Keying, teknik perubahan fase 39 PSD : Phase Shifted Detector, alat pendeteksi perubahan fase
xix 40 Probability of state occurance : besar kemungkinan munculnya setiap state (kejadian) 41 Probability of transition : besar kemungkinan munculnya suatu kejadian ke kejadian tertentu. 42 Schooling : suatu gerakan kawanan ikan dengan arah yang sama dimana setiap individu bergerak seirama 43 Shoaling : suatu gerakan kawanan ikan dengan arah yang dapat berbeda-beda dan setiap individu bergerak tidak seirama. 44 Side loop : bagian tepi dari pola radiasi suatu transducer 45 Signal generator : perangkat pembangkit gelombang 46 State : kejadian dalam suatu rantai HMM, dapat berupa gelombang-gelombang pendek dari suatu deretan gelombang yang panjang, atau huruf-huruf dalam suatu teks dan sebagainya. 47 Target Strength : faktor pantul dari badan ikan 48 Transducer : perangkat yang digunakan untuk mengubah gelombang dalam besaran listrik ke besaran akustik dan sebaliknya. 49 Trainning : proses pembelajaran 50 VQ : Vector Quantization, mengumpulkan sejumlah titik-titik sample (codeword) dalam suatu cluster ke satu titik centroid. 51 VQ distortion : jarak antara suatu titik sample dengan centroid 52 Waveform : bentuk gelombang dalam waktu (time domain). 53 Wavelab : suatu perangkat lunak aplikasi yang digunakan untuk mengolah suatu bentuk gelombang. 54 Windowing : Teknik membatasi lebar spektrum suatu gelombang diskrit dengan teknik tertentu dimana besar spektrum yang dihasilkan masih mirip dengan spektrum dari gelombang yang masuk .
