基于水声技术的黄海近海鱼类活动定点监测研究

马燕芹， 司纪锋

(中国科学院声学研究所北海研究站，山东 青岛 266023)



基于水声技术的黄海近海鱼类活动定点监测研究

马燕芹， 司纪锋

(中国科学院声学研究所北海研究站，山东 青岛 266023)

为了研究黄海近海鱼类活动规律，采用自主研制的科研型鱼探仪于2015年11月22日至12月5日对调查海域的鱼类活动进行了首次声学调查，统计分析鱼类活动规律。在调查海域布放4套鱼探仪设备对鱼类进行定点长时间监测，并将采集到的鱼类回波数据利用水声技术进行分析和处理，得到调查海域单体鱼类目标强度在垂直方向上的分布、鱼类目标强度大小的分布以及鱼类在不同水层和不同时间段的活动情况。结果显示，调查海域冬季鱼类主要活动在4～10 m的中上水层，鱼类分布随着水层深度的逐步增加而急剧减少；从9∶00至13∶00鱼类活动频度呈增大趋势，并在13∶00至14∶00频度达到顶峰(约为38%)，随后频度减弱；统计得到该海域鱼类目标强度主要以-49～-40 dB占比最高，目标强度大于-40 dB的鱼类均匀分布在整个水层，目标强度小于-40 dB的鱼类主要分布在4～10 m浅水层。研究表明，采用水声技术能够实现对鱼类活动的监测；调查海域的鱼类目标强度分布比较集中，鱼类在深度上的分布主要集中于中上水层，鱼类在不同时间段的活动情况随水温变化而变化，温度升高鱼类活动频度增加，反之则降低。由此可知，该海域鱼类的种类以暖水物种为主。

鱼类监测；水声技术；回波处理；黄海近海

鱼类监测对于掌握和评估鱼类的分布和活动情况具有重要意义[1-2]。相对于传统的拖网等调查手段，运用水声技术调查、评估鱼类资源可以在不损害生物资源的情况下，快速、高效地对自然状态下的鱼类活动行为、姿态和分布情况进行监测[3-5]。水声技术资源调查方法起源于20世纪60年代，并逐步成为渔业资源监测和管理的一个重要手段[6]。其原理主要是基于水和鱼体的声阻抗率不同，当声波从水中遇到鱼体时会产生散射，反向散射部分声波被换能器接收就形成了鱼类回声信号[7-9]。并且根据试验过程中采取监测方式不同，分为走航式监测方法[10]和定点监测方法[11]。

黄海近山东半岛海域地处暖温带，受黄海暖流和黄海冷水团的影响，生态环境复杂多变，渔业资源种类繁多[12]。而且，黄海近山东半岛海域作为渤海和黄、东海洄游性鱼类的越冬场所，冬季鱼类多样性比较丰富，既包含有底层鱼类，也有大量的中上层鱼类[13]。对于黄海海域的渔业资源研究，主要包含资源数量、结构和种类等[14-16]。1984年，农业部黄海水产研究所通过与挪威等开展国际合作项目将渔业声学技术引进我国，并于1985年针对黄、东海的鳀鱼资源采用Simrad EK400-QD系统开展大规模水声学调查，调查对象主要是单鱼种，取得了非常好的效果[17]。基于对黄海海域鱼类资源调查的结果，本研究以黄海近山东海域为调查海域，采用自主研制的科研型鱼探仪对调查海域的鱼类目标强度的大小以及鱼类活动的空间和时间分布进行统计、分析和评估，为黄海近山东海域渔业资源合理地开发、管理和可持续发展提供科学依据。

1　材料与方法

1.1调查海域

黄海海域因其独特的地理位置，使得渔业生物群落结构复杂。于2015年11月22日至12月5日在黄海近海海域设置了4个监测点(图 1)，方位分别为：35°09′31″N，119°34′16″E；35°09′26″N，119°34′40″E；35°09′13″N，119°34′38″E；35°09′13″N,119°34′21″E。该调查海域的水深在20 m左右，4套鱼探仪设备布放在试验船四周，并与上位机保持通联。由于时值冬季，该海域的鱼类在表层分布很少，因此采用了鱼探仪垂直向下监测的方式。

图1　渔业资源调查区域

1.2鱼探仪

鱼探仪主要由三部分组成：超声波换能器、脉冲发生器和回声接收器[18]。其中，该试验所采用的鱼探仪主要由换能器、信号采集系统以及带有控制显示功能的计算机组成[19-21]，后端的声学处理和分析主要通过MATLAB软件处理完成。鱼探仪的换能器为收发一体式，波束开角为10°，发射信号为200 kHz的CW信号[22]，脉冲宽度1 ms，基带信号带宽20 kHz，采样频率800 kHz，发射声源级为208.5 dB，增益控制动态范围为-80～80 dB可调，探测距离最大可达200 m。鱼探仪通过计算机的控制可以完成数据的采集、存储和回放，还可以根据需要选择保存信号的格式和类型，便于工作人员对数据进行分析。根据试验海域信号最佳传输方式，选择信号采集处理系统通过串口或者3G网络与远程岸基的上位机进行通讯等。试验中采用4套鱼探仪，每套独立工作，并采用如图 2的安装形式。

由于试验船远离岸边，在供电不足的情况下，采用可连续工作8～9 h的发电机对上位机系统进行供电。换能器采取垂直向下探测，当鱼类出现在鱼探仪的探测区域，鱼探仪就会将鱼类的回波采集并保存起来，供后续的分析和处理系统处理。并且在浮球和水泥重块的作用下，换能器能够稳定在水面以下2 m左右的水层，由此降低了海面波浪扰动。

图2　鱼探仪安装示意图

1.3水声学数据处理

1.3.1海底相关检测和盲区估计

当鱼类活动在接近海底水层时，微弱的鱼类回波就会被海底的强回波所覆盖，导致鱼类回波无法衡量。因此，海底回波的滤除对于精确评估鱼类活动非常重要。相关检测是分析两种不同信号的关系，当两个随机信号做相关处理时[23]，它们的相关性很弱，得到的相关系数就会很小。利用相关检测，就可以将回波信号中的海底信号检测出来。

假设相邻两次接收回波信号分别为x1=s1+n1,x2=s2+n2，其中s1,s2为信号，n1,n2为噪声，则接收到的回波信号x1,x2的相关函数表达式为：

n2(t+τ)]dt

(1)

式中：x1—回波信号，v/s ；x2—回波信号，v/s ；s1—有用信号，v/s ；s2—有用信号，v/s ；n1—测量到的随机噪声，v/s；n2—测量到的随机噪声，v/s ；Rx1,x2(τ)—信号x1,x2在任意不同时刻的相关程度(-1≤Rx1,x2(τ)≤1)，当Rx1,x2(τ)<0表示信号x1和x2为负相关；当Rx1,x2(τ)=0表示信号x1和x2为不相关；当Rx1,x2(τ)>0,而且Rx1,x2(τ)越大表示信号x1和x2的相关性越大，反之越小；T—回波信号的周期，s，τ—互相关的时间延迟，s。当τ=0s时，相关函数存在最大值，表示为：

n1(t)s2(t)+n1(t)n2(t)]dt

(2)

由于n1,n2为随机噪声信号，而根据随机信号的特性[24]可以得到随机噪声信号之间以及随机噪声信号和回波信号之间的相关性非常弱。式中积分函数的后三项的作用很小，使得:

(3)

式中各个变量的含义已给出。通过Rx1,x2(0)的最大时刻可以估计出海底的位置，并取检测到的海底以上1 m处为鱼类有效回波的下限位置，由此可以排除海底回波的干扰[7]。

由于换能器为收发合置型，换能器近场效应和天气等因素的影响，会使接收回波中含有声学盲区[17]。为了将此类回波排除，降低对调查结果的影响，通过对试验采集回波信号的大量分析和处理，取上限位置为换能器以下2 m，以避免余振和盲区。

1.3.2水声学数据处理

将经过上述水声技术处理后的鱼类后向散射回波作为有效的分析数据。因为换能器为垂直向下放置，通过回波时间能够得到鱼类和换能器相对距离。根据Balk等[8]提出的单回波检测(SED)，其准则是：单次回波的最小和最大长度一般为发射脉冲长度的0.6倍和1.8倍，对应的单程最大增益补偿为3 dB，通过设定-70 dB的最小门限值，并且对大于门限值的回波进行分析处理。结合鱼探仪设备参数，通过将声呐方程[22]变形，得到：

SL=2TL-TS+NL+DT

(4)

传播损失TL为：

TL=20lg(r)+αr/1000

(5)

式中：SL—声源级，表示声呐辐射声能的能力，dB；TL—传播损失，表示声信号在传播过程中衰减大小，dB；TS—目标强度，表示目标对入射声能的反向散射能力，dB；NL—噪声级，表示声呐接收端的噪声，dB；DT—检测阈，表示接收水听器抑制非目标方向干扰能力的参数，dB；传播损失系数α=52dB/km；r—传播距离，m。

噪声级根据试验环境取NL=20dB，设备的检测阈值为DT=12dB，由此得到鱼类的目标回波强度。

2　结果

2.1鱼类目标强度的分布

通过对4个监测点的回波数据采用上述声学处理方法，统计出鱼类目标强度的平均分布情况。图 3为试验采集到的多次回波的回波强度分布情况。由图可知，该海域冬季鱼类的目标强度分布在水面至水底整个水层，主要集中于水下4～10m，处于浅水层的鱼类目标强度较小，随着水深的增加，目标强度增大但目标个数减少。

图3　鱼类回波强度在深度上的分布

对监测到的鱼类目标回波强度分布情况，按1dB为单位统计得到目标强度大小的分布情况。图 4为不同鱼类目标强度的分布情况。

图4　鱼类目标强度大小的分布

由调查结果可知，冬季黄海近海调查海域的鱼类目标强度分布在-60～-25dB之间，并且主要集中在-49～-40dB，单体鱼目标强度小于-49dB的占比较少(约为8%)，目标强度大于-40dB的鱼类占比约为16%。

2.2鱼类活动的空间分布

通过对4个监测点不同水层的鱼类目标回波进行统计，得到鱼类在不同水层的平均分布情况。此次调查海域的平均水深约为20m。图 5为统计得到的鱼类在不同水层的分布情况。由图可以看出，该海域的鱼类在水下4～19m水层活动，主要集中在水下4～10m的水域，分布在该水层的鱼类占比66%，在8m水层以下，鱼类数量很少且比较均匀。

图5　鱼类在不同水层的分布情况

2.3 鱼类活动的时间分布

根据回声计数方法对鱼类在不同时间段的活动情况进行统计。从9∶00至15∶00，每小时统计1次。图 6为调查得到的鱼类在此时间段的活动情况。

图6　鱼类在不同时间段内的分布

14∶00至15∶00，鱼类活动的频度最小，约为7.5%；9∶00至14∶00，鱼类在该区域出现的频度呈递增趋势，并且在13∶00至14∶00频度达到峰值，约为38%。出现该现象主要是因为冬季气温比较低，鱼类多数在深海海域活动，但随着近海海水表层温度逐渐升高，鱼类逐渐由深海向浅海游动捕食。

3　讨论

3.1鱼类空间分布分析

黄海海域的渔业资源长期遭受掠夺式的捕捞，该海域的渔业资源数量急剧下降[13]，尤其是近海海域过高的捕捞强度导致近海的渔业资源严重衰退。此外，黄海的捕捞渔业生产结构以底拖网为主，底拖网一般对底层鱼类的捕获率较高[25]，这就导致底层鱼类资源的衰退更加严重。吕振波等[26]发现黄海山东近海浅水层资源量指数稍高于深水区。冬季，黄海大多数洄游性鱼类已经开始越冬洄游，此时鱼类较广泛地分布于黄海浅水及较深水域[15]。所以，调查海域冬季鱼类多数分布在4～10 m浅水层，深水层鱼类分布稀少。

3.2鱼类时间分布分析

春季和秋季，山东海域鱼类资源在经济结构方面均以经济价值较低种类为主，其中，春季主要以近底层的冷温性物种为主，秋季主要以中上层的暖温性种类为主[26]。董倩等[27]对黄海北部近岸水域的鱼类采用底拖网调查也发现海域以经济价值较低的中上层鱼类为主，区系组成以暖温性鱼类为主的结果。本次试验发现，9∶00至15∶00的时间段内，海水水温呈现先升高后降低的趋势，从鱼类活动时间分布情况来看，鱼类活动频度与水温呈正相关，由此也说明黄海近海鱼类以暖温性为主。

3.3调查方法分析

国内的渔业监测和资源调查主要借助国外设备对鱼类资源量和鱼类大小组成，以及时间、空间分布进行评估，而且多采用走航式的调查手段[28-29]。本研究主要采用研制的鱼探仪对黄海近海所有鱼类物种的活动情况进行监测和评估，与走航式调查手段相比，采用定点监测调查手段能够避免因走航式调查船对鱼类活动的干扰而导致的结果不精确的情况。目前，走航式调查手段只能实现分时间段调查，这也在一定程度上影响调查结果的精确度，而采用定点监测调查手段能够实现对鱼类进行连续长时间监测[11]。本调查过程中仅采取了鱼探仪垂直布放的方式，没有结合浅水层的水平布放，无法对表层鱼类进行监测[11]，可能导致调查结果与实际鱼类活动情况有差别，同时本调查也缺少生物学采样和对渔业资源分类统计[30]。

4　结论

通过海试试验，证实了所研制的鱼探仪能够用于鱼类活动的监测和评估，同时对黄海某近海海域鱼类活动规律做了初步估计，得到该海域鱼类目标强度主要以-49～-40 dB占比最高，而且目标强度大于-40 dB的鱼类零散地分布于整个水层，目标强度小于-40 dB的鱼类主要位于浅水层。统计得到该海域的鱼类主要分布在水面以下4～10 m的水层，冬季鱼类主要于13∶00至14∶00之间在近海海域活动。调查结果表明黄海近海的底层鱼类资源非常少，这就要求管理部门从技术研究与行政管理入手，完善对底层鱼类的增值放流和放流成活率，并且严格执行渔业捕捞管理制度，促使黄海渔业能可持续发展。

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Study on the monitoring of fish activity in the Yellow Sea coastal water based on hydroacoustic technology

MA Yanqin, SI Jifeng

(QingdaoBranch,InstituteofAcoustics,ChineseAcademyofSciences, 266023,Qingdao)

To study the activity of fish in a coastal area of the Yellow Sea, the first acoustic survey of fishery resources was carried out from November 22 to December 5, 2015 using the self-developed research-type fish finder, to obtain the fish activities data. First of all, four sets of fish finder instrument were put at four fixed points of the investigated area to monitor the fish stocks entering the area, and the echo data of fish was collected and analyzed and dealt with using acoustic technology, thus to get the distribution of the fish target strength in the vertical direction, the target strength size distribution of fish, and the distribution of fish amount in different water layers and at different time, as well as the amount of fish resources. Results showed that fish in the investigated sea area were mainly distributed in the layer of 4～10 m, and with the gradually increasing of the water depth, the amount of fish became smaller. In the investigated sea area, the fish activity frequency showed an increasing trend from 9am to 1pm, and reached the peak between 1pm to 2pm which was about 38%. The fish target strength of -49～-40 dB accounted for the highest proportion, and the strength higher than -40 dB was evenly distributed in the whole water layers, while that smaller than -40dB was mostly distributed in the shallow water layer of 4～10 m. Survey results showed that the acoustic technology could monitor fish activities, and the fish target strength distribution was relatively concentrated in the investigated sea area. In the depth direction, the fish was mainly concentrated in the upper layer. The activities of fish in different time periods changed along with the variation of temperature: when the temperature rose, the frequency of fish activity increased, otherwise the frequency of fish activity decreased, from which we can conclude that most of the fish species in the investigated area were warm water species.

fish monitoring; acoustic technology; echo processing; the Yellow Sea coastal water

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.04.013

2016-06-11 修改日期：2016-07-29

海洋公益性行业科研专项 (201505025)；山东省科技发展计划项目 ( 2014GHY115009 )

马燕芹( 1990— ), 女，研究实习员，硕士，研究方向：渔业声学和水声信号处理。E-mail：mayanqin@mail.ioa.ac.cn

S932.4

A

1007-9580(2016)04-070-06