渔业声学数据后处理中积分阈的选择与优化I:目标离散分布状态下积分阈的确定

积分阈是渔业声学数据后处理中对回声信号进行积分的临界值,是参与积分的最弱回声信号的体积反向散射强度。通过合理设置积分阈,能在保留目标信号的同时有效地消除噪音和非目标回声信号,从而提高渔业资源声学评估的准确性。为研究目标离散分布状态下选择和优化积分阈的方法,推导了单体目标体积反向散射强度与目标强度之间的函数关系,提出了利用鱼类目标强度-体长经验公式和目标强度现场数据确定积分阈的两种方法,并以黄海鳀的调查为例,对上述两种积分阈确定方法进行了应用探讨,为渔业资源声学评估数据处理中目标离散分布状态下积分阈的选择与优化提供了有效参考。     

黄海太平洋磷虾回波映像识别与资源密度评估

太平洋磷虾是黄海生态系统中浮游动物的关键种。为准确评估太平洋磷虾的资源密度,基于2010年1月黄海渔业资源调查过程中采集的声学和生物学数据,利用SDWBA目标强度理论模型,研究了太平洋磷虾38和120 k Hz目标的回声散射特性,并根据2个频率平均体积散射强度的差值(简称频差技术),开展了太平洋磷虾回波映像识别及资源密度评估研究。结果显示,太平洋磷虾的目标强度与其倾角和体长密切相关;120k Hz的目标强度明显高于38 k Hz,且两个频率的有效平均目标强度之差随着磷虾体长的增加而减小。数据处理结果显示,两个频率回声数据的平均体积散射强度(MVBS)呈线性关系,120 k Hz的MVBS比38 k Hz高约14.1 d B,与理论仿真结果一致;回声散射层内太平洋磷虾的资源密度为1.8~2531.8尾/m3,均值为255.1尾/m3。本研究对利用渔业声学技术开展浮游动物资源评估具有借鉴意义,未来还需要进一步对太平洋磷虾目标强度模型参数及目标识别方法进行完善,以提高其资源密度声学评估的准确度。     

浒苔声反射特征的实验测定

以2008年夏季在中国黄海中南部海域引起绿藻暴发的主要种类浒苔(Enteromorpha prolifera)为研究对象,在消声水池内利用经过校正的、工作频率为70 kHz的Simrad EY500回声探测-积分系统对其声反射特征进行测定,根据浒苔的回声积分等测定值建立了浒苔声反射强度与浒苔密度关系的定量表达式.实验结果显示,浒苔是有效声散射体,其体积反向散射强度(Sv,dB)与浒苔密度(p,g/m3)之间的关系为Sv=17.31g p-95.9,与鱼类目标强度和体长关系具有类似的表述模式.结果证实渔业声学原理和现行渔业声学仪器、方法同样适用浒苔的探测,水声技术可成为下沉浒苔快速监测的有效手段.实验同时显示,浒苔的声散射特征具有其特殊的复杂性,这可能与其可通过光合作用产生气体(氧气)有关.因此,若欲利用声学方法对下沉浒苔资源进行定量评估调查,需对浒苔的生理生化特征进行同步观测研究.     

基于声学映像的南海灯光罩网渔业中鲣的时空分布

基于灯光罩网和EY60科学探鱼仪采集鲣(Katsuwonus pelamis)的生物学数据与声学映像,通过分析后向体积散射强度Sv (dB)、平均目标强度TS (dB)及单位采样体积的平均鱼类数目(Nv)等信息,研究鲣的时空分布与现场目标强度变化.S13站位的鲣平均叉长(362.20±35.73) mm,S14站位的鲣...     

南海鸢乌贼水声学测量和评估相关技术研究

利用双频（38 kHz、120 kHz）Simrad EK60和频率分别为70 kHz和120 kHz的2部Simrad EY60科学探鱼仪于2013年获得的南海鸢乌贼（ Sthenoteuthis oualaniensis）声学调查资料,对鸢乌贼的目标强度（ TS）和空间分布、浮游动物的干扰、频差技术的应用等内容进行了分析。结果表明,以灯光罩网取样对鸢乌贼TS进行现场测量是可行途径;自然条件下鸢乌贼声学映像不明显,光诱条件下鸢乌贼开始聚集,22：00前主要分布于10~50 m和55~80 m水层,22：00后主要分布于10~35 m、50~75 m和115~155 m水层;浮游动物和深海鱼类是鸢乌贼声学探测的重要干扰,尤其是夜间,设置积分阈要考虑不同时间段的影响;频差技术是鸢乌贼声学映像鉴别的重要方法,应深入研究。     

基于Echoview声学数据后处理系统的背景噪声扣除方法

基于2012年2~3月南海中部鱼类资源声学调查资料,利用Echoview系统中虚拟变量模块的功能,探讨扣除背景噪声对声学映像、单脉冲回声信号图、海里面积散射系数(NASC)和体积反向散射强度(Sv)的影响。结果显示,背景噪声对120kHz数据的干扰明显强于38kHz;随着水深逐渐增加,扣除背景噪声后,120kHz声学映像变化亦比38kHz更加明显;扣除背景噪声时,换能器表面1m处的Sv值在不断改变过程中,相同水层中不同频率数据的NASC和Sv的变化差异明显,其差异程度因具体水层而异,相同频率数据在不同水层的NASC和Sv的变化差异亦明显。分析认为,扣除背景噪声非常必要;本研究的方法能够较好地排除背景噪声,是提高资源评估准确度的有效手段。     

南海中南部中层鱼资源声学积分值及时空分布初探

本研究利用Simrad EK60科学探鱼仪(38 k Hz)于2013年春季和2014年春季采集的南沙和中沙、西沙海域渔业声学数据,结合中层拖网取样,采用回声积分法研究了南海中南部中层鱼的资源量及其时空分布特征。结果显示,2014年春季中、西沙海域9次中层拖网作业共捕获和鉴定鱼类和头足类79种,隶属于3纲16目37科60属,其中硬骨鱼纲的种类最多(65种),鞘亚纲次之(13种),软骨鱼纲1种,硬骨鱼纲中巨口鱼科、灯笼鱼科和钻光鱼科的种类最多,分别有20种、13种和6种;南沙海域中层鱼声学积分值(nautical area scattering coefficient,m~2/nmi~2)显著低于中沙、西沙及邻近海域,前者夜间向上迁移的强度高于后者;2013年春季南沙海域夜间10~200 m和白天200~1000 m声学积分值构成没有显著差异(P0.05),而2014年春季中沙、西沙海域夜间10~200 m和白天200~1000 m声学积分值构成有极显著差异(P0.01);南沙海域白天200~1000 m不同纬度组间中层鱼声学积分值构成有极显著差异(P0.01),中沙、西沙海域声学积分值构成亦有极显著差异(P0.01);南海中南部中层鱼声学积分值是(2387±601)m~2/nmi~2,基于现存公开发表的中层鱼的声学目标强度数据并取其均值,推算南海中南部中层鱼资源量是(8200±2100)万t。研究表明,南海中南部中层鱼声学积分值比全球平均值高约29.2%,可能是我国未来具有开发价值的大宗生物资源。     

北太平洋渔业资源种类目标强度研究进展

声学方法作为现代渔业资源调查评估方法的重要手段,在北太平洋渔业资源评估中应用日益广泛.其中,目标强度对声学调查评估精度影响重大.目前,已经有许多学者使用不同的方法对北太平洋一些物种的目标强度进行了研究.本文系统梳理了现有的北太平洋主要渔业资源的目标强度及其测量方法,将其归纳总结为原位测量(in situ)、非原位测量(...     

深水网箱养殖中的声学监测问题探讨

针对深水网箱养殖过程出现的一些诸如网衣安全、鱼类逃逸等问题,介绍了几种类型的监测技术应用:(1)声学警戒带方式构成的被动式网衣安全监测技术,监视声纳可以是单波束,也可以是机械扫描的多波束或电子扫描的多波束,同时采用水下机器人进行巡视;(2)基于网箱中鱼的目标强度,实现对网箱中养殖品种大小、数量的统计监测,鱼的目标强度主要取决于鱼的体态特征,同时也与发射声波的波长有关;(3)数量识别技术以及饵料投饲过程中的声学监测技术,通过将声纳输出信号反馈到投饵机,实现饵料投放自动化。     

基于网箱控制法和模型法的长江4种淡水鱼目标强度研究

目标强度(target strength,TS)是将回波积分值转换成绝对资源量的关键参数,同时也是渔业声学技术的热点研究内容。2012年12月及2013年6―7月,在三峡水库中华鲟基地网箱内使用BioSonics DT-X(199 kHz)分裂波式科学回声仪测定了4种共计31尾不同鳔室构造和体型的长江淡水鱼类背腹方向的目标强度,并将此结果与基尔霍夫近似模型法测定结果进行比较。实验鱼包括鳊(Parabramis pekinensis) 6尾、鲢(Hypophthalmichthys molitrix) 8尾、鲇(Silurus asotus)10尾及长江鲟(Acipenser dabryanus)7尾。结果表明,模型法测定结果与网箱控制法所测结果无显著性差异。构建4种鱼TS值(dB)与体长(BL, cm)的标准方程分别为鳊:TS=20lg(BL)-70.1 (R~2=0.94);鲢:TS=20lg(BL)-67.0 (R~2=0.80);鲇:TS=20lg(BL)-74.5 (R~2=0.80)及长江鲟:TS=20lg(BL)-66.1 (R~2=0.94)。模型法获得实验鱼目标强度的分布表明,鱼类不同的形态学特征及鳔室数量会影响目标强度的大小与分布特征。低频(38 kHz)下鳊、鲇及长江鲟目标强度最大值对应的姿态倾角出现在-10°～0°,而鲢目标强度最大值出现在-20°～-10°,且不同种类鱼的目标强度最大值所对应姿态倾角的位置各不相同。本研究通过网箱控制法和模型法测定了4种不同鳔室构造和体型的长江淡水鱼类目标强度,可为长江淡水鱼类目标强度研究提供有益借鉴,为采用渔业声学方法进行长江淡水鱼类垂直原位监测评估资源量提供相关参数。     

狭鳕（Theragra chalcogramma Pallas）目标强度的现场测定↑（*）

１９９３年夏季“北斗”号调查船白令海狭鳕资源声学调查期间，利用计数－积分法对狭鳕的目标强度进行了现场测定。结果表明，平均叉长５１．６ｃｍ的狭鳕的目标强度为－３４．３６ｄＢ；对常规的２０Ｌｏｇｌ形式表示，其目标强度与叉长的关系式为ＴＳ＝２０Ｌｏｇｌ－６８．６ｄＢ。     

基于灯光罩网法的南海鸢乌贼声学评估技术研究

南海中南部深水海域蕴藏着丰富的鸢乌贼资源,为推动南海外海渔业资源开发,实验探索了灯光罩网与声学手段相结合的鸢乌贼资源量评估方法。根据2011年4—5月在南沙群岛海域灯光罩网和Simrad EY60科学鱼探仪同步采集鸢乌贼生物学和声学数据,对鸢乌贼的趋光性行为、种群结构、声学映像和分布水层等特征进行分析。结果表明,灯光诱集结合罩网采样可确定南海鸢乌贼的单体回波,分布于0～100 m水层;通过背景噪声消除、鱼类和浮游动物目标限定、单体目标检测等处理,确定鸢乌贼现场目标强度-67～-52 dB;选择鸢乌贼渔获比例较大的网次,统计得到鸢乌贼胴长10.4～14.2 cm,对应目标强度-60.7～-58.0 dB,胴长与目标强度经验公式为TS=21.23LogML-82.48。研究认为,声学与灯光罩网相结合的调查方法可以作为南海今后开展鸢乌贼资源量评估的基本方法。     

基于线性调频(LFM)信号的单体鱼类目标回波识别与性能分析

在估计鱼类目标强度时,需要选择单体的回波信号进行计算.窄带信号下回波的相位标准差是单体检测的关键指标,但对于宽带信号相邻两点的相位差是时变的,无法将回波相位标准差作为单体信号的判定依据.本研究对线性调频宽带信号下的单体识别方法和性能进行了分析和仿真,并对该方法在消声水池内进行了测试和验证.结果显示:相比窄带信号,宽带信...     

4种常见淡水养殖鱼类目标强度测定与差异分析

鱼类目标强度(target strength)的测量是渔业声学技术研究和应用的核心内容之一。2015年6―10月,在小型水槽内使用Bio Sonics DT-X(199kHz)科学探鱼仪发射水平声波,测量了4种共29尾不同鳔室结构的淡水养殖鱼类体侧向及背腹向(180°范围)的目标强度,并拍摄X光影像以了解鱼体鳔室结构及特征。其中瓦氏黄颡鱼(Pelteobagrus vachelli)7尾、鳜鱼(Siniperca chuatsi)9尾、鲫鱼(Carassius auratus)6尾、草鱼(Ctenopharyngodon idellus)7尾。结果显示,单体鱼目标强度与声波入射角度具有cos三次方函数关系,体侧向与背腹向上最大目标强度均出现于鱼体主轴垂直于入射声波时,最小目标强度出现于头尾方向朝向声波时,与最大目标强度相差10dB。不同种鱼类体侧向平均目标强度略大于背腹向0.5~5dB。单室鳔鱼类目标强度比相近体长的两室鳔鱼类小。对4种鱼类的目标强度与鱼体相关生物学指标进行主成分分析,体侧向与背腹向目标强度主要受体长、鳔长和鳔长/鳔高值的影响较大。通过目标强度与实验鱼全长、体长、体重的线性回归,获得体侧和背腹入射方向目标强度与3个生物学参数的关系式。本研究通过分析不同鳔室形态鱼种的回波特征差异,辅助判别长江内常见鱼类(如瓦氏黄颡鱼、鱖鱼、鲫鱼等)的声学信号,结果对于淡水水域水平原位监测时分析评估资源量相关参数具有参考意义。     

南海黄斑蓝子鱼的目标强度测量研究

2008年10月在大亚湾人工鱼礁海域的渔排上,使用鱼类目标强度测量装置,包括分裂波束式Simrad EY60便携式水声学测量系统(120 kHz),采用"绳系控制实验法"对16尾黄斑蓝子鱼(Siganus oramin)逐尾进行单体鱼的目标强度测量.样品鱼为在大亚湾海域现场采用渔笼捕捞的单体活鱼样品,其叉长范围为7.3～19.5 cm,平均叉长为11.3 cm,体质量范围为4.6～135 g,平均体质量为33.2 g.结果表明,南海黄斑蓝子鱼目标强度(TS)与其叉长的关系式采用常规的20lgL形式为TS=20lgL-74.1分贝.本研究采用"绳系控制实验法"对16尾黄斑蓝子鱼逐尾进行单体鱼的目标强度测量,旨在为提高渔业资源声学调查与评估的准确性提供数据支持.     

渔业声学数据后处理中噪声剔除的研究进展

渔业资源声学评估以其无选择性、覆盖面积大、快速准确、不伤资源等优点被应用到多种水生生物的资源评估工作中。但是,在使用回声积分系统采集水体声学信号时,由于受声学仪器、调查船只、周围环境、混在生物等因素影响,会产生很多噪声和混响等干扰信号。在使用声学数据进行资源评估之前,应将数据中的噪声和混响进行剔除,避免对资源量评估产生影响。文章将国内外所使用的各种噪声剔除方法归纳总结为三类:设定积分阈值法、科学渔探仪被动模式噪声剔除法和科学渔探仪主动模式噪声剔除法,并指出了这些方法的优缺点,希望对渔业资源声学评估的数据后处理过程有所帮助。     

ADCP在水域生态研究中的应用

声学多普勒剖面流速仪(ADCP)是一种利用声学多普勒原理测验水流剖面速度的新型仪器,与传统的流速测量方法相比,具有方便、快速、准确、不扰动流场等突出优点,并能够适应大尺度、长时间、复杂流态等情况下水域流态测量的需要,近年来在世界范围内被广泛采用.由于ADCP基于声学多普勒后散射原理,现已被广泛应用于水域中其它相关因素的研究,如在测流过程中能够测出鱼群的运动速度和方向,测流数据中的反向回波信号值被广泛应用于推算微小水生生物、温跃层和悬浮物等的分布情况,而由船速确定方式不同所造成的流速值差异还可用于推算底质推移速度的分布.     

鸢乌贼目标强度绳系控制法测量

2017年9月在南海北部(18°42.9′N,113°05.5′E)附近的深海海域,利用Simrad EY60型便携式分裂波束科学探鱼仪(120 kHz)和自制的鸢乌贼绳系控制装置对25尾鸢乌贼逐尾进行了单体目标强度(TS/dB)的测量,探讨了鸢乌贼单体目标探测中脉冲长度决定水平(PLDL/dB)、最小标准脉宽(min NPL)、最大标准脉宽(max NPL)和短轴角度最大标准偏差(MIA)等参数的变化对鸢乌贼单体目标强度测量的影响,分析了鸢乌贼单体TS的变化规律,并归纳了鸢乌贼TS与胴长的关系。结果显示,①随着PLDL增大,所探测鸢乌贼单体目标的数量呈先增加后减少的特征,并在PLDL=6 dB时达到峰值,而平均TS则呈单调增加趋势;随着min NPL增大,鸢乌贼单体目标的数量减少,在min NPL0.7范围内,平均TS呈明显的上升趋势;当max NPL1.2时,鸢乌贼单体目标的数量随max NPL的增大而增加,但平均TS却随之减小,当1.2max NPL1.8时,鸢乌贼单体目标的数量呈缓慢增加趋势,但平均TS则基本保持稳定;鸢乌贼单体目标数量随MIA的增大而增加,但平均TS则随之减小。②本研究中鸢乌贼单体目标探测参数的优化组合为PLDL=6.00dB,min NPL=0.7 dB,max NPL=1.8 dB,MIA=0.8°。③活体鸢乌贼单体平均TS的最大值和最小值分别为-48.6 dB和-63.63 dB,其对应鸢乌贼的胴长(ML/cm)分别为25.2 cm和12.4 cm,鸢乌贼TS与其ML的关系为TS=34.22 lg ML–98.23 (N=16,R2=0.603)。本实验首次尝试利用绳系控制法海上现场测量活体鸢乌贼的目标强度,为今后继续深入研究鸢乌贼声学散射特性积累了资料,亦能为其他头足类或鱼类目标强度的海上现场测量提供参考。     

大黄鱼和许氏平鲉声反射特征与体重和体长关系的研究

以黄、渤海、东海主要养殖鱼类许氏平鲉和大黄鱼为研究对象,在消声水池中选用KF-668双屏彩色探渔仪等仪器,在50、200 kHz工作频率下对研究对象目标强度及背向反射声截面与体重和体长的关系进行研究.试验结果显示,体重和体长均可用做定量表述上述两种鱼类目标强度的参数.TS大黄鱼在50kHz频率下身体各向目标强度值介于-32.85～-58.01dB;200kHz频率下身体各向目标强度介于-29.3～-56.99 dB.TS许氏平鲉在50 kHz频率下身体各向目标强度值介于-31.74～-75.87 dB;200kHz频率下身体各向目标强度介于-31.74～-74.75 dB.大黄鱼和许氏平鲉身体各向目标强度大小为TS侧向＞TS背向＞TS头向＞TS尾向.50 kHz:TS大黄鱼=24.8 1og L(cm)-73.9(侧向);200 kHz:TS大黄鱼=23.9 1og L(cm)-71.3(侧向).50 kHz:TS许氏平鲉=25.7 1og L(cm)-69.16(侧向);200 kHz:TS许氏平鲉=26.4 1og L(cm)-70.8(侧向).试验结果为声学水下监测仪器的设计提供数据支持.     

采用单片机进行回声信号预处理的YFR—90型浅水鱼类资源评估仪

该评估仪是一种根据水声学原理对浅水水域鱼类资源做定量调查的组合设备,由探鱼仪、回声信号预处理器和便携式微型计算机3部分组成。探鱼仪是国产TCQ—80型。回声信号预处理器采用8位单片机和A/D转换器等构成硬件系统,预处理软件功能包括:对回声信号进行实时数字化采样;回声值合理性判断;回声值平方和累加运算;发射信号和水底信号的识别及前后沿噪声消除;水深脉冲计数值和回声平方累加值发送。微型计算机用HX—20型,在该机上开发了积分处理程序、平均积分值和水深值输出程序。评估仪已经在几个水库试验应用,取得预期效果