回声探测技术在我国渔业资源调查中的应用研究进展
郝桐锋 曲疆奇俞文钰 南海林 张树林 张清靖
摘 要：回声探测技术评估鱼类资源是近年新兴的一种渔业资源评估方法。该方法具有高效、便捷、对生态环境友好等特点，应用前景广阔。本文概述了回声探测技术的发展历程与原理，并总结了近年来回声探测技术在我国渔业方面的研究现状，强调了目标强度研究的重要性，并对今后回声探测技术的发展方向做出了展望。
关键词：回声探测；
渔业资源；
目标强度
渔业资源评估是利用科学的方法对渔业资源进行估算，是渔业管理、渔业建设、渔业保护和渔业发展的基础。科学的评估渔业资源对渔业的管理和生产有着重要意义，同时渔业资源评估还可以帮助我们实现渔业行业的可持续发展。渔业资源评估的方法有拖网法、标志放流法、世代分析法和回声探测法等方法。拖网法，是一种用于估算原始资源量的方法，适用于海洋水域的底层鱼类和近底层鱼类的资源量评估，该方法主要根据拖网单位时间的扫海面积和单位时间的渔获量来估算单位面积内某种鱼类的绝对数量［1］。标志放流法指的是在特定水域中，捕获部分特定种类的鱼类个体并对其进行标记，再将标记好的鱼类个体放生，经过一定期限后进行重捕，根据重捕中标志数的比例，即可评估该水域中某种鱼类资源的总数［2］。世代分析方法指的是在已知自然死亡系數的条件下，可以用一个世代在不同年份的连续渔获量资料估算种群在补光时的数量，一般在单位捕捞努力量不能可靠的作为种群密度指标的时候，常采用世代分析法评估鱼类种群数量［3］。
回声探测法是一种新兴方法，其发展可以追溯至20世纪初。1912年物理学家Fessenden发明了水下电动式水声换能器并且利用这台换能器在1914年首次探测到了冰山。1918年物理学家Langevinc发明的石英换能器成功的获取了潜艇的回波，同年11月物理学家Boyle设计了第一款主动声纳，为回声探测技术的发展奠定了基础。回声探测技术在二战期间发挥了巨大作用，战后世界各国意识到回声探测技术在军事上的重要性，均开始发展自己的回声探测技术，使其在低频、大功率、深海和信号处理等方面有了巨大的进步。回声探测技术最早被运用于渔业方面是在1929年，日本学者使用回声探测仪探测水体，并首次在回声探测仪的示波器上接收到了鱼群数量的信号［4］。在之后的50年里，学者们陆续对回声探测技术进行改进。Sund［5］通过回声探测仪对大西洋鳕鱼（Gadus morhua）的进行了时空分布调查，并由此发表了世界上首例鱼探仪映像。Scherbino对Ingvar Hoff的理论做出了改正，使回声探测技术能够通过分析数据来确定水生生物的密度及分布［6］。Foote［7］解决了回声探测器校准问题，使声学调查的结果更加准确。挪威公司Simrad的分裂式回声探测仪Simrad EK500进入市场。自此回声整合器、回声信号技术开始逐步完善，回声探测技术也越来越成熟，在渔业方面回声探测技术也从单纯的助渔手段开始向渔业资源评估与调查方面转变。Seiji Ohshimo［8］等使用回声探测技术评估了日本九州东西部水域内沙丁鱼（Sardina melamosticta）的资源量。Stanley［9］利用回声探测技术对墨西哥湾北部石油井台的渔业资源进行评估。捷克的国家水生生物研究院使用回声探测技术对捷克国内淡水水域里的鲤（Cyprinus carpio）等渔业资源进行了评估［10］。回声探测法与拖网法、标志放流法、世代分析法等传统方法相比，回声探测法有着速度快、成本低、覆盖面广、可重复性强、数据直观、分析时空分布、不伤害鱼类资源和生境等优点。
回声探测技术探测鱼类资源与传统方法探测鱼类资源相比有着许多优势，但由于回声探测技术在1984年才被引入我国，因此我国利用回声探测技术对渔业资源进行调查的研究较少，因此本文对近年国内回声探测技术在渔业上的研究进行了总结与归纳，旨在为今后回声探测技术我国渔业方面的发展提供参考。
1 回声探测技术原理
回声探测仪通过换能器将电子信号转化为声信号后向水中发射脉冲超声波，当脉冲超声波在水体的传播过程中遇到障碍物时，由于障碍物的声阻抗率与水的声阻抗率不同，该障碍物就会对脉冲超声波产生散射和反射作用产生回波信号，换能器会将接收的回波信号转换为电信号［6，11］。
回声探测仪主要使用两种方法来评估鱼类资源量分别是回波计数法和回声积分法。
回波计数法是对探测区域内的鱼类呈个体分散分布时对个体分别计数，并计算出探测过程中换能器发射声波的扫水体积，两者的比值即为鱼类资源量［12］。其计算公式为：
ρν=Etotalνρ×pings（1）
式中：ρν是鱼类密度，ind/1 000 m3；
Etotal为探测过程中声波覆盖范围内声信号数量；
pings为换能器发射ping的次数，ping是换能器发射脉冲的频率；
νρ为每ping扫描的水体体积，1 000 m3。
回声积分法是根据采样水域内鱼群回声强度的积分值比上单个鱼体对声波的反射率，从而得出探测水域鱼体的个数［13］。其计算公式为：
ρν=Sν1n∑kk=1nkTSk（2）
式中：ρν为鱼类密度，ind/m3；
Sv为体积散射强度，即单位区域内鱼群回声强度积分值；
n为鱼类总资源量；
K为探测水体中鱼类的种类数；
nk第k种鱼的尾数；
TSk为第k种鱼的平均目标强度。
回波计数法评估鱼类资源时会受到水体内鱼群密度的影响，所以多应用于内陆水域。回声积分法一般不受水体内鱼群密度的影响，因此在海洋水域中运用的更多。除此之外，当水体内的鱼类种类较多时，回声积分法的准确性高于回波计数法。
2 目标强度
目标强度全称为声学目标强度（Target Strength简称为TS）指的是生物在水中的回波声强，目标强度是定量描述目标生物反射声波能力强弱的物理量，是鱼类声学评估中最重要的参数［13］。
目标强度的物理定义为：
TS=10 lg（Ir/Ii）（3）
式中：TS为鱼类目标强度，dB；
Ii是入射声强，W/m2；
Ir是距离目标生物的声学中心1 m的反射声强，W/m2。
鱼类的目标强度定义为：
TS=20 lg（σbs/4π）（4）
式中：σbs是鱼体的声学截面［14］，m2。
σbs指的是鱼体对入射声波产生散射的等效面积，是一个意义更加明确的物理量。但由于无法直接测量σbs的大小，学者们为了将σbs和鱼类可以测量的生物学特征联系起来，便使用和鱼体声学截面相关的一个量体长来求解σbs，并为此建立了目标强度—体长经验公式：
TS=ɑlgL10TL+b（5）
式中：TL为鱼的体长，cm；
ɑ，b为回归系数，它们的值需要多次测定TS来确定。
2.1 影响鱼类目标强度的因素
鱼类的倾角分布、组织的声学特性、换能器频率、鱼体的体长、有无鱼鳔等因素都可以影响鱼类目标强度［15］。在所有的因素中鱼类的倾角分布、组织的声学特性和有无鱼鳔都是影响鱼类目标强度大小的主要因素。鱼体对目标强度的反射能力的大小和鱼体各组织的声阻抗率的大小有关，而声阻抗率与介质的密度有关，介质密度越大，其声阻抗率也越大，声阻抗率相差越大，介质对声波的反射能力越强。鱼鳔是有鳔鱼种的声反射主要器官，这是因为在鱼体的各组织中鱼肉和水的密度相差不大，对声波的反射能力不强，但鱼的鱼鳔内一般会充满空气，因为空气的密度远低于水，所以鱼鳔的声散射相对较强［16］。有研究表明鱼鳔反射的声能占鱼体反射声能总值的百分之九十以上，所以在一般情况下有鱼鳔的鱼类比没有鱼鳔的鱼类有着更大的目标强度［15］。除鱼鳔外，鱼类的倾角分布也是影响鱼类目标强度大小的另一个主要因素。鱼类的倾角分布指的是鱼体的中轴线相对于声波入射方向的角度。如果在目标强度的测定中忽视鱼类倾角分布的影响，则会对渔业资源调查的结果产生三分之一以上的误差［17］。这是因为回声探测仪发射的声波频率多在38～200 kHz之间，而声波波长多为39 mm和12.5 mm，多小于被調查鱼体的长度，这便使得鱼体散射声波具有指向性［18］。因此鱼类倾角分布的变化也会引起散射声波的回波强度的变化，进而影响鱼类目标强度的准确性。
2.2 鱼类目标强度的测量方法
鱼类目标强度的研究方法共有三种，分别是：受控实验法、现场测量法和模型估算法。
2.2.1 受控实验法 受控实验法主要是指通过搭建声学实验平台测量行为遭受控制的鱼类的目标强度［18］。
2.2.1.1 绳系法 绳系法的研究对象是已经死亡或被麻醉的鱼类，用一条细线固定鱼体，细线的另一端用来调整实验鱼的姿态倾角，利用换能器来测量不同倾角下的鱼体的目标强度，随后固定鱼体角度，研究实验鱼目标强度和其体长之间的关系。有研究表明，鱼体的目标强度和鱼类体长及换能器频率呈线性相关，其公式为［19］：
TS=mlogL+ɑogf+b（6）
式中：L为鱼体的长度，cm；
f为换能器频率，kHz；
m，ɑ，b为常数值。
2.2.1.2 网箱法 网箱法是指在声学透明材料制作而成的网箱中放置一条或多条实验鱼，再将网箱放置于换能器的波束范围内来测量鱼类目标强度的方法。使用网箱法来测量鱼类目标强度时需注意实验鱼的状态要与自然状态尽量一致［18］。
2.2.2 现场测量法 现场测量法是一种重要的测量方法，在对某种鱼类的集群方式尚不清楚时，只能进行现场测量，而不能贸然将该鱼类放置于网箱中测量以期得到鱼群的散射强度和回波图像。由于没有准确的鱼群规模信息，所以在使用现场测量法测量时特别需要知道目标鱼在换能器波束下的位置，以补偿回波强度。现有的分裂波束换能器和双波换能器可以在测量目标强度的同时测定目标位置，对换能器指向性进行补偿。在使用现场测量法时要记住一个原则：确保目标处在自然状态。除此之外还需注意两个条件：单体鱼之间要有足够的间距，避免重叠回波；
第二，对鱼群的采样要有效，能充分代表鱼群体长分布、年龄构成等种群特征［20］。
2.2.3 模型估算法 模型估算法是根据声散射理论和研究对象生物学特性将声散射的主要来源，近似为规则几何模型，再利用计算机模拟计算这些模型的目标强度［21］。模型估算法测量鱼类目标强度的方法有很多，下面对其中几个重要的模型做简要介绍。
2.2.3.1 球体模型 球体模型是模型估算法中最简单的模型，该模型将鱼体近似为充满液体的球体模型，鱼鳔为充满气体的球体模型，其公式为［22］：
S（θ）=∑∞l=0si（θ）=ik∑∞l=0（2l+1）11+iC1Pn（cosθ）（7）
式中：θ是模型和入射声波之间的夹角；
Pn（cosθ）是勒让德多项式；
C1计算公式为：
C1=j′1（k1a）n1（ka）j′1（ka）j1（k1a）-ghn′1（ka）j′1（ka）j′2（k1a）j1（ka）j′（ka）j1（k1a）-gh（8）
式中：j1和n1分别是第一类和第二类球形贝塞尔函数，j1和j2是j1的变形，n1是n1的变形；
K1和K分别是散射体和介质中的波束；
a是模型的圆柱体微元横截面半径；
g和h分别是声波在散射体和介质中的密度与声速比值。
2.2.3.2 基尔霍夫模型 基尔霍夫模型是通过X光或解剖的方法获得鱼体和鱼鳔的相关信息，在对这些信息进行处理，建立它们的二维模型，随后将鱼体、鱼鳔分割为数个微元，分别计算每个微元的目标强度，最后将各个微元的目标强度相加即可得到整体的目标强度。基尔霍夫模型与其他模型相比，可以相对准确的反应目标强度的情况，但建模过程相对复杂［23］。
ζ（f）=-in∑Nejb0e-2kv（j）d×（j）（9）
2.2.3.3 椭球体模型 椭球体模型是近年鱼类目标强度研究中常用的模型之一。将椭球体看做是由一系列沿其长轴无间排列的圆柱体微元组成，根据圆柱体微元散射场的分析结果，可得椭球体模型的散射场为［17］：
f=f0·D（θ）（9）
式中：f0为声波垂直、背向（从鱼体背部）入射时模型的散射振幅，D（θ）为该模型的指向性。式中f0的表达式为：
f0=-i×2πl/20dx∑∞m=0bm（x/（l/2））（10）
式中：变量x是模型长轴方向上圆柱体微元相对椭球体中心的位置；
l是模型长轴的长度;函数bm的表达式为：
bm（x/（l/2））=εm（-1）m/（1+iCm（x/（l/2））（11）
式中：εm是诺埃曼数，当m=0时，εm=1；
当m＞0时，εm=2。
函数Cm的表达式为：
Cm=S[J′m（k*a）Nm（ka）]Jm（k*a）J′m（ka）-ghN′m（ka）J′m（ka）·[Jm（ka）J′m（k*a）][Jm（k*a）J′m（ka）]-gh-1（12）
式中：Jm（u）和Nm（u）是m阶贝赛尔函数的第一类和第二类函数，Jm（u）和Nm（u）是Jm（u）和Nm（u）对（u）的一阶导数；
a是模型的圆柱体微元横截面半径；
g是模型材料的密度与海水介质密度的比值，h是模型内声速与海水介质中声速的比值；
k*是模型内声波波数，它与海水中声波波数k的关系写作：
k*=k/h（13）
式中：D（θ）的表达式为：
D（θ）=sin（klsin（θ））klsin（θ）cos（1/2）（θ）（14）
式中：θ是模型长轴相对于入射波的倾角；
D（θ）为模型的指向性。
2.2.3.4 变型圆柱体模型 变形圆柱体模型根据鱼的背向轮廓和侧面轮廓将鱼体的形状描述为一系列相邻的、圆盘状圆柱形元素。变形圆柱体模型和椭球体模型相比，变形圆柱体模型能够更好的描述鱼体形状，并且对无鳔鱼类的目标强度测量更加准确［24］。
2.2.4 鱼体目标强度测量方法对比 鱼类目标强度的研究方法有许多种，为了更直观地对比这些方法的优缺点，本文总结了数篇相关文献，并将其绘制成表以供参考［6，17-19，22-24］。
3 回声探测技术在我国的运用
3.1 鱼类资源调查评估评估与鱼类种质资源鉴定
自1984年，回声探测技术被引入我国，我国就逐渐利用回声探测技术对远洋水域、近海水域和内陆水域的鱼类资源进行调查与评估。1993年，唐启升等［25］利用回声探测技术得到了北太平洋狭鳕（Theragra chalcogramma）的分布状况和分布的环境特点。1997年至1999年，陈国宝等［26］利用回声探测技术在南海北部海域获取的渔业资源调查资料，对该海域内的带鱼 （Trichiuridae） 、蓝圆鳆（Decapter maruadsi）、日本竹荚鱼（Trachurus japonicus）、金线鱼科（Nemipteridae）鱼类以及大眼鲷科（Priacanthidae） 鱼类等5类23种经济鱼类进行了资源评估。2006年，谭细畅等［27］使用Simrad EY60型分束回声探测仪对珠江流域西江江段的青皮塘区域进行了关于广东鲂（Megalobrama hoffmanni）产卵场繁殖群体分布的回声探测。2006—2010年，王珂［15］利用回声探测技术在三峡库区进行了8次调查，结果发现春季期间鱼类密度在库区上游表现更多，而且越往上越多，密度最大江段为重庆至长寿段，而在库区的首部则最低。石妮［28］在2017年到2019年两年用回声探测仪对长江的南岸段和涪陵段进行了鱼类时空分布特征研究，发现显示鱼类大多分布在分叉和弯曲型江段。
3.2 鱼类行为研究
3.2.1 鱼类的迁移和集群行为 通过回声探测技术可以调查出鱼类在水体中的时空分布特征，对其密度进行比较，即可监测鱼类的迁移與集群行为。连玉喜等［14］利用回声探测技术对三峡库区香溪河水域的鱼类资源进行了调查，发现鱼类密度受到昼夜影响，白昼时探测的鱼类个体大于夜晚探测时的鱼类个体，但夜晚鱼类密度远高于白昼。谭细畅等［27］利用回声探测技术发现发现广东鲂在产卵时有明显的集群行为。这些研究揭示了鱼类迁移与集群的机理，鱼类的迁移与集群行为与环境因素、鱼类自身生理条件的变化有关。
3.2.2 鱼类的洄游行为 王成友［29］通过回声探测技术监测了长江中华鲟的生殖洄游，系统的监测了中华鲟的洄游速度、产卵迁移情况、繁殖周期。对鱼类的洄游行为进行研究可以帮助我们保护濒危鱼类改善其生活环境。
3.3 鱼类种质鉴别
个体鱼是构成鱼群的基本元素，对鱼类个体的进行鉴定是鱼群识别研究的基础。除此之外，鱼类种质鉴别对渔业资源评估和鱼类行为学研究是非常重要的。利用回声探测技术可以测量鱼类的目标强度，而不同的鱼类的目标强度即使是在大小相似的情况下也有着一定差异，因此通过对目标强度的分析可以实现不同鱼种的鉴别。但由于鱼体是一个复杂的散射体，其特性会使鱼体的回波信号也变得复杂，在实际运用中难以反应目标特征，分类效果常不能令人满意。周超等［30］运用时域自适应分段方法。对三种常见的不同形状的鱼类进行了实验，提取其自适应分段时域质心特征，并成功使用BP神经网络分类器对鱼的种类进行分类。
3.4 评估其他水生生物
国内学者不仅利用回声探测技术对鱼类资源进行评估，还利用回声探测技术对其他具有发展潜力的水生生物进行探测，评估其目标强度与资源量。王欢欢等［20］就利用回声探测技术对鸢乌贼的目标强度进行了评估。除此之外，回声探测技术还可以用来探测水生植物，水生植物是水体生态系统的初级生产者，它不仅能够为水生生物提供栖息地，还可以改善水体环境。利用回声探测技术对水生植物进行调查，可以迅速的获得水生植物的种类、分布和生物量，并以此为基础绘制水生植物分布图。通过水生植物分布图可以直观的反应被调查水域的水质质量，并帮助我们对水环境进行综合治理和生态修复。徐兆安等［31］就利用回声探测技术对太湖的沉水植物进行了调查与评估。
3.5 探测水深与底部识别
回声探测技术最早的运用就是探测水体深度。现在随着回声探测技术的发展，目前回声探测设备不仅能直接在回波图像中查看某一段或某一点水域的水深，还能够准确定位探测目标的深度。水底底质主要分为烁石、细沙、粉沙质细沙等等，其中烁石硬度相对最高，形状参差不齐，对声波的反射相对较强，而其他沙质、土质等由可以根据它们对声波反射程度不同进行比较分析［32］。利用回声探测技术对底质类型进行研究，有利于研究鱼类的栖息地环境，并对鱼类资源进行相应的保护。
4 总结与展望
自1984年，回声探测技术被引入我国之后，回声探测技术凭借着自己独特的优势在我国的鱼类资源的调查与评估中发挥着重要的作用。纵观近十年的研究内容，我国回声探测技术对渔业方面的研究以鱼类资源评估为中心，对鱼类目标强度的研究内容相对较少，除此之外，对具有开发潜力的经济物种研究略有不足，需要进一步研究。后续关于我国回声探测技术在渔业方面的运用可以从以下三个方面展开。第一，将回声探测技术与４Ｓ技术相结合，并对鱼群资源量、迁移速度、时空分布等信息进行量化，再此基础上对鱼类的行为和生活史进行研究。第二，将回声探测技术应用于保护水生生物，利用回声探测技术调查濒危水生生物的栖息地、产卵场。运用ＡＲＣＧＩＳ软件将调查所得的数据进行整理，建立栖息地的底质模型，准确掌握水生生物栖息地的特征，并以此为基础建立人工栖息地以保护水生生物。第三，加强对鱼类目标强度的研究，我国回声探测技术在渔业方面的研究多集中于鱼类资源量的评估，对鱼类单体目标强度研究较少，对鱼类以外的水生生物目标强度研究较少。所以为提高我国回声探测技术在渔业方面的运用范围，要加强对鱼类及其他水生生物的单体目标强度的研究。
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Application of echo detection technology in fishery resources survey in China
HAO Tongfeng1，2，QU Jiangqi2，YU Wenyu1，2，NAN Hailin2，ZHANG Shulin1，ZHANG Qingjing1，2
（1. College of Fisheries， Key Laboratory of Aquaecology and Aquaculture of Tianjin， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China; 2.Beijing Key Laboratory of Fishery Biotechnology， Fisheries Research Institute， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing 100068， China）
Abstract：Echo detection technology is a new method to evaluate fish resources in recent years.This method has the characteristics of high efficiency，convenience and ecological environment friendliness，and has broad application prospects.This paper summarized the development course and principle of echo detection technology，the current research status of echo detection technology in China"s fishery in recent years，emphasized the importance of target intensity research.The prospects of the development direction of echo detection technology in the future was put forward as well．
Key words：echo detection;fishery resources;target strength
（收稿日期：2022-10-14）
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