三種東海重要經(jīng)濟(jì)魚類目標(biāo)強(qiáng)度隨角度變化的橢球體模型及實(shí)驗(yàn)測定的研究*

尚曉明 孔令民 吳常文

(浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心 舟山 316022)

聲學(xué)方法是進(jìn)行漁業(yè)資源調(diào)查和網(wǎng)箱監(jiān)控的重要方法, 具有簡單、快速、有效的特點(diǎn)。(譚細(xì)暢等,2009), 目標(biāo)強(qiáng)度是魚類資源評估和網(wǎng)箱監(jiān)控的重要參數(shù)(趙憲勇等, 2003; Simmonds et al, 2006), 研究目標(biāo)強(qiáng)度的方法包括實(shí)驗(yàn)測定和模型研究兩種方法(于海圓等, 2007)。實(shí)驗(yàn)測定方法是應(yīng)用聲學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置對受控水生生物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。國外學(xué)者應(yīng)用這種方法對水生生物的目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了大量研究, 研究對象包括魚類(Francis, 1985; Yasuma et al, 2005)、水母(Alvarez et al, 2008)、頭足類、海龜(Mahfurdz et al,2013)以及海洋哺乳類動物如鯨魚、海豚(Li et al, 2012)等, 主要通過改變水生生物的角度或所處深度, 研究目標(biāo)強(qiáng)度和角度、水深之間的關(guān)系; 對水生生物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測, 研究目標(biāo)強(qiáng)度與生活習(xí)性的關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者也有部分研究, 主要研究對象為經(jīng)濟(jì)魚類或保護(hù)魚種, 如褐鯧鲉(Sebastiscus marmoratus) (張婧雯,2012)、大黃魚(Pseudosciaena crocea)、許氏平鲉(Sebastods schlegelii)(欒洋等, 2011)、青海湖裸鯉(Naked carp)(譚細(xì)暢等, 2009)、狹鱈(Theragra chalcogramma)(趙憲勇等, 1996)等, 主要研究平均目標(biāo)強(qiáng)度同魚類體長的關(guān)系。但小黃魚、銀鯧的研究未見報(bào)道, 目標(biāo)強(qiáng)度同角度的關(guān)系研究尚顯不足。

模型研究方法是將魚體簡化為幾何模型, 利用聲波的散射原理對魚類的目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行近似研究。目前, 國外采用的模型方法有球體模型(Anderson,1950)、橢球體模型(Furusawa, 1988)、基爾霍夫模型(Clay et al, 1994)、有限彎曲模型、低分辨率聲學(xué)模型(Jech et al, 1995)以及基于基爾霍夫模型的立體模型(Tang et al, 2009)等。國內(nèi)也有學(xué)者對魚類的聲學(xué)模型進(jìn)行了研究, 其中有代表性的是魚群的聲散射模型(張波等, 2009)以及鳀魚的橢球體模型(于海圓等,2007)。橢球體模型是常用的模型, 能夠較好地反映目標(biāo)強(qiáng)度的指向性, 但未與實(shí)驗(yàn)測定方法相結(jié)合。模型研究方法不受實(shí)驗(yàn)測定條件的限制, 具有靈活方便的特點(diǎn), 是實(shí)驗(yàn)測定的重要補(bǔ)充。

本文以東海三種重要經(jīng)濟(jì)魚類大黃魚(Pseudosciaena crocea)、小黃魚(P. polyactis)、銀鯧(Pampus argenteus)為研究對象, 提出了可精確控制角度的目標(biāo)強(qiáng)度測量裝置, 并應(yīng)用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定的研究。采用模型法估算了其不同傾角狀態(tài)下魚體的目標(biāo)強(qiáng)度, 通過對比實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果, 修正了橢球體模型。為更進(jìn)一步研究目標(biāo)強(qiáng)度和角度的關(guān)系, 從而進(jìn)一步改進(jìn)模型提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)測定

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置 本文研制了可精確控制角度的目標(biāo)強(qiáng)度測量裝置, 如圖1所示。裝置中魚體、天平橫桿和細(xì)線組成平行四邊形, 因此橫桿角度即為魚體角度。通過對調(diào)節(jié)螺母和游碼的移動調(diào)整, 測量不同傾角狀態(tài)下的魚體的目標(biāo)強(qiáng)度值。水桶高 2m, 直徑為1.85m。目標(biāo)強(qiáng)度測量儀器為Biosonic DT-X回聲探測儀, 測量波束為分裂波, 頻率430kHz。

圖1 目標(biāo)強(qiáng)度測量裝置Fig.1 The experimental designontarget strength measurement

1.1.2 目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測定 大黃魚、小黃魚、銀鯧樣品購自舟山漁政碼頭, 在表1中給出了三種實(shí)驗(yàn)樣品的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí), 將魚體固定在實(shí)驗(yàn)裝置上, 換能器固定在魚體正下方 1.6m處, 調(diào)節(jié)橫桿上的螺母和游碼, 以1度為間隔測量魚體的目標(biāo)強(qiáng)度值。測量范圍–40°≤θ≤40°, 取魚體頭部向上時(shí)傾角為正, 頭向下時(shí)傾角為負(fù)。

表1 實(shí)驗(yàn)魚體長、體重Tab.1 The length and weight of experimental fish body

1.2 模型法

1.2.1 基本定義與原理 目標(biāo)強(qiáng)度(TS)是反映魚體對聲波反射能力的物理量, 定義為(Anderson, 1950;Zhao, 2006):

其中, σ是魚類的反向散射截面, 可以作為魚對入射聲波產(chǎn)生散射的等效面積。

對于鯨類和海豚等哺乳動物而言, 肺部和脂肪層是產(chǎn)生散射的主要部分(Miller et al, 2001), 有殼生物主要的散射部位是殼(Wareen et al, 2002), 有鰾魚種主要聲散射器官是魚鰾(Sasmowiyono et al, 2010)。因此, 有鰾魚類的聲散射可以近似為魚鰾的聲散射和除魚鰾以外的肌肉、骨骼、內(nèi)臟等魚體其它部分的散射組成。魚類的散射聲場為點(diǎn)源散射場, 因此魚鰾的散射和魚體的散射可近似為完全相干, 沒有相位差, 魚的總散射振幅可近似為魚鰾和魚體的散射振幅之和(于海圓等, 2007)。

其中, ftot為魚類個(gè)體的總散射振幅, fsb為魚鰾的散射振幅, fb為總散射振幅。魚體的總聲學(xué)截面表示為(于海圓等, 2007):

1.2.2 橢球體模型的聲散射場 橢球體模型的構(gòu)造方法是將魚體近似為一系列沿長軸無間排列的橢球體微元組成, 橢球體模型的散射場為 f = f0D(θ),其中, f0為聲波從魚體背部垂直入射時(shí)的散射振幅,D(θ)代表模型的指向性(于海圓等, 2007)。

其中, x是圓柱體微元相對于橢球體中心的位置, l是模型長軸的長度; εm是諾曼數(shù), 當(dāng) m＞0時(shí), εm=2;當(dāng)m=0時(shí),是m階貝塞爾函數(shù)的第一類和第二類函數(shù),分別是對(u)的一階導(dǎo)數(shù), a是圓柱體微元橫截面半徑; g是模型材料的密度與海水密度的比值; h是模型內(nèi)聲速和海水聲速的比值,是模型內(nèi)聲波波數(shù), k是海水聲波波數(shù),

其中, θ是模型長軸相對于入射波的傾角(于海圓等,2007)。

1.2.3 模型參數(shù)的確定 魚體和魚鰾的參數(shù)取自實(shí)驗(yàn)測定用魚, 魚體參數(shù)通過拍照和魚尺測量獲得;魚鰾參數(shù)通過解剖、拍照和圖片處理軟件獲得, 應(yīng)用Photoshop對照片處理, 測定魚鰾和魚體的相對尺度,魚鰾參數(shù)=魚體長度×相對尺度。經(jīng)過換算后的具體參數(shù)如表2所示。

表2 魚鰾和魚體參數(shù)Tab.2 The parameters of fish body and swim-bladder

模型介質(zhì)參數(shù)采用 Furusawa(1988)對鯡魚的實(shí)測結(jié)果, 魚體的密度與聲速參數(shù)為(1.04, 1.04c), 魚鰾的密度與聲速參數(shù)為(0.00129, 0.23c), 海水鹽度和溫度的參數(shù)由YSI水質(zhì)測定儀測得。經(jīng)測定, 魚體所處水層水深0.4m, 溫度26.04°C, 鹽度25.43, 海水聲速1564.2m/s, 海水密度為1015.8kg/m3。

1.2.4 模型目標(biāo)強(qiáng)度評估 根據(jù)評估模型, 應(yīng)用Matlab7.0軟件編程, 以0.1度為間隔計(jì)算魚體目標(biāo)強(qiáng)度, 得出目標(biāo)強(qiáng)度隨聲波入射角變化(即魚體傾角)的分布, 角度取值范圍–45°≤θ≤45°。魚體傾角為相對水平面的角度, 取頭部向上為正, 頭部向下為負(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果與分析

在圖 2中給出了得出魚類聲學(xué)目標(biāo)強(qiáng)度隨角度變化關(guān)系。

從圖2(a)中可以看出, 小黃魚目標(biāo)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在 4°, 最小值出現(xiàn)在–40°, 次最小值出現(xiàn)在 14°,平均值為–51.3°dB。從–40°到 40°范圍內(nèi)一共有 22 個(gè)主瓣, 左側(cè)自–38°以后下降速度較快, 右側(cè)在 38°后略有回升。從圖 2b中可以看出, 大黃魚目標(biāo)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在–2°, 最小值出現(xiàn)在 15°, 次最小值出現(xiàn)在–40°, 平均值為–46.6dB。從左至右一共有 21個(gè)主瓣, 左側(cè)自–38°后下降速度較快, 右側(cè)在 39°后略有回升。從圖 2c中可以看出, 銀鯧目標(biāo)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在在10°, 最小值出現(xiàn)在30°, 次最小值出現(xiàn)在–40°, 平均值為–61.6dB。主瓣數(shù)為22, 整體趨勢自中心向兩側(cè)依次降低, 左側(cè)自–38°后下降速度較快, 右側(cè)在38°后回升。

從圖2可以看出, 魚類的目標(biāo)強(qiáng)度隨角度變化較為敏感, 且變化幅度較大, 目標(biāo)強(qiáng)度最大值和最小值相差大于15dB。目標(biāo)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在–10°和10°之間, 圖形有一定的規(guī)律性, 目標(biāo)強(qiáng)度在左側(cè)–38°后下降速度較快, 右側(cè)在 39度附近回升。不同魚種目標(biāo)強(qiáng)度隨角度變化趨勢略有不同, 具體表現(xiàn)為目標(biāo)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)角度、各峰峰值大小、各峰出現(xiàn)的角度間隔不同。將大黃魚、銀鯧和小黃魚的目標(biāo)強(qiáng)度最小值和次最小值對比后發(fā)現(xiàn), 小黃魚最小值出現(xiàn)角度和大黃魚、銀鯧的次最小值角度一致, 因此推測大黃魚和銀鯧的目標(biāo)強(qiáng)度值在–40°時(shí)仍有下降的趨勢,其最小值應(yīng)在–40°以后。從圖2中還可以看出, 目標(biāo)強(qiáng)度的主瓣寬度大致相同, 主瓣峰值整體趨勢以目標(biāo)強(qiáng)度最大值為中心向兩側(cè)依次降低, 且左側(cè)主瓣較為密集, 右側(cè)主瓣較左側(cè)略為稀疏, 部分主瓣為不規(guī)則的波峰, 但整體上較為規(guī)則, 因此推測主瓣的不規(guī)則可能與桶內(nèi)回波和環(huán)境中的噪音有關(guān)。

圖2 實(shí)驗(yàn)條件下魚類的目標(biāo)強(qiáng)度隨角度變化Fig.2 The target strength of fish varying with tilt-angle in experimental situations

2.2 理論模型估算結(jié)果與分析

小黃魚、大黃魚等實(shí)驗(yàn)用魚模型的目標(biāo)強(qiáng)度隨角度變化如圖3所示。

從圖 3中可以看出魚體的目標(biāo)強(qiáng)度有一個(gè)最大的峰值, 出現(xiàn)在–10°和 10°之間, 自峰值中心向兩側(cè)減弱, 峰值兩側(cè)不對稱。對比圖3a、3b和3c還可以看出不同種類魚的目標(biāo)強(qiáng)度峰值所處角度不同; 小黃魚目標(biāo)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在 9.5°, 大黃魚目標(biāo)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在–3.5°, 銀鯧最大值出現(xiàn)在 9°, 這與魚鰾和魚體的相對傾角有關(guān); 大黃魚魚鰾相對傾角為負(fù), 小黃魚和銀鯧的魚鰾相對傾角為正。對比圖 3a、圖 3b和圖 3c還可以看出不同種類魚的同一角度范圍內(nèi)目標(biāo)強(qiáng)度主瓣數(shù)和主瓣寬度不同, 這與魚的體長有關(guān),體長越長, 同一角度范圍內(nèi)主瓣數(shù)越多、主瓣寬度越窄, 目標(biāo)強(qiáng)度隨角度的變化幅度越大。

圖3 理論魚類的目標(biāo)強(qiáng)度隨角度變化Fig.3 Theoretical target strength of fish varying with tilt-angle

圖4 魚類目標(biāo)強(qiáng)度擬合結(jié)果Fig.4 Result of simulation for fish target strength

表3 修正系數(shù)及修正值Tab.3 The correction factor and modification value

3 討論

3.1 理論模型和實(shí)驗(yàn)測定的結(jié)果對比

從理論模型的模擬結(jié)果可以看出, 理論目標(biāo)強(qiáng)度的最大值以及出現(xiàn)角度和實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果一致, 理論目標(biāo)強(qiáng)度的主瓣數(shù)隨魚種改變變化幅度較大; 實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果可以看出, 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)強(qiáng)度的主瓣數(shù)和實(shí)驗(yàn)魚種類無關(guān)。根據(jù)理論目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算公式, 目標(biāo)強(qiáng)度的主瓣數(shù)和聲波的發(fā)射頻率以及魚體的長度成正相關(guān), 不符合實(shí)驗(yàn)得出的主瓣數(shù)和魚種無關(guān)的結(jié)論, 因此可將理論目標(biāo)強(qiáng)度測量式(7)中的l設(shè)定為常數(shù)值 C。對比理論模型和實(shí)驗(yàn)測定的結(jié)果可以看出,理論目標(biāo)強(qiáng)度隨角度變化的幅度較實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)強(qiáng)度的變化幅度大, 因此在式(1)前加上修正系數(shù) C1, 式(1)后加上修正系數(shù) C2, 修正后的目標(biāo)強(qiáng)度公式為式(19)。

其中C為常數(shù)值, C1為修正系數(shù), C2為修正值。魚類的目標(biāo)強(qiáng)度與魚類的長度有關(guān), 因此修正值 C2與魚類的長度有關(guān)。應(yīng)用orign8.0軟件的自定義函數(shù)擬合功能, 分別得出大黃魚、小黃魚和銀鯧的 C1和 C2值(表3), 擬合后的圖形如圖4所示。

從圖4中可以看出, 擬合后的函數(shù)圖形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為近似, 具體表現(xiàn)為波峰數(shù)量、出現(xiàn)角度和形狀近似; 部分波形有所偏差, 可能和魚鰾參數(shù)測量方法以及測量環(huán)境中的噪音有關(guān)。從圖 4中還可以看出,修正后的橢球體模型法能夠較好地反映目標(biāo)強(qiáng)度(TS)隨角度的變化。

3.2 目標(biāo)強(qiáng)度與傾角分布的關(guān)系

反向散射指向性暗示著魚類目標(biāo)強(qiáng)度與傾角分布之間存在密切關(guān)系, 本文根據(jù)橢球體模型計(jì)算了不同角度下魚類的目標(biāo)強(qiáng)度, 并通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證和修正模型的計(jì)算公式, 進(jìn)一步證實(shí)了傾角對魚類目標(biāo)強(qiáng)度的重要作用。魚類的傾角隨著晝夜變化、攝食、躲避敵害等行為發(fā)生變化, 因此其目標(biāo)強(qiáng)度也會發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果, 目標(biāo)強(qiáng)度的最大值和最小值相差超過 15dB, 因此在資源評估和網(wǎng)箱監(jiān)控的過程中, 若忽視傾角對目標(biāo)強(qiáng)度的影響, 將對其精度造成不可忽視的影響。

3.3 魚鰾對反射聲能的貢獻(xiàn)

根據(jù) Foote(1980)的研究結(jié)果, 魚鰾是反射聲能的主要器官, 占據(jù)總反射強(qiáng)度的90%—95%。因此目標(biāo)強(qiáng)度的最大值應(yīng)在魚鰾傾角附近, 然而根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的結(jié)果, 目標(biāo)強(qiáng)度最大值的角度和魚鰾相對魚體傾角不同, 可能是因?yàn)槌~鰾外還有另外一個(gè)對目標(biāo)強(qiáng)度影響較大的器官。鯨魚、海豚等動物主要的聲反射器官為肺部和脂肪層(Miller et al, 2001), 魚類同樣有脂肪層, 因此推測這個(gè)影響目標(biāo)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)角度的器官可能為脂肪層。因此在今后的研究中, 有必要研究魚體的各個(gè)部分對魚體總目標(biāo)強(qiáng)度值的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

目標(biāo)強(qiáng)度是漁業(yè)資源調(diào)查和網(wǎng)箱聲學(xué)監(jiān)控的重要參數(shù), 而傾角分布是影響目標(biāo)強(qiáng)度大小的關(guān)鍵性因素。以上研究結(jié)果表明, 修正后的橢球體模型可以較好地反映目標(biāo)強(qiáng)度和角度的關(guān)系。目標(biāo)強(qiáng)度和傾角分布的理論模型研究可以作為現(xiàn)場測定方法的有效補(bǔ)充, 對提高目標(biāo)強(qiáng)度評估、進(jìn)而提高網(wǎng)箱監(jiān)控、魚類資源評估的準(zhǔn)確性, 以及進(jìn)一步研究魚類目標(biāo)強(qiáng)度發(fā)揮著重要作用。

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