海洋漁業(yè)聲學(xué)裝備關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

宗艷梅，魏 珂，李國棟,，諶志新,，唐學(xué)大，張玉濤

(1 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

漁業(yè)是國家糧食安全戰(zhàn)略的重要組成部分，構(gòu)建以魚類為主的水產(chǎn)動物蛋白生產(chǎn)體系，將形成可持續(xù)的現(xiàn)代海洋漁業(yè)[1-2]。中國是魚類生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2019年全社會漁業(yè)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值26 046.50億元，其中漁業(yè)產(chǎn)值占據(jù)總產(chǎn)值的49%，漁業(yè)產(chǎn)值中(不含苗種)捕撈產(chǎn)品占比20.5%[3]。如何精準(zhǔn)、高效捕撈是業(yè)界關(guān)注的主要問題之一，水聲學(xué)探測方法具有快速有效、調(diào)查區(qū)域廣、不損壞生物資源并提供可持續(xù)的數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)[1]。海洋漁業(yè)聲學(xué)裝備作為探測海洋生物的重要裝備，對于漁業(yè)資源精準(zhǔn)探查、快速定位、高效聚捕并實(shí)時跟蹤有著極其重要的作用[1,4]。

近年來，隨著信號處理技術(shù)及超大規(guī)模集成器件的迅速發(fā)展，海洋漁業(yè)聲學(xué)探測裝備關(guān)鍵技術(shù)由單波束和單頻向復(fù)雜的數(shù)字多波束[5-6]和多頻[7-10]等方向迅猛發(fā)展。目前國內(nèi)高精度、高分辨率的全方位寬帶多波束漁用探測儀器幾乎完全依靠進(jìn)口，其關(guān)鍵技術(shù)與國外也存在較大差距，嚴(yán)重影響中國海洋漁業(yè)未來的發(fā)展。

1 國內(nèi)外漁業(yè)聲學(xué)裝備發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

中國從20世紀(jì)50年代初期開始從事水聲技術(shù)在漁業(yè)上的應(yīng)用研究，由于受到模擬器件精度、帶寬、存儲等限制，其性能一直維持在較低水平[11]。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)開始引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，數(shù)字技術(shù)及超大規(guī)模集成器件在探魚儀上廣泛應(yīng)用。彩色探魚儀、電子掃描聲吶及捕撈監(jiān)測系統(tǒng)等的應(yīng)用開發(fā)及研制生產(chǎn)均取得了較快的發(fā)展，加快了中國漁業(yè)現(xiàn)代化的步伐。

特別是“十八大”首次提出“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略后，中國加大了對海洋漁業(yè)聲學(xué)裝備的投入?！笆濉逼陂g，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所承接科技部海洋領(lǐng)域重大課題，自主研制了中國首臺數(shù)字多波束漁用聲吶FFS25，其探測量程達(dá)4 000 m，探測性能明顯提升，該成果為中國自主開展遠(yuǎn)距離高分辨率漁業(yè)聲學(xué)儀器研制打下了基礎(chǔ)。近年來，相關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)，針對單體魚識別與跟蹤技術(shù)、全方位寬帶多波束技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究及漁業(yè)裝備研制均加大了經(jīng)費(fèi)投入，開始了國內(nèi)新一輪的漁業(yè)聲學(xué)裝備及關(guān)鍵技術(shù)革命。

1.2 國外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

國外對漁業(yè)聲學(xué)探測技術(shù)的研究起步較早，在20世紀(jì)30年代初，人們已將測深儀運(yùn)用在漁業(yè)上，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)取得了長足的發(fā)展。近年來，以日本FURUNO公司和挪威SIMRAD公司為代表的漁業(yè)電子裝備廠商開始了新一代的多波束探魚儀系統(tǒng)的研制工作。日本古野旗下的FSV-35最大量程達(dá)5 000 m，且實(shí)現(xiàn)了水平360°全向探測。挪威SIMRAD旗下的多波束探魚儀SIMRAD SX90最大探測距離為4 500 m，可以實(shí)現(xiàn)360°水平全向探測，垂直方向發(fā)射波束傾角達(dá)-10°～+90°，大大提高了探測到魚群的概率。SIMRAD EK80采用寬頻覆蓋結(jié)合先進(jìn)的信號處理技術(shù)是目前漁業(yè)領(lǐng)域較為先進(jìn)的分裂波束回聲探測儀，可同時發(fā)射多種頻率，多個頻率覆蓋同一采樣水體，其探測效率明顯提升，廣泛應(yīng)用在海洋漁業(yè)聲學(xué)探測領(lǐng)域。

1.3 國內(nèi)外典型探魚儀性能比較

雖然近些年中國在海洋漁業(yè)聲學(xué)裝備關(guān)鍵技術(shù)上取得了一定的進(jìn)展，但與國外先進(jìn)技術(shù)仍存在較大差距。目前深遠(yuǎn)海漁船配備的漁用探測裝備幾乎全部是進(jìn)口的多波束探魚儀。表1對SIMRAD EK80、SIMRAD SX90、FURUNO FSV-35和FFS25這幾種典型漁業(yè)聲學(xué)探測設(shè)備的性能參數(shù)做了對比。

表1 國內(nèi)外典型探魚儀性能參數(shù)對比

2 海洋漁業(yè)聲學(xué)裝備波束特征研究進(jìn)展

2.1 單波束系統(tǒng)

單波束技術(shù)早在20世紀(jì)30年代中期就應(yīng)用到漁業(yè)聲學(xué)領(lǐng)域中，可用來估計單個目標(biāo)的距離。形成單波束的漁用聲吶是利用換能器基陣的極大值方向，將聲程差補(bǔ)償?shù)侥骋粋€需要探測的方向上來達(dá)到定向[12-15]，其探測原理如圖1所示。單波束傳感器的靈敏度取決于目標(biāo)相對聲軸的方向，接收到的信號沒有提供關(guān)于目標(biāo)方向的信息，因此無法探測到目標(biāo)方位[11]。

圖1 單波束原理圖

單頻信號伴隨著單波束技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，早期的單波束系統(tǒng)中通常只能發(fā)射一種頻率的信號即單頻信號。單頻技術(shù)對于魚群回波所包含的信息判斷存在較大的局限性，如果魚群散射信號中包含更豐富的信息，單頻技術(shù)將無法判斷其目標(biāo)強(qiáng)度。廈門海洋儀器廠生產(chǎn)的東方紅-3型垂直探魚儀選用48 kHz的工作頻率，上海漁業(yè)機(jī)械儀器研究所生產(chǎn)的67-3型探魚儀工作頻率也是48 kHz。

2.2 雙波束系統(tǒng)

雙波束技術(shù)是20世紀(jì)70年代早期引入漁業(yè)聲學(xué)的技術(shù)之一，用于估計從聲波束內(nèi)單個目標(biāo)的波束軸測得的極角。其利用兩個獨(dú)立傳感器之間的波束圖差異，即一個寬波束和一個窄波束，用寬窄波束傳感器回波的后向散射強(qiáng)度的比率來確定單個目標(biāo)的極角[13,16]，其工作原理如圖2所示。雙波束技術(shù)只探測幅度或強(qiáng)度的信息并沒有探測相位信息，因此探測信息不全面。

圖2 雙波束原理圖

為了能更精確地判斷魚群回波所包含的信息，原有的單頻探魚儀進(jìn)行了改進(jìn)，有的垂直探魚儀如69-3型探魚儀和TCL-204型探魚儀采用了低頻24 kHz和高頻200 kHz兩種工作頻率，可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換使用。汕尾市快捷通導(dǎo)設(shè)備有限公司旗下的ONWA?KF-293、Kfish-7等雙頻探魚儀目前在市場上廣泛應(yīng)用，設(shè)備配置有50 kHz和200 kHz兩種探測頻率，脈沖頻率越低，探測范圍越寬。因此，50 kHz的頻率可以用于一般的檢測和判斷海底狀況，200 kHz的頻率可以用于詳細(xì)的魚群觀察。探魚儀工作頻率的高低，影響探測深度和指向角等，從而影響探測范圍和分辨能力等，表2展示了低頻和高頻對探測能力的影響。

表2 低頻和高頻對探測能力的影響

2.3 分裂波束系統(tǒng)

分裂波束技術(shù)能夠測量目標(biāo)在波束中的三維位置，并可直接測定自然狀態(tài)下魚體的目標(biāo)強(qiáng)度及觀測魚類個體的行蹤[17]。分裂波束探測系統(tǒng)具有很寬的頻帶范圍，可同時在不同頻段上對海洋生物、海底資源進(jìn)行探測，因此有足夠的分辨率來處理較小的浮游動物及較大的鯨類聲音信號[18-19]。該系統(tǒng)運(yùn)用4個象限的換能器，通過發(fā)射電路將電信號轉(zhuǎn)換為脈沖并發(fā)射到水中，聲波在傳播過程中遇到海洋生物反向散射到換能器。接收時每個象限換能器獨(dú)立接收，通過比較各象限接收到的信號確定目標(biāo)方向[18,20]。在實(shí)際海洋漁業(yè)探測中，利用分裂波束技術(shù)確定目標(biāo)在波束中的位置，并根據(jù)波束的指向性對偏離聲軸的回聲信號進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對魚類目標(biāo)強(qiáng)度的客觀估測，其工作原理如圖3所示。運(yùn)用目標(biāo)跟蹤技術(shù)可對海洋生物的運(yùn)動軌跡、游動速率及方向等參數(shù)進(jìn)行測算[18,20-22]。

圖3 分裂波束原理圖

單波束和分裂波束聲學(xué)系統(tǒng)均適用于對魚類和浮游動物聚類、沉水植物數(shù)據(jù)的采集，以及水深測量、地質(zhì)分類等[18]。目前，分裂波束技術(shù)仍是世界范圍內(nèi)許多商業(yè)和科學(xué)漁業(yè)聲學(xué)調(diào)查中使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。分裂波束探測系統(tǒng)上可同時配備多種頻率的換能器。圖4所示是挪威SIMRAD公司旗下的EK80系統(tǒng)配置圖，這是一款典型的分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時操作范圍從10到500 kHz多個頻率，常用的頻率為18、38、70、120、200和333 kHz 6種工作頻率。

圖4 EK80系統(tǒng)配置圖

2.4 多波束系統(tǒng)

2.4.1 多波束技術(shù)

20世紀(jì)90年代，日本古野公司研制出5波束超聲波探魚儀FCV-30，它可以同時向水中發(fā)射5個超聲波束，通過各個方向的回波信息可以獲得相應(yīng)的魚群信息。5波束超聲探魚儀實(shí)現(xiàn)了將“點(diǎn)”組成“面”探測，大大提高了探測到魚群的概率[23]。通過適當(dāng)?shù)男盘柼幚矸椒梢垣@得更豐富的魚群信息，如魚群密度、大小及魚群種類等信息[10,12,23]。

多波束聲學(xué)系統(tǒng)是利用相控陣技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高分辨率海洋生物探測的聲學(xué)裝備，通過在一定的扇區(qū)內(nèi)形成多個發(fā)射波束，定向順序地發(fā)射，然后對多個波束同時接收來探測和定位生物位置，提高海洋生物探測的分辨率[12,24]。多波束聲學(xué)系統(tǒng)發(fā)射窄波束，方位分辨率較高，在同樣發(fā)射效率的情況下，發(fā)射能量集中，作用距離也比較遠(yuǎn)[12,25]。

在漁業(yè)水聲學(xué)領(lǐng)域，多波束回聲探測系統(tǒng)(多波束探魚儀)展現(xiàn)了在不同水文條件下的探測能力[26-27]。該系統(tǒng)能夠提供一種準(zhǔn)確、無損的檢測方法來評估魚群規(guī)模及魚類種群行為[28]。Cook等[29]提出，通過對比自適應(yīng)分辨率成像聲吶(ARIS)與立體攝像機(jī)測量結(jié)果，評估ARIS對4種具有不同游泳姿態(tài)的魚類探測結(jié)果，驗(yàn)證了多波束成像聲吶在漁業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的有效性。Melvin等[26]測試了2種高頻率多波束聲吶的近岸高流量淺海監(jiān)控效果，并展示了其在湍流中和分裂波束聲吶效果對比。Dunlop等[27]結(jié)合多波束回聲探測系統(tǒng)與高精度攝像機(jī)并將二者裝配于遙控潛水器之上，有效地探測了4 000 m深海底棲魚類的分布與習(xí)性，提出一種探測深海底棲魚類的新方法。Wei等[30]構(gòu)建了一種二維多波束合成孔徑聲吶模型，該模型避免了多波束回聲探測系統(tǒng)沿線分辨率隨著距離增加而減小和合成孔徑聲吶間隙問題，并具備了相較傳統(tǒng)多波束回聲探測系統(tǒng)和合成孔徑聲吶更精細(xì)的3D全掃描圖像和更好的能量聚焦能力。Francisco等[31]在可提供詳細(xì)圖像的多波束成像聲吶系統(tǒng)基礎(chǔ)上搭建了一個提取海洋生物視覺特征的框架，并引入了聲學(xué)可見性度量技術(shù)，使之可根據(jù)觀測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值的對比來識別和分類目標(biāo)生物。

近幾年，多波束聲吶還在海洋生物追蹤方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，國外科學(xué)家陸續(xù)提出基于多波束回聲探測系統(tǒng)的最近鄰域算法并用以跟蹤動物行為[32-33]。Maki等[34]提出了一種利用裝載多波束成像聲吶的自主水下作業(yè)車追蹤海龜?shù)姆椒?，此方法結(jié)合了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成功地實(shí)現(xiàn)了自然條件下淺海中的海龜跟蹤，為后續(xù)海洋生物的長期觀測提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

隨著計算機(jī)信號處理能力的增強(qiáng)以及聲吶軟硬件技術(shù)水平的提高，結(jié)合人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法學(xué)科交叉融合，海洋漁業(yè)聲學(xué)裝備關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)[35]。多波束漁用聲吶在不同的掃描方式下其穩(wěn)定性和可靠性均得到了驗(yàn)證[10]。目前國內(nèi)外科考船及遠(yuǎn)洋漁船上配備的多波束探魚儀主要為SIMRAD旗下的SX90、日本古野旗下的FSV-35以及MAQ旗下的MAQ多波束系列，圖5展示了SIMRAD SX90的系統(tǒng)配置。

圖5 SX90 系統(tǒng)配置圖

2.4.2 多頻技術(shù)

從漁業(yè)聲學(xué)探測系統(tǒng)的工作頻率角度看，其經(jīng)歷了由單頻發(fā)射向多頻發(fā)射的過渡。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)文件規(guī)定，國內(nèi)探魚儀的工作頻率范圍為(15～460) kHz[36]。高頻率可以實(shí)現(xiàn)近距離高分辨率探測，低頻率可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測。從單頻到多頻系統(tǒng)的發(fā)展為科研工作者們帶來了對散射目標(biāo)特征化或分類散射目標(biāo)的額外能力。

多頻探測技術(shù)實(shí)際是采用的離散多頻技術(shù)，通過對魚群在瑞利散射向幾何散射過渡的區(qū)域進(jìn)行探測，可以得到豐富的魚群聲散射信息[11,13]。根據(jù)對多頻回聲探測技術(shù)在水聲測量中的應(yīng)用劃分，主要可分為如下幾個功能：

1)估計魚群中單體魚的平均尺寸。Rousseau等[37]計算了鮭魚幼魚群在67 kHz和125 kHz頻率下的平均體積反向散射強(qiáng)度差值，通過測量圍網(wǎng)捕撈的幼魚平均標(biāo)準(zhǔn)長度，發(fā)現(xiàn)兩者之間的正相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了利用聲學(xué)反射方式估計魚群大小的方法，替代了通過侵入性捕撈技術(shù)來估計魚體長度的方法。Habib等[38]提出了一個基于偏微分方程的數(shù)學(xué)模型，此模型可用以構(gòu)建兩個算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，使用多頻率信號來定位物體并利用此信號分辨物體的形狀。

2)評估魚群的生物量。多頻水聲測量系統(tǒng)可以提供有效的方法來量化鯡魚種群大小和分布。Brandyn等[39]于2014和2015年春夏使用38 kHz、120 kHz和200 kHz回聲探測器測量了油鯡的生物量和鯡魚群目標(biāo)強(qiáng)度。Szczucka等[40]使用SIMRAD EK60多頻分裂波束聲吶，分別用70 kHz、120 kHz及200 kHz評估同一海灣近北極圈部分和近大西洋部分的魚類分布和豐度。

3)分類海洋生物物種。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)魚群與其他海洋生物的區(qū)分、同一魚群不同種類的區(qū)分以及同一種類成魚與幼魚的區(qū)分。Vargas等[41]在2017年分別使用了38 kHz、70 kHz、120 kHz 和200 kHz計算了5個雙頻對反向散射能量的和差，提出了一種基于多頻空間平面散射分布的區(qū)分方法，可實(shí)現(xiàn)多成分生態(tài)系統(tǒng)中魚類與藻類、浮游生物等的種群區(qū)分。

最近幾年的研究，結(jié)合了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遙控水下機(jī)器人和水下攝像機(jī)等技術(shù)，根據(jù)聲吶采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對魚群和背景像素的分類，并發(fā)現(xiàn)了不同頻率的能量性質(zhì)，尤其是均值和最大體積后向散射系數(shù)，這一發(fā)現(xiàn)提供了將種群聚合體分成不同種群的區(qū)分能力[42-43]。

2.4.3 寬帶技術(shù)

寬帶技術(shù)采用寬帶信號作為信息載體，具有寬帶信號固有的優(yōu)點(diǎn)。由于窄帶信號中包含的目標(biāo)信息有限，而寬帶信號可以攜帶更多的信息，且有很高的距離和空間分辨率，使用寬帶技術(shù)，可以得到整個頻率帶范圍內(nèi)的回波特征[44-45]，極大地增加了信息量，因此選用寬帶信號進(jìn)行參量估計、目標(biāo)檢測和特征提取[46]，有利于提高目標(biāo)的判別精度[47]。

原理上，信號的頻率越多或頻譜越寬，從信號源傳遞到接收機(jī)的信息就越多，基于此產(chǎn)生了寬帶聲吶的概念，這比傳統(tǒng)的聲吶和回聲探測器擁有更大的帶寬。寬帶系統(tǒng)可以在連續(xù)的寬頻帶上提供散射的頻率響應(yīng)[13,48]，連續(xù)寬帶系統(tǒng)可以直接研究海洋生物聲學(xué)散射的脈沖響應(yīng)，并研究海洋動物散射的光譜特征[10,48-49]。

近些年，寬帶技術(shù)在海洋漁業(yè)探測領(lǐng)域也有著重大進(jìn)展和廣泛應(yīng)用。針對一些對生態(tài)及商業(yè)有重要作用的魚類，Boswell等[50]首先建立了頻率依賴的反向散射模型，并以此作為后續(xù)種群分類的基礎(chǔ)，對多個珊瑚礁魚類單體進(jìn)行計算機(jī)斷層掃描并建立了三維魚鰾模型，隨后將其作為散射模型輸入，結(jié)果表明魚鰾形態(tài)特征是重要的種群分類依據(jù)，此模型有助于分類物種差距較大的魚群。一些學(xué)者還提到了利用寬帶信號進(jìn)行聲波驅(qū)魚。Deleau等[51]在試驗(yàn)條件下測試了寬帶信號對鰻魚的影響，探討了使用聲波作為防止魚群進(jìn)入危險地帶屏障的可能性。寬帶技術(shù)在未來海洋漁業(yè)聲學(xué)領(lǐng)域中將發(fā)揮不可估量的作用。

如圖5所示的SIMRAD SX90即為典型的寬帶多波束漁用聲吶，采用(20～30)kHz的發(fā)射頻率，共計11個頻率可選，從而避免其他船只或聲吶的干擾；其向船的四周發(fā)射360°的窄波束，便于對不同目標(biāo)魚群做更好的掃描探測，能大幅提高魚群探測、捕撈效率。

3 展望

近年來，海洋漁業(yè)聲學(xué)技術(shù)得到了長足的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)、多波束技術(shù)及寬帶技術(shù)是未來發(fā)展的一個趨勢。雖然上述技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展，國內(nèi)漁業(yè)聲學(xué)裝備關(guān)鍵技術(shù)距世界先進(jìn)水平仍有較大差距，高端裝備主要依賴進(jìn)口。在實(shí)現(xiàn)“海洋強(qiáng)國”的國家戰(zhàn)略推動下，改變中國漁業(yè)聲學(xué)探測裝備技術(shù)落后的局面，提高中國漁業(yè)資源探測能力，促進(jìn)海洋漁業(yè)資源的合理利用，增強(qiáng)“關(guān)心-認(rèn)識-經(jīng)略”海洋的能力，可從以下幾個方面重點(diǎn)突破：1)大力發(fā)展小體積、低頻率、大功率探測技術(shù)，重點(diǎn)布局更小的換能器體積探測更遠(yuǎn)的距離、更高的聲能輻射效率研究；2)加大漁業(yè)聲學(xué)裝備關(guān)鍵技術(shù)與人工智能、深度學(xué)習(xí)及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)有效結(jié)合，對深遠(yuǎn)距離及高分辨率探測和魚群精準(zhǔn)定位及特征提取等技術(shù)重點(diǎn)研究；3)加強(qiáng)中國對海洋生態(tài)研究的力度，提高自主獲取海洋生物資源數(shù)量和空間分布信息的能力，攻克關(guān)鍵技術(shù)，減少與國外探測設(shè)備技術(shù)差距。

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