中國(guó)漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估研究與進(jìn)展

湯勇

(上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306)

聲波在水介質(zhì)中具有比電磁波更小的吸收衰減和更遠(yuǎn)的傳播距離等優(yōu)勢(shì)，故聲波測(cè)量技術(shù)已成為水下遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)最主要的方法。水聲探測(cè)技術(shù)在海洋民用領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣，主要包括海底地形地貌測(cè)量，海底地層下的油氣資源探測(cè)，以及水中生物目標(biāo)的測(cè)量。在應(yīng)用最為廣泛的海洋漁業(yè)領(lǐng)域，該技術(shù)主要采用垂直探魚(yú)儀(Echosounder)和水平聲吶(Sonar)進(jìn)行魚(yú)群探查，尤其在中上層魚(yú)類(lèi)的圍網(wǎng)和拖網(wǎng)作業(yè)中，魚(yú)群的方位、規(guī)模、魚(yú)種判別和體長(zhǎng)估測(cè)等精準(zhǔn)聲學(xué)測(cè)量是保障實(shí)施精準(zhǔn)捕撈作業(yè)的關(guān)鍵。20世紀(jì)80年代以來(lái)，為了維持特定海域重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)種資源的可持續(xù)利用，漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和有關(guān)漁業(yè)國(guó)際組織加大推行總允許捕獲量(total allowable catch，TAC)管理，并積極研發(fā)更為高效的漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)，以及更高精度的魚(yú)群聲學(xué)測(cè)量?jī)x器——科學(xué)探魚(yú)儀(Scientific Echosounder)，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)支撐TAC管理的科學(xué)條件。隨著聲學(xué)評(píng)估理論的不斷完善和現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。憑借聲學(xué)評(píng)估數(shù)據(jù)具有可回放性及對(duì)比分析客觀、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其評(píng)估結(jié)果已成為發(fā)達(dá)漁業(yè)國(guó)家間和漁業(yè)國(guó)際組織內(nèi)部進(jìn)行漁業(yè)談判的基本數(shù)據(jù)。因此，作為世界漁業(yè)大國(guó)的中國(guó)積極開(kāi)展?jié)O業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)研究具有重要意義。

中國(guó)的漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)，自20世紀(jì)80年代初由挪威引入以來(lái)得到了良好的發(fā)展，該技術(shù)不僅可用于大陸架和大洋極地海域大范圍的漁業(yè)資源調(diào)查，而且廣泛應(yīng)用于海洋牧場(chǎng)、江河和淡水湖泊水庫(kù)等的漁業(yè)資源調(diào)查，為中國(guó)水產(chǎn)捕撈產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。本文在回顧漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，綜述了中國(guó)近40年來(lái)在漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)方面取得的研究成果，以期為中國(guó)漁業(yè)聲學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估發(fā)展歷程

1.1 基于商業(yè)探魚(yú)儀的資源量評(píng)估

漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)的最早記錄是Oscar Sund于1935年使用Hughes &Sons 公司的一臺(tái)16 kHz紙帶記錄式回聲測(cè)深儀(Echosounder)對(duì)海洋中魚(yú)群的回聲信號(hào)進(jìn)行了資源評(píng)估[1]。20世紀(jì)40年代后期，隨著回聲測(cè)深儀的軍事專(zhuān)用屬性取消，該儀器快速被民企轉(zhuǎn)為商業(yè)探測(cè)魚(yú)群的利器。針對(duì)魚(yú)群目標(biāo)散射特征和活動(dòng)深度范圍，研究者對(duì)回聲測(cè)深儀的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后安裝在大型商業(yè)漁船上，大幅提高了陸架區(qū)魚(yú)群捕撈作業(yè)效率。目前，換能器垂直安裝在漁船上進(jìn)行商業(yè)魚(yú)群探測(cè)的儀器，國(guó)內(nèi)漁業(yè)領(lǐng)域稱(chēng)之為“探魚(yú)儀”或“漁探儀”。由于探魚(yú)儀的英文在歐美延續(xù)使用“Echosounder”一詞，故國(guó)內(nèi)早期文獻(xiàn)也有使用“回聲測(cè)深儀”一詞表述探魚(yú)儀，而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的回聲測(cè)深儀是專(zhuān)指以海底為探測(cè)目標(biāo)的儀器，因此，無(wú)限制使用該稱(chēng)謂容易誤導(dǎo)讀者。日本的生產(chǎn)廠家則使用Fish Finder來(lái)表述商用探魚(yú)儀。與所有的電子儀器相同，新一代探魚(yú)儀也從早期的電子管模擬信號(hào)技術(shù)和熱敏紙顯示記錄模式，發(fā)展至現(xiàn)在的芯片數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、液晶顯示和數(shù)據(jù)文件記錄保存模式，是具有模型運(yùn)算等智能化功能的科學(xué)研究型儀器。無(wú)論是商業(yè)探魚(yú)儀還是科學(xué)研究型探魚(yú)儀，需要根據(jù)探測(cè)目標(biāo)或海底深度、單體目標(biāo)距離分辨率、波束開(kāi)角，以及不同類(lèi)型目標(biāo)生物的頻率響應(yīng)特征等進(jìn)行具體型號(hào)的選擇。

為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模魚(yú)群的遠(yuǎn)距離探測(cè)，在參考軍事聲吶的基礎(chǔ)上，研究者開(kāi)發(fā)了能夠在水平方向搜尋魚(yú)群的裝備，被泛稱(chēng)為“聲吶”或“水平聲吶”。需要注意的是，雖然“聲吶”這個(gè)詞在傳統(tǒng)定義上具有更為廣泛的含義，但在漁業(yè)聲學(xué)領(lǐng)域俠義定義為這一類(lèi)工作方式的漁業(yè)聲學(xué)裝備。根據(jù)聲吶工作原理和波束掃描方式的差異性，水平聲吶主要分為機(jī)械掃描(探照燈)式、電子全周式、電子半周式和全方位聲吶等。其中，機(jī)械掃描方式由于使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)換能器機(jī)械地改變聲波收發(fā)方向，故行進(jìn)中前方扇區(qū)范圍的探查受聲速限制會(huì)存在盲區(qū)。而電子全周掃描聲吶是使用最為廣泛的漁業(yè)聲吶，該聲吶使用圓柱形換能器陣列，發(fā)射時(shí)波束為水平無(wú)指向的“雨傘”形，接收時(shí)采用區(qū)域陣列旋轉(zhuǎn)螺線方式形成快速旋轉(zhuǎn)的水平指向性波束，其具有波束仰俯角(一般為5°～-55°)控制功能，以應(yīng)對(duì)不同斜向距離魚(yú)群的探測(cè)和回波跟蹤。由于在作業(yè)船只的后半?yún)^(qū)探測(cè)魚(yú)群的實(shí)際意義不大，因此，開(kāi)發(fā)了半周掃描聲吶，該聲吶具有水平半周電子掃描和機(jī)械式垂直仰俯角(最大為-90°)調(diào)整功能，可進(jìn)行水平方向遠(yuǎn)距離魚(yú)群探查、近距離魚(yú)群目標(biāo)鎖定跟蹤及網(wǎng)具狀態(tài)與漁獲過(guò)程監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速提高，基于球型換能器波束成形技術(shù)的全方位探測(cè)聲吶已商業(yè)化，該聲吶具有同時(shí)進(jìn)行水平和垂直波束的雙葉掃描模式，可完全取代全周和半周掃描式聲吶，并同時(shí)給出水平和垂直波束內(nèi)的魚(yú)群回波映像，現(xiàn)已成為遠(yuǎn)洋漁船的重要助漁設(shè)備。

在漁業(yè)捕撈過(guò)程中，操作人員會(huì)根據(jù)聲吶和探魚(yú)儀回波映像的魚(yú)群回波強(qiáng)度、面積大小和分布水層深度因素，推定魚(yú)群的種類(lèi)和資源量，并在此基礎(chǔ)上判定是否實(shí)施網(wǎng)具作業(yè)。隨著操作人員的反復(fù)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)依靠聲學(xué)回波推定的資源量與實(shí)際捕撈量能夠基本吻合，由此推斷，兩者間存在必然的聯(lián)系，而如何科學(xué)地量化兩者之間的關(guān)系就成為漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容。

1.2 魚(yú)群的聲學(xué)測(cè)量和資源量評(píng)估

最早的聲學(xué)測(cè)量方法是根據(jù)商業(yè)探魚(yú)儀的魚(yú)群回波認(rèn)知，并結(jié)合Urick的體積散射強(qiáng)度理論[2]，對(duì)魚(yú)群的資源量進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量。即探魚(yú)儀上魚(yú)群回波振幅電壓值的平方與魚(yú)群的反向體積散射強(qiáng)度(volume backscattering strength，SV)成正比，而魚(yú)群的體積散射強(qiáng)度又與魚(yú)群內(nèi)部單體魚(yú)的目標(biāo)強(qiáng)度(target strength，TS)和魚(yú)群密度的乘積成正比。因此，可以使用體積散射聲吶方程和聲吶內(nèi)部信號(hào)放大系數(shù)確定回波振幅與體積散射強(qiáng)度的關(guān)系，在已知魚(yú)類(lèi)目標(biāo)強(qiáng)度的條件下，能夠測(cè)量魚(yú)群的密度，然后使用魚(yú)群回波的斷面進(jìn)行中軸水平180°旋轉(zhuǎn)，以推定魚(yú)群體積，并根據(jù)密度和體積推定魚(yú)群的資源量。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該方法僅對(duì)漁場(chǎng)開(kāi)發(fā)和探捕具有一定效果，而在固定海域內(nèi)的資源量評(píng)估中則偏差較大。由于海洋漁業(yè)資源評(píng)估涉及空間統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，在確定聲學(xué)調(diào)查僅是空間采樣方法的基礎(chǔ)上，研究者開(kāi)發(fā)了回波積分法和回波計(jì)數(shù)法的基本漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估方法，并針對(duì)這些方法的基礎(chǔ)理論和技術(shù)環(huán)節(jié)開(kāi)展了系統(tǒng)性研究[3]。

1.3 漁業(yè)聲學(xué)裝備技術(shù)發(fā)展

漁業(yè)聲學(xué)裝備的發(fā)展是由漁業(yè)聲學(xué)理論與科研生產(chǎn)的實(shí)際需要所推動(dòng)的，其主要發(fā)展歷程見(jiàn)圖1。隨著漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估相關(guān)聲學(xué)理論基礎(chǔ)的完善，在相關(guān)學(xué)者的支持下，于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)了具有回波積分和目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)定等功能的科學(xué)探魚(yú)儀。其與商業(yè)探魚(yú)儀的最大差別在于魚(yú)群的SV和單體魚(yú)的TS測(cè)量過(guò)程嚴(yán)格按照聲吶方程進(jìn)行，并在回波映像圖上顯示，而并非僅僅對(duì)魚(yú)群回波的振幅信號(hào)進(jìn)行放大顯示。同時(shí)，該設(shè)備具有更高的技術(shù)指標(biāo)性能和資源評(píng)估等功能模塊，回波信號(hào)放大過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大，能夠線性處理微小浮游動(dòng)物至大型魚(yú)群的回波信號(hào)，換能器發(fā)射脈沖信號(hào)的形狀更加趨近于矩形，工作參數(shù)可調(diào)，數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)保存，且具有系統(tǒng)收發(fā)增益校準(zhǔn)的功能?；夭ǚe分功能由最初的模擬信號(hào)積分發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字信號(hào)處理模塊。換能器也由窄帶雙波束、窄帶分裂波束技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的寬帶分裂波束技術(shù)，除具有提供單體目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)強(qiáng)度的原位測(cè)量功能外，寬帶系統(tǒng)還可以提供單體目標(biāo)的頻譜特征[5-6]。

圖1 漁業(yè)聲學(xué)技術(shù)的主要發(fā)展歷程[4]Fig.1 Important time points in the development of fisheries acoustics technology[4]

科學(xué)探魚(yú)儀雖然是漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估的利器，但由于其安裝在船底，垂直向下的波束探查范圍受限，且表層魚(yú)群受調(diào)查船噪聲的影響會(huì)產(chǎn)生逃避行為，導(dǎo)致表層魚(yú)群資源量評(píng)估過(guò)小。而利用水平聲吶進(jìn)行大規(guī)模集群性魚(yú)群的資源量評(píng)估，已成為近15年來(lái)的研究熱點(diǎn)[7]。目前，挪威Simrad公司和日本Furuno公司等的全方位聲吶雖然已經(jīng)具備目標(biāo)鎖定跟蹤、回波面積計(jì)算及聲吶回波數(shù)據(jù)采集等研究基礎(chǔ)條件，但受聲吶系統(tǒng)校準(zhǔn)困難、聲吶信號(hào)處理復(fù)雜、海面海底混響回波，以及缺乏有效的數(shù)據(jù)后處理軟件等因素限制，尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。雖然20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)的米爾斯陣列技術(shù)的多波束聲吶(二維)、側(cè)掃聲吶、三維多波束聲吶和小范圍水體使用的聲吶攝像機(jī)(DIDSON/ARIS)技術(shù)等均被嘗試用于漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查[8]，甚至用于海流測(cè)量的聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)技術(shù)也被用于海洋浮游動(dòng)物層的變動(dòng)觀測(cè)[9]，但以上技術(shù)一般用于特定條件下的資源調(diào)查評(píng)估研究，或被作為科學(xué)探魚(yú)儀的輔助研究工具使用。

2 漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)

2.1 魚(yú)群的聲學(xué)測(cè)量

漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)建立在魚(yú)群聲學(xué)測(cè)量基礎(chǔ)之上，主要描述魚(yú)群對(duì)入射聲波產(chǎn)生反向散射聲波的物理過(guò)程，并借助量化聲波傳播過(guò)程中的能量變化來(lái)測(cè)量魚(yú)群的反向散射強(qiáng)度，進(jìn)而推定魚(yú)群的密度[10]。對(duì)于魚(yú)群反向散射強(qiáng)度的量化，需要將魚(yú)群按照滿(mǎn)足聲波的體積散射理論進(jìn)行假設(shè)，F(xiàn)oote[11]通過(guò)網(wǎng)箱試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，即

sV=σbs×nV。

(1)

其中：sV為單位體積魚(yú)群的反向體積散射系數(shù)(m2/m3)，是反向體積散射強(qiáng)度SV(dB)的線性值；σbs為反向散射截面積(m2)；nV為魚(yú)群的密度(ind./m3)，根據(jù)單體目標(biāo)和群體目標(biāo)的聲吶方程(sonar equation)分別計(jì)算出sV和σbs，即可計(jì)算出密度nV。對(duì)于波束中1尾魚(yú)的σbs，可使用單體目標(biāo)聲吶方程計(jì)算，即

(2)

其中：p0和pS分別為聲吶換能器發(fā)射和接收1尾魚(yú)回波的聲壓(Pa)；r為魚(yú)的距離(m)；θ為聲軸對(duì)稱(chēng)波束的方位角(°)；α為聲波的吸收系數(shù)(dB/m)；D(θ)為波束的聲壓指向性函數(shù)。r可通過(guò)測(cè)量回波的往返時(shí)間獲得，α可使用溫度、鹽度、水深等環(huán)境參數(shù)和工作頻率等計(jì)算獲得。

換能器接收到pS后進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，再將電信號(hào)輸入到接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)前置放大、濾波和AD轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理，最后輸出回波信號(hào)振幅電壓uo(V)。

uo=MGpS。

(3)

其中：M為聲電轉(zhuǎn)換系數(shù)(V/Pa)；G為接收機(jī)信號(hào)放大系數(shù)。將式(3)的pS代入式(2)后得到

(4)

其中：p0MG三項(xiàng)被稱(chēng)為系統(tǒng)收發(fā)增益系數(shù)，可用已知σbs的標(biāo)準(zhǔn)球校正獲得，最終根據(jù)uo計(jì)算出σbs。

在使用指向性函數(shù)D(θ)時(shí)，需要進(jìn)行目標(biāo)方位角θ的測(cè)量，科學(xué)探魚(yú)儀以前使用雙波束技術(shù)測(cè)量，現(xiàn)在主要使用分裂波束技術(shù)測(cè)量，目前也出現(xiàn)了利用分裂波束測(cè)量魚(yú)體長(zhǎng)的商業(yè)探魚(yú)儀。

對(duì)于式(1)中魚(yú)群反向體積散射系數(shù)sV的計(jì)算，可使用體積散射測(cè)量聲吶方程：

(5)

其中：pM為魚(yú)群回波返回?fù)Q能器表面的聲壓(Pa)；c為聲速(m/s)；τ為發(fā)射聲波的脈沖寬度(s)；ψ為等效波束角(sr)。同樣可以使用式(3)中的uo進(jìn)行sV的計(jì)算。

基于探魚(yú)儀的魚(yú)群回波信號(hào)一般使用連續(xù)多次收發(fā)信號(hào)(每收發(fā)一次稱(chēng)為1 Ping)形成的B模式(回波映像圖)顯示。對(duì)于大型魚(yú)群，調(diào)查船通過(guò)魚(yú)群上方時(shí)會(huì)形成魚(yú)群的二維回波形狀，魚(yú)群的體積通?？梢愿鶕?jù)二維回波的面積進(jìn)行推算，結(jié)合魚(yú)群密度nV即可進(jìn)行單個(gè)魚(yú)群的資源量評(píng)估。

2.2 目標(biāo)強(qiáng)度

漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估是針對(duì)生物目標(biāo)進(jìn)行物理測(cè)量的過(guò)程，因此，需要結(jié)合物理和生物的方法開(kāi)展研究。式(1)的σbs項(xiàng)與散射截面的關(guān)系為

σ=4πσbs。

(6)

這與另一個(gè)重要物理量目標(biāo)強(qiáng)度TS(dB)的線性值相等，即

TS=10 lgσbs。

(7)

魚(yú)類(lèi)目標(biāo)強(qiáng)度的物理定義是距離魚(yú)體表面1 m處反向散射聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)比值的分貝值，是聲波頻率和入射角度等的函數(shù)，一般與魚(yú)體長(zhǎng)的平方成正比。由于魚(yú)類(lèi)自身的生物學(xué)屬性差異，按照生物學(xué)方法，較難使用不同工作頻率對(duì)不同種類(lèi)和體長(zhǎng)的魚(yú)類(lèi)在水池進(jìn)行不同姿態(tài)TS特征的測(cè)定。而按照物理模型方法，將魚(yú)類(lèi)等生物目標(biāo)近似成球體、有限長(zhǎng)度圓柱體和回轉(zhuǎn)橢球體等幾何體，再使用波動(dòng)方程求解TS[12-13]，在此過(guò)程中僅需進(jìn)行目標(biāo)魚(yú)類(lèi)及海水的聲速比和密度比測(cè)定，降低了實(shí)測(cè)TS的工作強(qiáng)度。尤其對(duì)于規(guī)格較小的弱散射體(如浮游動(dòng)物和小型水母等)，受實(shí)測(cè)信噪比的限制，目前只能使用物理模型計(jì)算方法進(jìn)行TS研究[14]。

魚(yú)類(lèi)TS具有指向性，一般體側(cè)和背腹方向較頭尾方向大較多，且存在姿態(tài)變化所引起的不同散射界面回波相位干涉問(wèn)題，因此，魚(yú)類(lèi)等海洋生物TS的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超一般人造幾何目標(biāo)。目前，整體上將魚(yú)類(lèi)分為有鰾和無(wú)鰾兩種類(lèi)型，并使用有限圓柱或回轉(zhuǎn)橢球的充氣和液態(tài)模型進(jìn)行物理方法研究。由于TS是魚(yú)類(lèi)姿態(tài)傾角的函數(shù)，為了降低TS在式(1)中由不同魚(yú)類(lèi)傾角差異引起的隨機(jī)偏差，對(duì)于波束角內(nèi)魚(yú)類(lèi)的TS測(cè)量，需要考慮相對(duì)于波束入射角的魚(yú)類(lèi)姿態(tài)傾角的概率分布特征，并通過(guò)加權(quán)平均統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行處理[15]。即

(8)

其中：三角括號(hào)代表平均值(下同)；θt為姿態(tài)傾角(°)；f(θt)為魚(yú)體姿態(tài)傾角的概率密度函數(shù)，一般使用魚(yú)類(lèi)姿態(tài)傾角的截?cái)嗾龖B(tài)分布函數(shù)?？墒褂镁W(wǎng)箱法和原位法對(duì)自然游動(dòng)魚(yú)類(lèi)的平均目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，也可使用繩系法測(cè)量不同姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度，再使用魚(yú)類(lèi)相應(yīng)的傾角分布函數(shù)，按照式(8)進(jìn)行計(jì)算。魚(yú)類(lèi)的平均目標(biāo)強(qiáng)度〈TS〉與體長(zhǎng)Lcm(cm)平方成正比，對(duì)數(shù)表達(dá)式為

〈TS〉=20 lgLcm+b20。

(9)

其中，b20為體長(zhǎng)平方基準(zhǔn)的目標(biāo)強(qiáng)度(dB)，不同魚(yú)種和不同探測(cè)頻率下的b20都會(huì)有差異。在確定某種魚(yú)類(lèi)的b20后，根據(jù)平均TS推定魚(yú)類(lèi)的平均體長(zhǎng)，再根據(jù)魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)和體質(zhì)量的關(guān)系式推定魚(yú)類(lèi)體質(zhì)量，最后結(jié)合魚(yú)類(lèi)密度推定漁業(yè)資源量[3]。

2.3 漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估

在實(shí)際的陸架海域漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查時(shí)，需要提前準(zhǔn)備和調(diào)查設(shè)計(jì)，包括調(diào)查區(qū)域的漁業(yè)捕撈現(xiàn)狀，魚(yú)種和水層分布，在調(diào)查期間是否有資源的遷入和遷出，以及水深分布的等深線圖等。伴隨著調(diào)查船的航行，科學(xué)探魚(yú)儀的垂直波束會(huì)形成聲學(xué)調(diào)查斷面，波束內(nèi)的魚(yú)群會(huì)形成回波信號(hào)用于資源量評(píng)估，使用這些斷面最終完成對(duì)調(diào)查海域漁業(yè)資源的空間聲學(xué)采樣。根據(jù)調(diào)查海域的形狀和調(diào)查目的(商業(yè)探捕或漁業(yè)資源評(píng)估等)，調(diào)查斷面可以采用平行線、“之”字形和自適應(yīng)航線等方法。原則上只要確保漁業(yè)資源空間采樣的隨機(jī)性，以及空間采樣強(qiáng)度滿(mǎn)足調(diào)查海域漁業(yè)資源總體分布的需求即可。雖然目前的寬帶科學(xué)探魚(yú)儀可以進(jìn)行一些重要魚(yú)種的聲學(xué)識(shí)別和體長(zhǎng)分布的原位估計(jì)，但對(duì)于漁業(yè)資源調(diào)查中魚(yú)種和體長(zhǎng)分布等信息的獲得，仍然需要使用網(wǎng)具對(duì)魚(yú)群回波進(jìn)行樣品采集，同時(shí)調(diào)查測(cè)量的魚(yú)群回波能量也需要借助網(wǎng)具采樣結(jié)果進(jìn)行不同魚(yú)種和體長(zhǎng)規(guī)格的分配。網(wǎng)具采樣要求盡可能無(wú)選擇性，調(diào)查站位的環(huán)境參數(shù)測(cè)量也是不可缺少的，結(jié)合環(huán)境參數(shù)進(jìn)行漁業(yè)資源組成、變動(dòng)和空間分布等研究具有重要意義。

用于漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估的主要方法有回波積分法和回波計(jì)數(shù)法。對(duì)于陸架、大洋和極地等海域內(nèi)重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)種的資源調(diào)查評(píng)估，回波積分法是最為成熟和廣泛使用的方法。而對(duì)于相對(duì)魚(yú)類(lèi)單體回波分布較多且對(duì)魚(yú)種較為明確的淡水水域調(diào)查，回波計(jì)數(shù)法具有空間統(tǒng)計(jì)分析更為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。所謂回波積分法，就是先將聲波沿深度方向每一次發(fā)射脈沖(1 Ping)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)sV值在選定深度范圍(一般為海面至海底)進(jìn)行累加(積分)，結(jié)果稱(chēng)為面積散射系數(shù)sa(m2/m2)，該系數(shù)對(duì)應(yīng)于每平方米海面下方垂直水柱內(nèi)魚(yú)群的反向散射強(qiáng)度。再將調(diào)查船航行一定距離內(nèi)所有收發(fā)信號(hào)(JPing)對(duì)應(yīng)的sa，j值進(jìn)行平均獲得積分值[10]。計(jì)算公式為

(10)

其中：Δr是垂直方向sV信號(hào)的采樣間隔(m)；i和j分別為垂直和水平方向sV的采樣索引號(hào)。歐洲一般使用以海里為單位的sa，用sA表示，也被稱(chēng)為NASC(nautical area scattering coefficient)，即

sA=4π×1 8522sa。

(11)

對(duì)應(yīng)于式(1)，即為

sa=〈σbs〉×〈na〉。

(12)

其中，na為單位水域面積的資源密度(ind./m2)。

一般漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查航線的規(guī)劃原則：陸架區(qū)航線垂直等深線方向，可以采用等間隔或者隨機(jī)非等間隔平行調(diào)查航線；狹窄區(qū)域選擇“之”字形航線相對(duì)安全，河流水庫(kù)和峽灣等狹長(zhǎng)水域或島嶼周邊水域調(diào)查采用此航線較多。調(diào)查航線上sa的積分采樣距離單元(elementary distance sampling unit，EDSU)，一般的陸架調(diào)查以5 n mile為主，大洋調(diào)查可以為10 n mile，小范圍調(diào)查也可以采用1 n mile甚至0.5 n mile，一般以能夠保證積分單元之間采樣相互獨(dú)立為原則。由于科學(xué)探魚(yú)儀的采樣數(shù)據(jù)為垂直斷面，因此，可以按照水層進(jìn)行魚(yú)類(lèi)資源量的相關(guān)性分析，也可以通過(guò)單體目標(biāo)的水層分布結(jié)合環(huán)境參數(shù)進(jìn)行習(xí)性分析等[16]。

3 中國(guó)漁業(yè)聲學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 中國(guó)漁業(yè)聲學(xué)歷史回顧

1)海洋漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估。中國(guó)漁業(yè)聲學(xué)相比漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，最早的海洋漁業(yè)資源定量評(píng)估始于1984年，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所利用“北斗”號(hào)調(diào)查船搭載挪威Simrad公司的EK400型科學(xué)探魚(yú)儀，與挪威海洋研究所共同開(kāi)展了黃海和東海鳀魚(yú)的聲學(xué)調(diào)查評(píng)估，并獲得了300萬(wàn)t現(xiàn)存量和超50 t資源可利用量的重要結(jié)論[17]。1993年夏季，“北斗”號(hào)船在北太平洋進(jìn)行了狹鱈資源的聲學(xué)調(diào)查評(píng)估，并進(jìn)行了狹鱈目標(biāo)強(qiáng)度的原位測(cè)定[18-19]。1997—2000年，“北斗”號(hào)使用升級(jí)的EK500型科學(xué)探魚(yú)儀，對(duì)中國(guó)專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的漁業(yè)資源進(jìn)行了全面的聲學(xué)調(diào)查評(píng)估[20]，并于2007年8月發(fā)布了漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查與評(píng)估的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12763.6—2007海洋調(diào)查規(guī)范 第6部分：海洋生物調(diào)查 附錄G 漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查與評(píng)估)。2015年后，中國(guó)漁業(yè)聲學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，在中國(guó)專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)、重要的遠(yuǎn)洋漁場(chǎng)和極地等海域開(kāi)展的漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查評(píng)估工作逐步向常態(tài)化和業(yè)務(wù)化方向發(fā)展。目前，中國(guó)開(kāi)展海洋漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估研究的科研院所已超過(guò)15個(gè)，裝備科學(xué)探魚(yú)儀的專(zhuān)業(yè)科考船數(shù)量超過(guò)15艘，調(diào)查能力覆蓋陸架、大洋和極地等海域，為中國(guó)在不遠(yuǎn)的將來(lái)開(kāi)展經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)的TAC管理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2)淡水漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估。中國(guó)淡水漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估研究始于1983年，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所利用便攜熱敏紙記錄式商業(yè)探魚(yú)儀，采用回波計(jì)數(shù)法對(duì)東湖的漁業(yè)資源進(jìn)行了聲學(xué)調(diào)查和評(píng)估[21]。2010年后該領(lǐng)域的研究進(jìn)入快速發(fā)展期，調(diào)查區(qū)域包括長(zhǎng)江、珠江、黃河及重要的湖泊水庫(kù)等，主要開(kāi)展了淡水漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查評(píng)估和空間分布等研究。由于淡水水域相對(duì)水深較淺，無(wú)法使用專(zhuān)用大型科考船進(jìn)行調(diào)查，一般會(huì)使用小型船只進(jìn)行調(diào)查。使用的聲學(xué)設(shè)備多為便攜式科學(xué)探魚(yú)儀，包括挪威Simrad公司的EY60型、EK80型及美國(guó)BioSonics公司的DT-X型等。由于所用調(diào)查船只無(wú)法進(jìn)行網(wǎng)具采樣，故一般會(huì)結(jié)合刺網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)展此項(xiàng)研究的科研院所遍布全國(guó)各大水系，專(zhuān)業(yè)研究人員超過(guò)50人，已經(jīng)成為國(guó)際上規(guī)模最大的淡水漁業(yè)聲學(xué)應(yīng)用研究隊(duì)伍。

3)人才培養(yǎng)。中國(guó)于2006年開(kāi)始在相關(guān)高校進(jìn)行本科生的漁業(yè)聲學(xué)理論實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，以培養(yǎng)具有一定聲學(xué)基礎(chǔ)且能夠掌握科學(xué)探魚(yú)儀使用方法和聲學(xué)數(shù)據(jù)后處理的專(zhuān)業(yè)人才。目前，開(kāi)展?jié)O業(yè)聲學(xué)本科教學(xué)的高校有上海海洋大學(xué)和大連海洋大學(xué)，其他具備漁業(yè)聲學(xué)研究條件的海洋類(lèi)高校和相關(guān)研究單位主要進(jìn)行研究生的培養(yǎng)。從業(yè)的科研人員以中國(guó)自己培養(yǎng)的博士和碩士研究生為主。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自國(guó)內(nèi)研究人員于1986年首次發(fā)表東湖漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查的論文以來(lái)，中國(guó)公開(kāi)發(fā)表的漁業(yè)聲學(xué)相關(guān)科研論文已超過(guò)200篇，研究范圍非常廣泛，占比最多的是漁業(yè)資源評(píng)估和時(shí)空分布研究，對(duì)象種類(lèi)包含不同水域的各類(lèi)重要經(jīng)濟(jì)性魚(yú)種，以及極地的南極磷蝦等。其他研究范圍主要包括聲學(xué)調(diào)查監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)后處理、資源評(píng)估和空間統(tǒng)計(jì)方法，以及重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)的目標(biāo)強(qiáng)度等。

3.2 海洋漁業(yè)資源的聲學(xué)評(píng)估

1)近岸漁業(yè)資源調(diào)查。海洋漁業(yè)聲學(xué)調(diào)查范圍按照離岸的遠(yuǎn)近劃分為沿岸、陸架、過(guò)洋、大洋和極地海域等(表1)。沿岸附近的漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查包括指定沿岸或島礁海域、保護(hù)區(qū)、漁場(chǎng)和海洋牧場(chǎng)等小范圍調(diào)查，一般使用船舷搭載便攜式科學(xué)探魚(yú)儀的小型船只進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合定點(diǎn)站位的環(huán)境數(shù)據(jù)采樣、拖網(wǎng)和定置網(wǎng)生物采樣，每個(gè)航次時(shí)間為1～2 d。由于聲學(xué)采樣為連續(xù)水體空間的斷面采樣，具有便于生物資源時(shí)空分布特征描述和對(duì)比分析等優(yōu)點(diǎn)，該類(lèi)調(diào)查多服務(wù)于指定海域的資源環(huán)境調(diào)查或海洋牧場(chǎng)效果評(píng)價(jià)類(lèi)項(xiàng)目。趙憲勇等[22]針對(duì)山東省青島海域的滸苔暴發(fā)開(kāi)展了滸苔聲學(xué)散射研究，為滸苔暴發(fā)聲學(xué)監(jiān)測(cè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。李娜娜等[23]對(duì)廣東省大亞灣的楊梅坑人工漁礁區(qū)海域進(jìn)行了聲學(xué)調(diào)查和資源評(píng)估，確定礁區(qū)內(nèi)生物資源量增加明顯，并結(jié)合拖網(wǎng)結(jié)果證明人工漁礁對(duì)資源結(jié)構(gòu)起到了改善作用。王歡歡等[24]對(duì)遼寧省大連市獐子島海洋牧場(chǎng)進(jìn)行了聲學(xué)調(diào)查，對(duì)人工漁礁區(qū)內(nèi)外的資源量進(jìn)行了對(duì)比，并結(jié)合籠壺類(lèi)定置網(wǎng)采樣確定了魚(yú)種。Yuan等[25]和郭禹等[26]分別在浙江象山港和東海馬鞍列島海域進(jìn)行了聲學(xué)調(diào)查，通過(guò)三重刺網(wǎng)和拖網(wǎng)采樣及聲學(xué)數(shù)據(jù)分析了不同季節(jié)漁業(yè)資源的時(shí)空分布差異。王騰等[27]對(duì)珠海桂山海上風(fēng)電場(chǎng)水域進(jìn)行了聲學(xué)調(diào)查，并結(jié)合拖網(wǎng)試捕分析了風(fēng)電場(chǎng)水域漁業(yè)資源結(jié)構(gòu)密度和空間分布特征，以及海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)漁業(yè)資源的影響。近年來(lái)，由于濱海核電廠附近海域的水母和毛蝦暴發(fā)直接威脅核電廠冷源取水安全，曾雷等[28]、付媛媛等[29]使用科學(xué)探魚(yú)儀分別對(duì)大亞灣和紅沿河核電廠周邊海域進(jìn)行了資源調(diào)查評(píng)估，為濱海核電廠的冷源生物入侵預(yù)警應(yīng)急提供了科學(xué)依據(jù)。

表1 不同海域漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查裝備和采樣網(wǎng)具Tab.1 Instrument and sampling gear for fisheries acoustic survey in different sea areas

2)陸架區(qū)漁業(yè)資源調(diào)查。中國(guó)開(kāi)展的陸架區(qū)海域漁業(yè)資源調(diào)查多以資源可持續(xù)利用為目的，調(diào)查綜合性較強(qiáng)，包含浮游生物、理化因子、環(huán)境參數(shù)和底質(zhì)采樣等固定站位調(diào)查項(xiàng)目，結(jié)果可用于漁業(yè)資源變動(dòng)的時(shí)空分析?？紤]調(diào)查的時(shí)效性和資源穩(wěn)定性，大面積調(diào)查可以按漁區(qū)設(shè)置采樣斷面，對(duì)于資源豐度較大的海域也可以增加采樣強(qiáng)度，進(jìn)行分層采樣，以提高資源評(píng)估的有效性。陸架區(qū)調(diào)查需要使用專(zhuān)業(yè)調(diào)查船只，如“北斗”號(hào)、“南鋒”號(hào)及“中漁科”系列專(zhuān)業(yè)漁業(yè)資源調(diào)查船等。此類(lèi)調(diào)查船配備多頻率EK60型科學(xué)探魚(yú)儀，換能器采用船底導(dǎo)流安裝方式，具有調(diào)查航行姿態(tài)穩(wěn)定且能夠變水層拖網(wǎng)采樣等優(yōu)點(diǎn)。陸架區(qū)調(diào)查一般按照垂直等深線方向設(shè)置采樣斷面。對(duì)黃海和東海的漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查始于20世紀(jì)80年代[17]，唐啟升[20]和趙憲勇等[30]對(duì)中國(guó)陸架海域的多種海洋魚(yú)類(lèi)資源進(jìn)行了聲學(xué)調(diào)查和評(píng)估研究，王新良等[31]對(duì)黃海太平洋磷蝦資源進(jìn)行了聲學(xué)評(píng)估。近年來(lái)，隨著“中科漁”系列調(diào)查船的啟用，已經(jīng)開(kāi)始重新進(jìn)行系統(tǒng)性聲學(xué)調(diào)查和評(píng)估(數(shù)據(jù)未公開(kāi))。中國(guó)南海經(jīng)濟(jì)專(zhuān)屬區(qū)包含南海北部和南沙南部陸架區(qū)，以及陸坡區(qū)和深海海盆區(qū)。李永振等[32]于1997年利用“北斗”號(hào)對(duì)南海北部陸架區(qū)進(jìn)行了全面的聲學(xué)調(diào)查和資源量評(píng)估，并對(duì)重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)和小型非經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)行了時(shí)空分布和季節(jié)性差異分析。張俊等[33-34]、李斌等[35]自2011年開(kāi)始，持續(xù)開(kāi)展了南海經(jīng)濟(jì)專(zhuān)屬區(qū)內(nèi)漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查研究，使用“南鋒”號(hào)調(diào)查船和南海海域常用的燈光罩網(wǎng)作業(yè)漁船，開(kāi)展了鳶烏賊、金槍魚(yú)和鲹類(lèi)等重要經(jīng)濟(jì)種類(lèi)的資源量調(diào)查及空間分布研究，還結(jié)合“南鋒”號(hào)的變水層拖網(wǎng)進(jìn)行了南海中層魚(yú)類(lèi)資源量調(diào)查和時(shí)空分布分析。

3)過(guò)洋、大洋和極地漁業(yè)資源調(diào)查。中國(guó)過(guò)洋和大洋漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查主要以遠(yuǎn)洋漁場(chǎng)開(kāi)發(fā)和資源可持續(xù)利用為目的，包括早期“北斗”號(hào)的北太平洋狹鱈漁業(yè)聲學(xué)調(diào)查[19]，以及近年來(lái)“淞航”號(hào)的西太平洋、西北太平洋漁場(chǎng)資源調(diào)查，東海水產(chǎn)研究所的“中科漁201”號(hào)在塞拉利昂經(jīng)濟(jì)專(zhuān)屬區(qū)也進(jìn)行了過(guò)洋性漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查(數(shù)據(jù)未公開(kāi))。中國(guó)極地漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查主要包括南極磷蝦商業(yè)捕撈船搭載EK60型科學(xué)探魚(yú)儀的聲學(xué)調(diào)查評(píng)估，以及“雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)極地科考船搭載EK80型寬帶科學(xué)探魚(yú)儀進(jìn)行南極磷蝦資源的聲學(xué)調(diào)查評(píng)估和時(shí)空分布分析[36-39]。

3.3 淡水漁業(yè)資源的聲學(xué)評(píng)估

中國(guó)淡水漁業(yè)資源豐富，增養(yǎng)殖技術(shù)和產(chǎn)量一直保持世界第一。近年來(lái)，隨著水源地保護(hù)和嚴(yán)格的水域環(huán)境生態(tài)修復(fù)需求，傳統(tǒng)的大水面網(wǎng)箱養(yǎng)殖被徹底取消，改為大水面增殖漁業(yè)模式。因此，定期的內(nèi)陸水域漁業(yè)資源調(diào)查評(píng)估對(duì)維持水域生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定，以及漁業(yè)資源的可持續(xù)利用具有重要意義。傳統(tǒng)的江河漁業(yè)資源調(diào)查主要包括刺網(wǎng)采樣或者直接購(gòu)買(mǎi)漁獲物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，湖泊水庫(kù)一般使用漁獲物年齡組成統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行資源量評(píng)估。然而，受網(wǎng)具選擇性和季節(jié)環(huán)境條件等影響，資源評(píng)估的效率較低，基于聲學(xué)技術(shù)的淡水漁業(yè)資源調(diào)查方法雖然無(wú)法進(jìn)行目標(biāo)回波的同步網(wǎng)具采樣，但由于調(diào)查范圍較小、資源流動(dòng)性弱且成魚(yú)多以單體目標(biāo)形式存在，相對(duì)于較高的聲學(xué)斷面采樣，非實(shí)時(shí)回波目標(biāo)的網(wǎng)具采樣結(jié)果也可以通過(guò)數(shù)據(jù)后處理進(jìn)行比對(duì)分析，以完成資源評(píng)估[40]。

1)基于科學(xué)探魚(yú)儀的調(diào)查與評(píng)估。淡水漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查水域多以狹長(zhǎng)形為主，考慮到調(diào)查船只的航行安全，一般采用“之”字形調(diào)查航線，資源評(píng)估方法根據(jù)單體目標(biāo)的分布可使用回波計(jì)數(shù)和回波積分法[41]。由于調(diào)查區(qū)域水深較淺，推薦選用120 kHz以上工作頻率的科學(xué)探魚(yú)儀進(jìn)行調(diào)查，以提高單體目標(biāo)檢測(cè)率和回波計(jì)數(shù)法的資源評(píng)估精度，便于在不同水層分析魚(yú)類(lèi)規(guī)格和資源密度分布。由于聲學(xué)斷面相對(duì)調(diào)查水域的覆蓋率較高，資源時(shí)空分布統(tǒng)計(jì)可以使用空間插值方法，使資源的空間分布描述更加清晰。聲學(xué)調(diào)查時(shí)有諸多事項(xiàng)需要注意，如北方夏季或者南方較深的湖泊水庫(kù)，會(huì)存在溫躍層散射回波的現(xiàn)象；在懸浮泥沙含量較高的水域調(diào)查時(shí)，懸浮泥沙的瑞利響應(yīng)對(duì)工作頻率高于120 kHz的科學(xué)探魚(yú)儀會(huì)形成較高的混響，需要充分降低調(diào)查船的航行噪聲，避免魚(yú)類(lèi)出現(xiàn)逃避行為，導(dǎo)致漁業(yè)資源量評(píng)估偏少；對(duì)于水深在3 m左右的淺水湖區(qū)，使用水平波束是一個(gè)較好的選擇，相對(duì)垂直波束會(huì)獲得更多魚(yú)類(lèi)的回波映像，但由于魚(yú)類(lèi)頭尾和體側(cè)的指向性差異較大，因此，不適合通過(guò)目標(biāo)強(qiáng)度原位測(cè)定來(lái)推定魚(yú)類(lèi)的體長(zhǎng)分布，可以通過(guò)回波計(jì)數(shù)推定魚(yú)類(lèi)密度，再結(jié)合網(wǎng)具采樣的魚(yú)種和體長(zhǎng)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行資源量評(píng)估。

2)基于聲學(xué)攝像機(jī)的調(diào)查與評(píng)估。國(guó)內(nèi)除了基于科學(xué)探魚(yú)儀的漁業(yè)資源評(píng)估外，聲學(xué)攝像機(jī)(也被稱(chēng)為雙頻識(shí)別聲吶，DIDSON)多被應(yīng)用于洄游魚(yú)道的監(jiān)測(cè)、小范圍水域魚(yú)類(lèi)調(diào)查和池塘內(nèi)魚(yú)蝦類(lèi)資源量的調(diào)查研究[42]。也有同時(shí)使用無(wú)人艇搭載聲學(xué)攝像機(jī)和科學(xué)探魚(yú)儀進(jìn)行小范圍漁業(yè)資源的調(diào)查研究。基于聲學(xué)攝像機(jī)技術(shù)的魚(yú)類(lèi)資源評(píng)估方法主要是利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行魚(yú)類(lèi)形狀目標(biāo)的識(shí)別和篩選，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行魚(yú)類(lèi)目標(biāo)計(jì)數(shù)評(píng)估和空間統(tǒng)計(jì)分析。聲學(xué)攝像機(jī)具有超高分辨率，可以進(jìn)行魚(yú)類(lèi)目標(biāo)的成像，使魚(yú)類(lèi)目標(biāo)識(shí)別和測(cè)量更加簡(jiǎn)單直觀，便于用戶(hù)對(duì)小范圍水體內(nèi)的魚(yú)類(lèi)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)測(cè)。由于聲學(xué)攝像機(jī)使用MHz級(jí)工作頻率的聲波，因此，魚(yú)群探測(cè)距離較近且容易受水中懸浮的微氣泡和泥沙等混響的影響。

3)漁業(yè)聲學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。淡水漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用范圍非常廣，幾乎覆蓋全國(guó)的重要水系。其中，對(duì)長(zhǎng)江水系、珠江水系及青海湖的調(diào)查研究開(kāi)展得較早，使用設(shè)備儀器、數(shù)據(jù)后處理軟件及調(diào)查研究方法多樣且內(nèi)容豐富，主要圍繞水系內(nèi)的重要江段、水庫(kù)、保護(hù)區(qū)及重要支流等，開(kāi)展?jié)O業(yè)資源量評(píng)估、群落空間分布、保護(hù)性魚(yú)類(lèi)調(diào)查、經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)放流效果評(píng)價(jià)、生態(tài)監(jiān)測(cè)及水利設(shè)施建設(shè)對(duì)漁業(yè)資源的影響等研究[43-48]。

3.4 目標(biāo)強(qiáng)度研究進(jìn)展

漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估中無(wú)論使用回波積分法還是回波計(jì)數(shù)法，魚(yú)類(lèi)目標(biāo)強(qiáng)度都是最重要的參數(shù)且直接關(guān)系到資源量評(píng)估精準(zhǔn)度，目標(biāo)強(qiáng)度的測(cè)定及特征分析研究在漁業(yè)聲學(xué)領(lǐng)域占有極為重要的地位。雖然開(kāi)展魚(yú)類(lèi)目標(biāo)強(qiáng)度的研究工作已經(jīng)超過(guò)70年，很多重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)的目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)定在不同條件下也進(jìn)行過(guò)多次，但受測(cè)定方法、魚(yú)類(lèi)個(gè)體和樣本存活程度等差異的影響，目標(biāo)強(qiáng)度的研究仍在持續(xù)進(jìn)行[49]。隨著測(cè)定條件的不斷完善和測(cè)定儀器裝備的升級(jí)，測(cè)定效率和精度得到了極大的提高。目前，使用多頻段分裂波束換能器的寬帶科學(xué)探魚(yú)儀能夠快速進(jìn)行魚(yú)類(lèi)目標(biāo)強(qiáng)度的頻譜測(cè)量，是魚(yú)類(lèi)目標(biāo)強(qiáng)度特征庫(kù)研究的重要手段。中國(guó)近海經(jīng)濟(jì)魚(yú)種繁多，且在不同海域存在較大的差異性，國(guó)外現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)魚(yú)種目標(biāo)強(qiáng)度研究成果遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足中國(guó)的需求，需要分海區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)性測(cè)定研究和目標(biāo)庫(kù)建設(shè)。中國(guó)最早的目標(biāo)強(qiáng)度研究是Chen等[50]于1990年對(duì)鳀魚(yú)和沙丁魚(yú)開(kāi)展的原位法目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)定。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)已經(jīng)獨(dú)立開(kāi)展目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)定的經(jīng)濟(jì)魚(yú)種(海水和淡水)已超過(guò)20種，測(cè)定方法有原位法、繩系法和網(wǎng)箱法等[51-55]，使用的理論模型有變形圓柱、基爾霍夫射線模型、回轉(zhuǎn)橢圓和有限元/邊界元耦合等[56-59]。大多數(shù)的目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)定研究都是根據(jù)實(shí)際漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估需求而進(jìn)行的，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)資源評(píng)估的精確度。目前，受研究單位少、測(cè)定條件等因素限制，中國(guó)魚(yú)類(lèi)目標(biāo)強(qiáng)度的研究整體水平不高，缺乏寬帶目標(biāo)強(qiáng)度頻譜的測(cè)定研究，仍有大量魚(yú)類(lèi)和重要水生生物的目標(biāo)強(qiáng)度急需進(jìn)行測(cè)定，亟待建設(shè)能夠支持實(shí)際調(diào)查工作使用的目標(biāo)強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 存在問(wèn)題及展望

4.1 中國(guó)漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估研究中存在的問(wèn)題

中國(guó)是世界捕撈量第一的漁業(yè)大國(guó)，具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系。建立一套基于準(zhǔn)確、高效漁業(yè)資源評(píng)估基礎(chǔ)的漁業(yè)資源管理體系，是維護(hù)中國(guó)海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用和捕撈產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。中國(guó)海洋漁業(yè)資源具有經(jīng)濟(jì)種類(lèi)繁多、魚(yú)群規(guī)模相對(duì)較小、南北方海域種類(lèi)與分布特征差異大、內(nèi)陸水域漁業(yè)資源易受江河水利設(shè)施調(diào)控影響及湖泊水庫(kù)生態(tài)環(huán)境資源穩(wěn)定性較弱等特點(diǎn)，而漁業(yè)聲學(xué)評(píng)估方法能夠克服傳統(tǒng)資源評(píng)估采樣站位少、效率低下的缺點(diǎn)，有效提高資源評(píng)估的效率，對(duì)動(dòng)態(tài)把握漁業(yè)資源變動(dòng)、提高生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源管理水平具有重要作用。中國(guó)的漁業(yè)聲學(xué)40年來(lái)發(fā)展趨勢(shì)良好，相比于歐美發(fā)達(dá)漁業(yè)國(guó)家支持TAC管理的較大規(guī)模漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估，中國(guó)對(duì)包括淡水水域的小范圍資源調(diào)查評(píng)估的研究開(kāi)展得更多，基本覆蓋了中國(guó)主要的江河湖海，成為中國(guó)漁業(yè)聲學(xué)的重要組成。但中國(guó)在該領(lǐng)域的研究也存在一定問(wèn)題。

1)漁業(yè)聲學(xué)基礎(chǔ)研究較少，包括對(duì)經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)及重要水生生物目標(biāo)散射特征的測(cè)定，不同鰾室魚(yú)類(lèi)散射理論模型的構(gòu)建，以及漁業(yè)資源的空間統(tǒng)計(jì)理論等。尤其是目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)條件缺乏，缺少能進(jìn)行水生生物目標(biāo)強(qiáng)度高效測(cè)定的專(zhuān)業(yè)水池，以及配套的形態(tài)學(xué)研究用X光攝像裝備。

2)使用的漁業(yè)聲學(xué)調(diào)查裝備和數(shù)據(jù)后處理軟件均為國(guó)外產(chǎn)品，凸顯出中國(guó)漁業(yè)聲學(xué)核心技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)外發(fā)達(dá)漁業(yè)國(guó)家的較大差距。

3)相比于中國(guó)水產(chǎn)大國(guó)的地位，中國(guó)在漁業(yè)聲學(xué)領(lǐng)域的高級(jí)技術(shù)人員數(shù)量較為匱乏，對(duì)漁業(yè)資源調(diào)查評(píng)估的技術(shù)支持嚴(yán)重不足，也缺乏高水平的研究成果，從而制約了中國(guó)漁業(yè)聲學(xué)的高質(zhì)量發(fā)展。

4.2 未來(lái)重點(diǎn)研究方向

根據(jù)中國(guó)在淡水、近岸、過(guò)洋、大洋和極地的漁業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展需求，小范圍水域的高效精準(zhǔn)調(diào)查評(píng)估及基于遠(yuǎn)距離探測(cè)聲吶的大范圍調(diào)查評(píng)估技術(shù)是未來(lái)重點(diǎn)的研究方向。

1)基于無(wú)人平臺(tái)的漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查技術(shù)的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)的海上無(wú)人走航平臺(tái)(無(wú)人船、AUV)技術(shù)發(fā)展迅速，尤其在小面積水域的使用具有非常好的應(yīng)用前景。利用無(wú)人平臺(tái)搭載科學(xué)探魚(yú)儀等聲學(xué)設(shè)備進(jìn)行漁業(yè)資源調(diào)查具有航行噪聲低、采樣效率高、操作簡(jiǎn)單和適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)使用等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)進(jìn)行資源評(píng)估的重點(diǎn)研究方向。

2)高性能聲吶裝備的研發(fā)。大范圍海域的漁業(yè)資源探測(cè)調(diào)查需要大功率全方位電子掃描聲吶、三維多波束聲吶等的技術(shù)支持。研發(fā)新一代全頻超寬帶科學(xué)探魚(yú)儀，支持中國(guó)對(duì)不同品種和規(guī)格海洋生物資源評(píng)估需要也是未來(lái)的研究方向。

3)中國(guó)多魚(yú)種聲學(xué)散射目標(biāo)庫(kù)的建設(shè)。針對(duì)中國(guó)海水和淡水的重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)種，開(kāi)展目標(biāo)強(qiáng)度頻率響應(yīng)的相關(guān)研究，建立目標(biāo)散射特征庫(kù)，為實(shí)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)等水生生物的聲學(xué)識(shí)別奠定基礎(chǔ)。