超聲波生物遙測技術(shù)及其在現(xiàn)代漁業(yè)中的應(yīng)用

劉 景， 湯 勇， 邢彬彬， 殷雷明， 莊 鑫， 畢福洋， 張國勝

(1 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；2 東京海洋大學(xué)大學(xué)院海洋科學(xué)技術(shù)研究科，日本 東京 1080075)

1 超聲波生物遙測技術(shù)簡介

動(dòng)物遙測是一門用來闡明動(dòng)物的活動(dòng)和行為與其所處的環(huán)境或棲息地之間關(guān)系的科學(xué)[1]。陸生動(dòng)物多采用電磁波標(biāo)志及衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)動(dòng)物的遙測跟蹤。電磁波在水中傳播衰減系數(shù)過大，有效傳播距離非常短，而聲音在水中傳播時(shí)則具有衰減系數(shù)小、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢。20世紀(jì)50年代開始，有研究者嘗試將小型超聲波發(fā)信器固定于魚體進(jìn)行超聲波標(biāo)記跟蹤[2]，發(fā)展至今，超聲波生物遙測技術(shù)已成為研究水生動(dòng)物在自然水域中的行為特征最為有效的方法之一。隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波發(fā)信器也逐漸趨于小型化和多樣化，目前已出現(xiàn)了多種類型的超聲波生物遙測方法，并各具所長。隨著小型傳感器的誕生，研究者開發(fā)出攜帶小型傳感器的超聲波發(fā)信器，在觀測水下動(dòng)物活動(dòng)路線的同時(shí)，還可以獲得目標(biāo)生物棲息水層的溫度和深度等環(huán)境信息。近年來，研究人員對(duì)多種水生生物進(jìn)行了超聲波生物遙測分析，小到6 g 的鮭魚，大到150 t 的鯨魚，涉及到海洋哺乳類、魚類、蟹類、龜類等，掌握了大量的水生生物的行為學(xué)信息[1]，對(duì)于水生生物的行為學(xué)、相關(guān)漁具漁法學(xué)、瀕危生物資源保護(hù)及增殖放流等領(lǐng)域的研究工作具有重要意義，對(duì)漁業(yè)資源的保護(hù)和現(xiàn)代漁業(yè)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用。

2 超聲波生物遙測技術(shù)在國內(nèi)外的研究進(jìn)展

Trefethen[3]在1956年首次嘗試使用超聲波標(biāo)志對(duì)成年大馬哈魚(Oncorhynchusketa)和銀鮭(Oncorhynchuskisutch)進(jìn)行超聲波遙測研究，這種研究方法隨后在美國西部哥倫比亞河上的邦納維爾壩的壩前水域被用來研究太平洋鮭魚(Pacificsalmon)的逆流遷徙行為，早期由于超聲波發(fā)信器體積較大，多懸掛于成年魚體表進(jìn)行標(biāo)志。Yuen等[4]在1969年首次將超聲波發(fā)信器植入鰹魚(Katsuwonuspelamis)腹腔內(nèi)進(jìn)行跟蹤研究。早期的超聲波標(biāo)志跟蹤通過將定向水聽器固定于船舶，通過耳機(jī)或擴(kuò)音器監(jiān)聽發(fā)信器相對(duì)于船體的方位并實(shí)時(shí)追蹤。1972年Watkins等[5]首次提出，通過檢測魚體攜帶的超聲波發(fā)信器發(fā)射的超聲波到達(dá)4通道接收機(jī)陣列各個(gè)水聽器的時(shí)間差，進(jìn)行三維測位。Hawkins等[6]在1974年使用多個(gè)全方位水聽器陣列進(jìn)行時(shí)間差測位研究。在20世紀(jì)末，Thorpe等[7]逐步使用該技術(shù)對(duì)大馬哈魚幼魚進(jìn)行跟蹤研究并分析其洄游習(xí)性等行為信息。2000年前后，美國的Steig等[8]使用多個(gè)全方位水聽器陣列，采用時(shí)間差計(jì)算法對(duì)魚類進(jìn)行水下精確定位追蹤，了解目標(biāo)魚類在壩前的滯留及魚道選擇等行為，并且評(píng)價(jià)了魚道的效果；John等[9]總結(jié)了2000年之前的超聲波生物遙測技術(shù)的發(fā)展歷程并討論了超聲波生物遙測技術(shù)的定位精度。

近年來，隨著超聲波生物遙測技術(shù)的發(fā)展，定位精度不斷提高，達(dá)到亞米級(jí)，并且跟蹤時(shí)長也顯著提高，因此，越來越多的研究者采用超聲波生物遙測技術(shù)進(jìn)行一些更為細(xì)致的研究。比如魚類的交配行為、聚礁行為、棲息地辨別行為、產(chǎn)卵場搜尋、水生生物資源豐富度評(píng)價(jià)、產(chǎn)卵期行為特征、水生生物增殖放流效果評(píng)價(jià)等[10-15]。日本的Miyamoto等[16-17]近年來還利用超聲波生物遙測技術(shù)分析魚類與網(wǎng)具之間的關(guān)系，對(duì)金槍魚延繩釣以及大型定置網(wǎng)的設(shè)計(jì)提出了改造意見，對(duì)于提高漁業(yè)作業(yè)效率、降低兼捕漁獲物等起到了關(guān)鍵性作用。

相對(duì)于加拿大、美國、日本、英國等國家，中國關(guān)于超聲波生物遙測技術(shù)方面的研究還較少。目前國內(nèi)還未能自主開發(fā)出完備的超聲波生物遙測系統(tǒng)，研究工作者主要依靠購買國外設(shè)備進(jìn)行相關(guān)研究，所使用的超聲波發(fā)信器也都全部進(jìn)口。國內(nèi)最早在1981年由中國水產(chǎn)科學(xué)研究院開始探索魚類的水聲遙測跟蹤技術(shù)，并對(duì)長江中華鱘(Acipensersinensis)和四大家魚開展聲學(xué)跟蹤試驗(yàn)[18]。危起偉等[19]1993年在葛州壩下對(duì)成熟的中華鱘進(jìn)行標(biāo)志和追蹤試驗(yàn)，根據(jù)它們在產(chǎn)卵期的遷移情況推斷其產(chǎn)卵場。危起偉等[20]還在1996年利用美國 Sonotronics 公司的超聲波發(fā)射器、接收儀和水下聽筒裝配的一套超聲波遙測定位系統(tǒng)，利用三角形定位法，在長江宜昌江段對(duì)中華鱘進(jìn)行遙測跟蹤試驗(yàn)，記錄了中華鱘在產(chǎn)前、產(chǎn)卵和產(chǎn)后的行蹤；林永兵等[21]2006年10月—2008年5月采用加拿大Vemco公司生產(chǎn)的超聲波跟蹤系統(tǒng)對(duì)非繁殖季節(jié)的中華鱘親鱘在葛洲壩下至長江入?？诮蔚倪w移和分布情況進(jìn)行了初步研究，得到了中華鱘在產(chǎn)卵后的洄游路線和遷移速度；郭禹等[22]2014年在實(shí)驗(yàn)池內(nèi)利用小型超聲波標(biāo)志跟蹤技術(shù)對(duì)花尾胡椒鯛(Plectorhinchuscinctu) 進(jìn)行持續(xù) 5 d的跟蹤研究，初步得到了其晝夜活動(dòng)軌跡與行為規(guī)律；2013年孫璐等[23]利用超聲波生物遙測技術(shù)對(duì)刺參和許氏平鮋進(jìn)行標(biāo)記進(jìn)而對(duì)人工魚礁的環(huán)境修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且總結(jié)了不同水生生物的超聲波發(fā)信器標(biāo)記方法；王成友等[24]在2010年總結(jié)了超聲波遙測在水生動(dòng)物生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用及發(fā)展前景；俞立雄等[25]2017年研究了不同標(biāo)記對(duì)魚類游泳速度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明超聲波標(biāo)志對(duì)3個(gè)體長組草魚的臨界游泳速度有顯著影響。

近年來，國內(nèi)野生水產(chǎn)資源嚴(yán)重衰退，一些水生生物甚至面臨著嚴(yán)重的生存威脅，漁業(yè)相關(guān)部門越來越重視資源的保護(hù)及恢復(fù)工作，循環(huán)水養(yǎng)殖、人工魚礁、海洋牧場等現(xiàn)代化漁業(yè)發(fā)展模式也日趨重要，超聲波生物遙測技術(shù)在現(xiàn)代化漁業(yè)的發(fā)展過程中逐漸顯示出其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，也逐漸得到了越來越多的漁業(yè)科研工作者的重視。

3 超聲波生物遙測系統(tǒng)的組成

超聲波生物遙測系統(tǒng)主要包括發(fā)射裝置和接收裝置。發(fā)射裝置發(fā)出超聲波信號(hào)，由接收裝置識(shí)別并儲(chǔ)存，最后通過電腦對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為位置、深度等信息。

發(fā)射裝置又稱為超聲波發(fā)信器，通常由電池、振動(dòng)子、CPU、電路控制板及傳感器組成，根據(jù)研究需要可配置不同類型的傳感器；根據(jù)超聲波發(fā)射周期的不同可以工作幾天至幾年時(shí)間，發(fā)射周期通常由磁力開關(guān)在超聲波發(fā)射器外部控制，根據(jù)調(diào)制方式和編碼方式的不同，可同時(shí)接收超聲波發(fā)信器的最大個(gè)數(shù)也不同。例如，日本Aqua Sound公司生產(chǎn)的超聲波發(fā)射器(圖1)，直徑9.5 mm，長43 mm，采用M系列信號(hào)編碼，理論上最多可同時(shí)識(shí)別32 768個(gè)超聲波發(fā)信器，其振動(dòng)子采用新型多層電致伸縮換能器，相對(duì)于之前的PZT壓電陶瓷振動(dòng)子電聲轉(zhuǎn)化效率更高[26]；提出超聲波發(fā)射器的性能定義由以下4個(gè)指標(biāo)決定：小型化、電池壽命、傳輸距離和信號(hào)識(shí)別能力[27]。

圖1 日本Aqua Sound公司生產(chǎn)的超聲波發(fā)射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外使用的超聲波發(fā)信器主要來自加拿大、美國和日本，型號(hào)和功能多樣化，主要區(qū)別為電池壽命、尺寸大小、發(fā)射頻率、識(shí)別能力、可識(shí)別個(gè)數(shù)以及傳感器種類，可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)條件和研究目的選擇不同的超聲波發(fā)射器。表1為常見超聲波發(fā)射器的規(guī)格參數(shù)。

表1 常見超聲波發(fā)信器規(guī)格

接收裝置通常包括水聽器和信號(hào)識(shí)別及儲(chǔ)存系統(tǒng)，早期的接收裝置多由定向水聽器和收聽設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)比較簡單，隨著調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，為了可同時(shí)監(jiān)測更多樣本，超聲波發(fā)信器逐漸改進(jìn)為調(diào)制聲波發(fā)射，調(diào)制方法包括振幅變調(diào)、頻率變調(diào)和相位變調(diào)，接收裝置也添加了解調(diào)單元及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，根據(jù)接受系統(tǒng)的不同，一部分超聲波生物遙測系統(tǒng)還增添了顯示儀，另一部分則是通過存儲(chǔ)單元后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而獲得距離、位置、深度、溫度等信息[27]。

4 超聲波生物遙測技術(shù)的分類

根據(jù)超聲波生物遙測技術(shù)的工作原理，可以將該技術(shù)劃分為3類，即跟蹤型、設(shè)置型、雙曲線測位型(圖2)。

圖2 3類超聲波生物遙測方法示意圖

根據(jù)受信機(jī)之間的陣列距離，又將超聲波測位類型劃分為長基線法(LBL)、短基線法(SBL)和超短基線法(SSBL)[28]。

4.1 跟蹤型

跟蹤型超聲波生物遙測技術(shù)也分為2類。第1類是將定向水聽器固定在船舶上，監(jiān)聽人員通過耳機(jī)或喇叭辨別超聲波發(fā)射器的大體方位，Trefethen等[2]在1957年就使用這種方法對(duì)銀鮭進(jìn)行追蹤。第2類是將4個(gè)全方位水聽器固定在船的周圍，根據(jù)超聲波信號(hào)到達(dá)4個(gè)水聽器的時(shí)間差以及超聲波所在位置到達(dá)4個(gè)水聽器之間的俯仰角關(guān)系來判斷超聲波發(fā)信器相對(duì)于船體的方向，這種方法也屬于短基線法(SBL)。

跟蹤型超聲波生物遙測方法操作簡單，而且能夠在大范圍水域追蹤標(biāo)志魚，不受接收機(jī)位置的限制，缺點(diǎn)是需要操作人員不間斷地觀察追蹤終端顯示設(shè)備，稍有不慎就容易跟丟實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并且受到天氣的影響較大，另一個(gè)缺點(diǎn)是不方便同時(shí)跟蹤多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象。因此，跟蹤型通常與設(shè)置型和雙曲線測位型配合使用[12,29]。

4.2 設(shè)置型

設(shè)置型超聲波生物遙測技術(shù)是將接收機(jī)陣列布置于實(shí)驗(yàn)水域，根據(jù)接收機(jī)和超聲波發(fā)信器的性能，接收機(jī)可以接收一定半徑以內(nèi)的超聲波信號(hào)，當(dāng)攜帶超聲波發(fā)信器的實(shí)驗(yàn)魚游到接收機(jī)的有效接收半徑以內(nèi)時(shí)，接收機(jī)便可以識(shí)別并儲(chǔ)存相關(guān)信息。該技術(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要布置任意多個(gè)接收機(jī)。

設(shè)置型超聲波生物遙測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)監(jiān)測多個(gè)目標(biāo)，可根據(jù)需要布置任意大小的接收機(jī)陣列，缺點(diǎn)是測位精度較低，只能判斷實(shí)驗(yàn)對(duì)象處于哪個(gè)接收機(jī)周圍，不能得到實(shí)驗(yàn)對(duì)象精確的活動(dòng)路線。這種方法被廣泛應(yīng)用于鮭鱒魚的洄游路線、產(chǎn)卵場等方面的研究[29-30]。

4.3 雙曲線測位型

雙曲線測位型超聲波生物遙測技術(shù)是3種遙測技術(shù)中測位精度最高的，通常需要3個(gè)或3個(gè)以上接收機(jī)，測位精度可達(dá)到亞米級(jí)，但是根據(jù)超聲波發(fā)信器所處接收機(jī)陣列內(nèi)位置的不同，測位精度也有很大差異，接收機(jī)分為有線式和無線式，有線式接收機(jī)可直接連接終端設(shè)備，實(shí)時(shí)提取數(shù)據(jù)，無線式通常將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接收機(jī)內(nèi)，后期提取并處理。Frank Smith[31]在2013年系統(tǒng)地分析了使用3個(gè)接收機(jī)的三角形超聲波生物遙測技術(shù)的測位精度差異，陣列內(nèi)的模擬測位精度差異顯示(圖3)，中間深色區(qū)域測位誤差相對(duì)較低，陣列以外隨著顏色的加深代表測位誤差越來越大。

圖3 三角形陣列超聲波測位精度模擬圖

雙曲線測位型超聲波生物遙測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精確測位，并且不需要研究人員不間斷監(jiān)測，操作相對(duì)簡單，相對(duì)于跟蹤型和設(shè)置型更便于研究水生生物在某一地點(diǎn)的詳細(xì)活動(dòng)規(guī)律，缺點(diǎn)是需要處理大量的數(shù)據(jù)，無線式接收機(jī)由于存在時(shí)鐘差，數(shù)據(jù)處理方法更加復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。這種方法被廣泛應(yīng)用于魚類在水壩附近的游泳路線監(jiān)控、魚道選擇、聚礁行為等研究[32-34]。

5 超聲波生物遙測技術(shù)在現(xiàn)代漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用探討

5.1 魚類行為學(xué)研究

魚類行為是指魚類進(jìn)行的各種運(yùn)動(dòng)，是魚類對(duì)外界環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境變化的外在反應(yīng)[35]。在研究魚類對(duì)外界環(huán)境的變化時(shí)，經(jīng)常需要了解魚類所處環(huán)境的溫度、鹽度、深度等信息，在自然水域中很難準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地得到這些信息，利用超聲波生物遙測技術(shù)則可以24 h持續(xù)觀察實(shí)驗(yàn)魚在自然水域的環(huán)境信息。另外，利用超聲波生物遙測技術(shù)還可以研究魚類在自然水域的游泳速度、遷移速度、洄游路線等行為信息。

5.2 新型網(wǎng)具開發(fā)與設(shè)計(jì)

網(wǎng)具的開發(fā)往往需要了解目標(biāo)魚類的棲息深度、活動(dòng)范圍、晝夜活動(dòng)差異等詳細(xì)信息，然而利用傳統(tǒng)方法很難得到具體信息，利用超聲波生物遙測技術(shù)正好解決了這一問題；另一方面，近年來隨著漁業(yè)資源的驟減，越來越多的研究者試圖開發(fā)出兼捕漁獲物少的新型網(wǎng)具。日本的內(nèi)田圭一等[17]通過超聲波生物遙測技術(shù)分析了藍(lán)鰭金槍魚(Thunnusthynnus)幼魚和黃鰭短須石首魚(Umbrinaroncador)在同一個(gè)定置網(wǎng)內(nèi)的活動(dòng)差異，試圖通過行為研究起到保護(hù)藍(lán)鰭金槍魚幼魚的目的。定置網(wǎng)是對(duì)環(huán)境危害較小的網(wǎng)具，目前日本沿海分布大量的大型定置網(wǎng)。隨著中國漁業(yè)資源量的恢復(fù)，未來也很可能在中國大范圍應(yīng)用，而定置網(wǎng)的網(wǎng)墻設(shè)置、深度選擇等參數(shù)尤為重要，超聲波生物遙測技術(shù)也是獲得這些信息的有效工具。宮本佳則等[36]利用超聲波生物遙測技術(shù)研究了金槍魚延繩釣的水下形態(tài)變化，對(duì)網(wǎng)具的改進(jìn)和漁法提出了建議；除此之外，超聲波生物遙測技術(shù)還可以用于大型圍網(wǎng)和拖網(wǎng)的沉降速率和網(wǎng)具深度監(jiān)測方面的研究。

5.3 人工魚礁和海洋牧場建設(shè)

了解人工魚礁、海洋牧場內(nèi)魚群的活動(dòng)信息對(duì)海洋牧場的管理和建設(shè)非常重要，然而國內(nèi)人工魚礁和海洋牧場建設(shè)過程中對(duì)魚類在人工魚礁和海洋牧場內(nèi)活動(dòng)范圍的檢測信息非常少，未來可利用超聲波生物遙測技術(shù)對(duì)人工魚礁和海洋牧場內(nèi)的目標(biāo)魚群進(jìn)行定位追蹤，獲得更多的魚群信息，進(jìn)而起到提高人工魚礁親魚聚集效果和產(chǎn)卵率、提高海洋牧場飼料利用率以及網(wǎng)具作業(yè)位置選擇等作用。另一方面，人工魚礁也是現(xiàn)代海洋牧場建設(shè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，利用超聲波生物遙測技術(shù)能夠有效監(jiān)測人工魚礁對(duì)魚類的聚集效果，通過超聲波生物遙測技術(shù)的應(yīng)用，可以促使中國現(xiàn)代海洋牧場建設(shè)系統(tǒng)更加合理化和高效化。

5.4 增殖放流及資源保護(hù)

近年來，中國的經(jīng)濟(jì)魚類增殖放流工作不斷擴(kuò)大，放流魚類的年齡選擇、放流地點(diǎn)選擇、放流效果評(píng)價(jià)等研究非常迫切，超聲波生物遙測技術(shù)可以對(duì)這些研究起到技術(shù)支持，國內(nèi)已有很多相關(guān)研究。在水生生物資源保護(hù)方面，國內(nèi)已經(jīng)做了對(duì)長江中華鱘保護(hù)方面的研究，包括產(chǎn)卵場、洄游路線調(diào)查等，未來可利用該技術(shù)對(duì)更多水生生物進(jìn)行研究，從而對(duì)中國的水生生物進(jìn)行更有針對(duì)性的保護(hù)，還可以利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩魚道效果的評(píng)價(jià)。隨著人類在河流及淺海建筑設(shè)施的增加，這些人類活動(dòng)可能對(duì)水生生物的棲息場所產(chǎn)生威脅，利用超聲波生物遙測技術(shù)可以評(píng)估這些人工設(shè)施對(duì)水生生物的影響。

6 結(jié)論

超聲波生物遙測技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)形成了一套比較完善的聲學(xué)生物遙測系統(tǒng)，接收機(jī)以及超聲波發(fā)信器的種類非常豐富，測位精度也有了顯著提高，是研究水生生物行為信息的一種非常有效的方法。應(yīng)用超聲波生物遙測技術(shù)可以對(duì)中國的現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展提供有力的技術(shù)支持，在漁業(yè)資源保護(hù)、增殖放流、網(wǎng)具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域?qū)⑵鸬疥P(guān)鍵性作用。但國內(nèi)目前還不能自主研發(fā)相關(guān)核心設(shè)備，接收機(jī)和發(fā)信器主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，在一定程度上制約了該技術(shù)在國內(nèi)的大范圍應(yīng)用。

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