（声学专业论文）鳀鱼（engraulis+japonicus）目标强度的模型法研究.pdf

鲲鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 目标强度的模型法研究 摘要 声学评估方法是渔业资源评估的一个重要方法。在渔业资源的声学评估中， 鱼类的目标强度是将回声积分值转换为绝对资源量的关键参数，是渔业声学的一 个重要研究内容。本文首先对鱼类目标强度的研究方法进行了综述，然后采用模 型法对鳗鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 的声散射特征、目标强度及其水深依赖性( d e p t h d e p e n d e n c e ) 进行了分析与评估。主要结果如下： l 。通过文献查阅，介绍了鱼类目标强度的定义及其影响因素，并对鱼类目 标强度的研究方法进行了综述。鱼类目标强度的研究方法包括实验测定和理论模 型估算两大类方法。实验测定方法分为现场测定法和受控实验法；模型估算方法 分为鱼鳔模型法和鱼体模型法。本章对这两大类中的主要具体方法进行了扼要描 述，并着重对模型评估方法进行了较为详细的介绍。 2 根据声散射理论和模型近似评估法对黄海鲤鱼的声散射特征和目标强度 进行了数值计算与评估研究。将鱼鳔或鱼体等效成有限规则长度的几何目标模 型，通过无限长度规则目标的散射场估算出有限长度目标模型的目标强度。散射 模型出鱼鳔模型和鱼体模型两个部分构成，其中鱼鳔采用充满气体的椭球体模 型，鳔除外鱼体采用充满液体的椭球体模型。理论数值计算所需参数来自全长 1 2 6 c m 的鲲鱼个体，其鱼鳔尺寸利用x 光照片测得；平均目标强度利用模型算 得的不同角度下的声散射强度与鲲鱼倾角分布函数的卷积计算，其中倾角( 度) 的分和函数设为n ( - 3 9 ，1 2 8 2 ) 。结采表明，鲤鱼对声波的散射具有明显的指 向性：在3 8 k h z 和1 2 0 k h z 工作频率下，鲤鱼的最大背向目标强度分别为- 4 1 2d b 和3 9 5d b ，有效平均目标强度分别为4 8 0d b 和5 1 5 d b ，与实测结果吻合较好。 另外还对鲤鱼的反向散射指向性特征、目标强度的频率特征以及鱼鳔对鲲鱼整体 目标强度的贡献等进行了分析与讨论。以上研究结果表明，模型法作为现场测定 研究方法的重要补充和认知鱼类声学散射特性的有效途径，可在我国鱼类目标强 度的研究中发挥重要作用。 3 根据前述鲲鱼模型基本方法，对鳃鱼的声散射特性和目标强度与其所处 水层的关系进行了数值计算和评估研究。根据波意耳定律对鲲鳔体积与其所处水 深的关系进行了计算，水深取值范围为o m 1 0 0 m ：平均目标强度利用声散射指 向性与鲲鱼倾角分布函数的卷积进行计算，其中鲤鱼倾角分布设为符合参数为n ( 3 9 。1 2 8 2 ) 的正念分布。结果显示，鲤鱼的目标强度具有明显的频率特征和 水深依赖性。在3 8k h z 下，海表鲲鱼的平均目标强度为- 4 8 0 d b ，而在1 0 0m 水 深处则降为5 1 3 d b ；在1 2 0k h z 下，鲤鱼平均目标强度在相同水深范围内从 5 1 5 d b 降为5 6 1 d b 。另外还对鳗鱼最大目标强度、声散射指向性以及目标强度 的频率特征等进行了分析。此项研究增进了我们对鱼类目标强度水深依赖性的了 解，为不同水层鲤鱼资源的声学评估提供了依据。以上方法还可以推广应用于对 鲤鱼相近鱼种的目标强度研究，为我国渔业资源的准确评估提供技术支撑。 关键词：鳗鱼；模型；声散射特性；目标强度；水深依赖性 m o d e l i n gs t u d yo nt h et a r g e ts t r e n g t ho fa n c h o v y ( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) a b s t r a c t a c o u s t i ce s t i m a t i o ni sa l li m p o r t a n tm e t h o df o rq u a n t i t a t i v ef i s hs t o c ka s s e s s m e n t i na c o u s t i cf i s hs t o c ke s t i m a t i o n , t h et a r g e ts t r e n g t ho ff i s hi sak e yp a r a m e t e rt o c o n v e r tt h ee c h oi n t e g r a li n t oa b s o l u t ef i s ha b u n d a n c e h e n c ea ni m p o r t a n tt o p i ci n f i s h e r i e sa c o u s t i c s i nt h i st h e s i s ，m e t h o d sf o rf i s ht a r g e ts t r e n g t hs t u d i e sa r er e v i e w e d ； t h ea c o u s t i c s c a t t e r i n gp r o p e r t y a n dt h e t a r g e ts t r e n g t ho fa n c h o v y ( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) ，i n c l u d i n gt h e i rd e p t hd e p e n d e n c e ，a r et h e na n a l y z e da n de s t i m a t e db a s e d o nam o d e l i n gm e t h o d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 b a s e do nl i t e r a t u r es t u d i e s ，t h ed e f i n i t i o na n df a c t o r st h a tm a yi n f l u e n c et h e t a r g e ts t r e n g t ho ff i s ha r eb r i e f l yd e s c r i b e d ，a n dm e t h o d sf o rt h ee s t i m a t i o no ft h e t a r g e ts t r e n g t ho ff i s ha r er e v i e w e d m e t h o d sf o rf i s ht a r g e ts t r e n g t he s t i m a t i o nf a l l s i n t ot w oc a t e g o r i e s ，n a m e l yt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t m e t h o d sa n dt h e t h e o r e t i c a l m o d e l i n ga p p r o x i m a t i o n m e t h o d s t h e e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t m e t h o d si n c l u d e ns t um e a s u r c n l e n tm e t h o d sa n dc o n t r o l l e de x p e r i m e n tm e t h o d s ； t h em o d e l i n ga p p r o x i m a t i o ni n c l u d es w i m b l a d d e rm o d e l sa n dt h ef i s hb o d ym o d e l s t h i sc h a p t e rp r o v i d e sab r i e fa c c o u n to ft h em a j o rm e t h o d si nt h e s et w o c a t e g o r i e s ， w i t he m p h a s i so nt h ei n t r o d u c t i o no f t h o s em o d e l i n gm e t h o d s 2 b a s e do ns o u n ds c a t t e r i n gt h e o r ya n dam o d e l i n ga p p r o x i m a t i o nm e t h o d ，t h e a c o u s t i cs c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h et a r g e ts t r e n g t ho ft h ea n c h o v yi nt h ey e l l o w s e aa r ee s t i m a t e dn u m e r i c a l l y b yn e g l e c t i n gt h ee n de f f e c t , t h es c a t t e r i n gf i e l do fa f i n i t e s i z e dt a r g e ti sa p p r o x i m a t e db yt h a to f a ni n f i n i t et a r g e t t h es c a t t e r i n gm o d e li s c o m p o s e do fas w i m b l a d d e rm o d e la n daf i s hb o d ym o d e l t h es w i m b l a d d e ri s m o d e l e db yg a s - f i l l e dp r o l a t es p h e r o i d ，a n dt h ef i s hb o d y , e x c l u s i v eo fs w i m b l a d d e r , b yl i q u i d f i l l e dp r o l a t es p h e r o i d m o d e lp a r a m e t e r su s e df o rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s a r eb a s e do na na n c h o v yi n d i v i d u a lw i t hat o t a ll e n g t ho fi2 6c m ，t h ed i m e n s i o no fi t s s w i m b l a d d e rb e i n ge x t r a c t e df r o ms o f t x r a yi m a g e s t h ee f f e c t i v em e a nt a r g e t s t r e n g t hi se s t i m a t e df r o mt h es o u n ds c a t t e r i n gi n t e n s i t i e sa td i f f e r e n ta n g l e so b t a i n e d f r o mm o d e lc a l c u l a t i o na n dt h et i l t - a n g l ed i s t r i b u t i o no fa n c h o v yu s i n gc o n v o l u t i o n t e c h n i q u e ，j t st i l t a n g l e ( d e g r e e ) d i s t r i b u t i o ni sa s s u m e dt ob en ( 3 9 ，1 2 8 2 ) t h e r e s u l ts h o w st h a ta n c h o v yi sah i g h l yd i r e c t i v es c a t t e r e la t3 8a n d1 2 0k h z ，t h e m a x i m u md o r s a l a s p e c tt a r g e ts t r e n g t h so ft h ea n c h o v ya r e - 4 1 2d ba n d - 3 9 5d b ， r e s p e c t i v e l y ；a n dt h ee f f e c t i v em e a nt a r g e ts t r e n g t h sa r ee s t i m a t e dt ob e - 4 8 0d ba n d - 5 1 5 d b ，w h i c ha g r e er e a s o n a b l y w e l l w i t h t h o s eo b t a i n e d f r o m i ns i t u m e a s u r e m e n t s i na d d i t i o n ，t h eb a c k s c a t t e r i n gd i r e c t i v i t y , f r e q u e n c yd e p e n d e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t a r g e ts t r e n g t ha n dt h ec o n t r i b u t i o no fs w i m b l a d d e rt ot h ec o m p o s i t et a r g e ts t r e n g t ho f a n c h o v ya r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tm o d e l i n gs t u d y c a l lp l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nf i s ht a r g e ts t r e n g t hs t u d yi nc h i n ab o t l ia sa ni m p o r t a n t s u p p l e m e n t a r yt e c h n i q u et od i r e c tm e a s u r e m e n t m e t h o d sa n da sa ne f f e c t i v ea p p r o a c h t ot h eb e t t e ru n d e r s t a n d i n go f s o u n ds c a t t e r i n gp r o p e r t yo f f i s h 3 b a s e do nt h ea n c h o v ym o d e ld e s c r i b e da b o v ea n dt h es a m eb a s i cm e t h o d s ，t h e r e l a t i o n s h i p so ft h ea c o u s t i cs c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt a r g e ts t r e n g t ho fa n c h o v y w i t ht h er e s i d e n tw a t e rd e p t ho ft h ef i s ha s t u d i e dn u m e r i c a l l y t h ev o l u m eo ft h e s w i m b l a d d e ri nr e l a t i o nt ot h ew a t e rd e p t hi sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt o1 3 0 y l e sl a w , t h e r a n g eo ft h ew a t e rd e p t hi sc h o s e nf r o m0m t o1 0 0m n u m e r i c a le s t i m a t i o no ft h e m e a ut a r g e ts t r e n g t ha r ec a l c u l a t e df r o mt h es o u n ds c a t t e r i n gd i r e c t i v i t ya n dt h e f l i t - a n g l ed i s t r i b u t i o no f t h ea n c h o v yu s i n gc o n v o l u t i o nt e c h n i q u e ，a n di t st i l t - a n g l ei s a s s u m e dt oc o n f o r mt on ( - 3 9 ，1 2 8 2 ) i ts h o w st h a ta n c h o v yh a sc l e a rf r e q u e n c ya n d d e p t hd e p e n d e n tc h a r a c t e r i s t i c s a t3 8k h z ，t h em e a nt a r g e ts t r e n g t ho fs u r f a c e l a y e r a d a p t e da n c h o v yi s - 4 8 0d b ，b u td e c r e a s e st o 一5 1 3d bw h e nt h ed e p t hi n c r e a s e st o 1 0 0m ；a t1 2 0k h z ，t h et a r g e ts t r e n g t ho f a n c h o v yd e c e a s e sf r o m - 5 1 5d bt o 一5 6 1 d b w i t h i nt h es a m ed e p t hr a n g e i na d d i t i o n , t h em a x i m u mv a l u e ，t h e s c a t t e r i n g d i r e c t i v i t ya n dt h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co ft h et a r g e ts t r e n g t ho fa n c h o v y 玳 a n a l y z e d t h i ss t u d ye n h a n c e do u ru n d e r s t a n d i n go nt h ed e p t hd e p e n d e n c eo ft h e t a r g e ts t r e n g t ho f f i s h ，a n dp r o v i d e da ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h ea c o u s t i ce s t i m a t i o n a n c h o v ya td i f f e r e n td e p t hl a y e r s t h em e t h o d c a na l s ob eu s e df o rt h es t u d yo fo t h e r f i s hs i m i l a rt oa n c h o v y , t h u sp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ea c c u r a t ee s t i m a t i o no f f i s hs t o c k si nc h i n a k e y w o r d s ：a n c h o v y , m o d e l ，s o u n ds c a t t e r i n gp r o p e r t y ；t a r g e ts t r e n g t h ；d e p t h d e p e n d e n c e i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含未获得 1 蕉i 塑遗直基丝霞噩挂别直盟的：查拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 一兰兰兰三竺兰竺叠塑兰三竺二竺二三二! 三一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名： 孑i 丕f 幻 导师签字：毛锄 签字日期：沙7 年歹月；f 日签字日期：2 一哆年, 1 - , 9 3 1 r 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 m 口编： 鲲鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 目标强受的模垫法研究 0 1 研究背景和意义 0 前言 渔业声学是水声学在鱼类资源监测、研究与丌发领域的一个应用分支【“。渔 业资源声学评估是近3 0 余年逐渐发展完善起来的海洋生物资源调查和评估方 法。该方法采用走航式回声探测一积分技术，沿调查航线对表层盲区和底层死区 之外整个水层的鱼类分布及其生物量进行三维定量调查研究，具有快捷、取样率 大而不破坏生物资源等优点，为世界渔业发达国家所广泛采用。我国已成功应用 于黄海、东海鲲鱼资源【刁和北太平洋狭鳕鱼资源调查【3 】渔业声学已成为渔业资 源评估乃至大海洋生态系统监测的重要手段和工具【4 】，对我国海洋渔业资源监测 和调查有着重要意义。 在渔业资源声学评估工作中，鱼类的目标强度是将回声积分值转换为绝对资 源量的关键参数( 参考1 2 2 节) 。所以目标强度值的准确与否将直接影响资源评 估的准确性。目标强度( t s ，d b ) 是描述鱼类对声波反射能力的一个物理量( 5 】【6 】。 随着渔业声学的不断发展，人们越来越意识到鱼类有效目标强度并非一个恒定不 变的常量，不同的测定结果会对资源量呈现很大的差异。研究鱼类目标强度的这 种动态性质对渔业资源评估有着重要的意义。 鱼类的目标强度研究方法，可分为目标强度的测定方法和目标强度的模型估 算法。目标强度的测定方法又可分为受控试验法( i m m o b i l ef i s h ) 和现场测定法 ( 如s i t u ) 。这两种方法虽具有一定的优越性，但不易操作，灵活性差。目标强度 的模型估算法是根据鱼的生物学特性把鱼体近似成为一些简单的有效几何模型 进行目标测定。该方法可以根据鱼的结构特点等效成规则的近似模型，具有灵活、 简单的特点。 国外对鱼类进行了大量的模型研究，并进行了声散射的相关计算，r a y l e i e , h 最早提出球体模型；f u r u s a w a 8 】对有鳔鱼种建立了用软体椭球模型代替鱼鳔，用 流体椭球代替无鳔鱼的椭球体模型。s t a n t o n “建立了把鱼等效为有限长的流体 柱体、弹性柱体、形变柱体的模型。与国际发达国家相比，我国现在对一些鱼类 目标强度的现场测定方面做了一些研究，并且已取得一定的成果，如先后对东海 鲤鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) g 标强度的模銎法研究 鲤鱼1 2 1 、白令海狭鳕鱼2 】以及带鱼【1 3 】的目标强度进行了现场测定研究，取得了 很好的结果，为这些鱼种的定量评估提供了依据。赵宪勇在1 9 9 6 年曾利用大型养 殖网箱对大西洋鲱鱼进行6 个月的探测，2 0 0 4 年，在现场条件下对的目标强度与 深度的相关性进行了研究，得到鲤鱼目标强度与深度的关系很好的满足b o y l e 定 律。但目前国内对目标强度的模型研究还很少。 鲲鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 是我国近海资源量最大的一种小型中上层鱼类， 是黄海生态系的关键鱼种忉，它在黄海生态系统中起重要承上启下的枢纽作用。 鲲鱼资源的定量评估是借助声学方法实现的，2 0 0 5 年启动的国家资源科学基金 “鲲鱼目标强度的时空变化及其对资源评估的影响”( 4 0 4 7 6 0 2 1 ) 将其确定为研 究对象。本论文以此基金为支撑，通过对鳃鱼目标强度声学建模，研究鲤鱼目标 强度及其空间变化。其目的是： a 确定模型法在目标强度评估研究中可作为现场测定方法的有效补充，为揭 示和认知鱼类声学散射特性提供了一个灵活、实用的有效途径。 b 提高资源评估的准确性，为模型法在鲤鱼相近鱼种的声学评估研究中的推 广和应用奠定基础。 0 2 论文的主要内容 本论文主要构想是对鱼采用短轴截面为圆形的椭球体模型】【1 4 1 ，通过对鱼各 组织器官及鱼体倾角的研究。利用目标在声波中的散射方程( 理想流体媒质中小 振幅声波的波动方程) ，计算散射声场，再通过一些研究成果及实验，综合分析 鱼整体的目标强度及由鳔的压缩引起的目标强度随深度的变化规律，本论文核心 内容分为以下三部分： ( 1 ) 简要概述目前国内外的研究成果，介绍鱼类目标强度的评估方法，并对 各种声学评估的方法进行概括和总结。 ( 2 ) 主要介绍利用海水表层鲤鱼的简化模型，计算部分及其整体的目标强度 和声学特性，并对鱼体倾角分伽引起声散射截面的变化进行探讨。 ( 3 ) 通过建立的模型围绕水深对鲲鱼目标强度的影响展丌综合研究，建立 了包括各相关参量的目标强度模型，研究随水深的变化，揭示鲲鱼目标强度的声 学属性和空间变化规律。 鳗鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 8 标强度的模銎法研究 参考文献 i 赵宪勇，金显仕，唐启升渔业卢学及其相天技术的应h j 现状和发展前景9 9 海洋高 新技术发展研讨会论文集( 干，占雄主编) ，海洋出版卒十，北京，2 0 0 0 ，p p 5 5 - 6 2 2朱德山，i v e r s e ns a 。陈毓桢，千为祥，孟田湘，李富国，马绑赛，邱显寅1 9 9 0 萸、 尔海鲢鱼及其他经济鱼类资源卢学评伟的凋壳研究海洋水产研究，1 l ：1 5 5 3 赵宪勇，陈毓桢狭鳕( t h e r a g r a c h a l c o g r a m m a p a l l a s ) 目标强度的现场测定j o u r n a l o f f i s h e r ys c i e n c e so f c h i n a v 0 1 3 。n o 4d e c ，1 9 9 6 4 t a n g , q ，x j i n , x ，1 9 9 9 a c o u s t i ca s s e s s a n c n t 勰龇a v a i l a b l et e c h n i q u ef o r m o n i t o r i n gt h el i v i n gl g $ o u l c 6 镕o fl a r g em a r i n ee c o s y s t a n b i ns h e r m a n , k ，a n dt a n g , q ( o d s ) ，1 9 9 9 l a r g em a r i n ee c o s y s t e m so f t h ep a c i f i cr i m ：a s s e s s m e n t , s u s t a i n a b i l i t y , a n d m a n a g e m e n t b l a c k w e l ls c i e n c e ，m a ，u s a 3 2 9 3 3 7 5 u r i c lr j p r i n c i p l e so f u n d e r w a t e r s o u n d f o r e n g i n e e r s m c g r a w - h i l l ，n e w y o r k ，1 9 8 3 6m a e l e n r m nd n a n ds i m m o n d se j ，f i s h e r i e sa c o u s t i c s m l o n d o n ：c h a p m a n & h a l l ，1 9 9 2 ， 5 5 p p 7 唐启升，苏纪兰2 0 0 0 中国海洋生态系统动力学研究i 北京：科学出版社，1 2 5 2 8 f u m s a w a ，m p r o l a t es p h e r o i d a lm o d e l sf o rp r e d i c t i n gg e n e r a lt r e n d so f f i s ht a r g e ts t r e n g t h ，j a c o u s t s o c j p n ( e ) 1 9 8 8 ，9 ：1 3 - 2 4 9 s t a n t o n , t ks o u n ds c a t t e r i n gb yc y l i n d e r so ff i n i t el e n g t h i f l u i dc y l i n d e r s j a c o u s t s o c a m 1 9 8 8 ，8 3 ( 1 ) 。5 5 - 6 3 1 0s t a n t o n , tks o u n ds c a t t e r i n gb yc y l i n d e r so ff m h cl e l l g i l l i i e l a s t i cc y l i n d m j 。a c o u s l s o c a m 1 9 8 8 ，8 3 ( 1 ) ，6 4 - 6 7 l l s t a n t o n t ks o u n ds c a u e d n gb yc y l i n d e r so ff i n i t el e n g t h h i d e f o r m e dc y l i n d e r s j a e a n s t s o c a m 1 9 8 9 ，8 6 ( 2 ) ，6 9 1 - 7 0 5 1 2 赵宪勇陈毓桢李显森等多种类海洋渔业资源声学评估技术和方法探讨。海洋学报， 第二十而卷，增刊l ，2 0 0 3 6 1 3 z h a o 。x i ns i r et a r g e t - s f f e n g t hm e a s u r e m e n to f y o u n gh a i r t a i l ( t r i c h i u r u sh a u m e l a ) i nt h e y e i l o ws e a i c e sj o u r m a lo f m a r i n es c i e n c e 2 0 0 6 。6 3 ：4 6 5 l 1 4g o r s k a , n a n do n a ，e m o d e l l i n gt h ea c o u s t i ce f f e c to f s w i m b l a d d e rc o m p r e s s i o ni nh e r r i n g i c e sj o u r m a lo f m a r i n es c i e n c e 。2 0 0 3 6 0 ：5 4 8 5 5 4 鲢鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 黾标强度的模型法研究 1 鱼类目标强度的研究方法 渔业声学是水声学在渔业资源监测、研究与开发领域的一个应用分支】， 在鱼场探察、鱼类的洄游和分布等方面逐渐得到发展和应用。回声积分仪的成功 研制【3 1 ，实现了沿调查航线对全水层回波信号的积分，从而使得渔业资源的声学 调查工作逐渐进入定量研究阶段。伴随着双波束式和分裂波束式科学探鱼仪的出 现【4 5 1 ，渔业声学逐渐成为海洋生物调查研究工作中的一项重要技术手剐6 】。 鱼类的声学目标强度是将回声积分值转换为绝对资源量的关键参数。2 0 世纪 7 0 年代l o v e h 曾对鱼类的目标强度的研究方法进行过评述；随着渔业声学和鱼 类目标强度研究方法和新技术的不断发展，e h r e n b e r g 【8 】和f o o t e 9 又先后予8 0 年 代和9 0 年代对鱼类目标强度的研究方法进行过综述。 本章在广泛查阅相关参考文献的基础上，对鱼类目标强度的评估方法进行综 述，作为本文研究的基础。 1 1 目标强度概述 1 1 1 目标强度定义 由于鱼体各组织、器官的声阻抗率与海水介质的声阻抗率不同，声波在遇到 鱼体时便产生散射，其中反向散射回换能器的分量被换能器接收，使声学探鱼成 为可能。鱼类的目标强度搭是描述鱼类对声波反射能力的一个物理量，它以回 波强度与入射波强度之比来度量，其定义为f o ”】 嚣= l o l o g ( 1 l 1 0 )( 1 1 ) 式中，。是回波离鱼体目标声散射中心l m 处的声强度；l 是入射声波的强度。 在利用探鱼仪进行鱼类探测时，换能器垂直向水中发射声波，通过反射声波 来探测鱼类。对远距离目标探测，换能器可看作点源，则声波可视为球面波。如 果，是回波在离鱼类目标r m 处的声强，则川 ， ，= ( 卅4 万) 萼 ( 1 2 ) ， 其中，仃代表鱼类的声学散射截面，单位平方米( r e 2 ) 。由方程( 1 1 ) 和方 程( i 2 ) 可得鱼类目标强度的基本表达式为： 4 醍鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 目标强凌的模型法研究 t s = 1 0 1 0 9 ( t y 4 1 t ) ( 1 3 ) 其中，搭的单位为分贝( d b ) 。事实上，式中t y 是一个意义具有更加明确 的物理量，可以将其理解为鱼体对入射声波产生散射的等效面积，为渔业声学中 的。 1 1 2 影响目标强度的主要因素 影响鱼类目标强度的因素主要有两个方面，一是作为声散射体的鱼体各组 织、器官的声学特性；二是影响鱼体反向散射特征的鱼类行为，主要指鱼类的倾 角分布。目标鱼对声波的反射能力主要取决于鱼体各组织、器官的密度和海水介 质密度的差异。鱼体的组织、器官大致分为：骨骼、肌肉、内脏以及有鳔鱼种的 鳔。其中鳔内气体与海水的密度差别最大，因而对有鳔鱼种而言，鳔是鱼类反射 声波的主要器官，9 0 9 5 的反射声能来自鳔的贡献1 1 2 1 。因此作为声波的反 射体，鳔的有无是决定鱼类目标强度高低的首要因素。肌肉和内脏的声阻抗与海 水的声阻抗相差较小，对目标强度的贡献也相对较少【1 3 】；一般情况下，有鳔鱼 类比无鳔鱼类的目标声强度平均高1 0 - 1 2d b 左右【1 4 】。由于鳔对鱼类目标强度的 重要性，鳔的体积与形状以及其它影响鳔的体积与形状的因素如与鳔共处于鱼类 腹腔的性腺发育程度和胃饱满程度等均可成为影响鱼类目标强度的因素【1 5 , 1 6 。 另外，鱼体相对换能器的位置倾角是影响鱼类目标强度的另一个重要因素， 在鱼类资源调查中，大多数换能器发射声波的频率是高频，目前常采用3 8 k h z 或1 2 0 k h z ，发射声波的波长分别为3 9 r a m 和1 2 5 m m 。小于调查鱼体的长度或与 其相当，使得鱼的散射声波具有指向性。于是在不同的倾角下，散射声波的回波 强度不等，从而影响鱼的平均目标强度。 1 2 目标强度的评估方法 鱼类目标强度的评估方法包括对目标鱼类的测定方法和利用声散射理论计 算的模型估算法两大类【r 丌，如图1 1 所示。测定方法中，根据测定对象( 鱼) 所 处的环境和状态又可分为受控实验法【18 , 1 9 | 和现场测定法【s 1 。受控实验法分为绳系 法( d e a do rs t u n n e df i s hh e l db yt h i nw i r e s ) 和网箱法( 1 i v ef i s hi nc a g e s ) 。绳系法是 利用细尼龙丝将击晕( 或麻酐) 或击死的单个鱼体系缚于换能器波束内对其目标 鲤鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 目标强度的模銎法磅究 强度进行测定；网箱法则是对置于网箱内的单尾或多尾活鱼进行测定。现场测定 法是指在海上调查期问利用船载声学探测仪器对处于自然行为状念下的鱼的目 标强度进行测定，受控实验法则是对捕获的鱼在实验控制条件下的测定。现场测 定中根据测定技术的不同可分为矧接测定法和直接测定法。间接法是渔业声学发 展初期，利用单波束技术对鱼类目标强度进行测定。由于单波束技术无法确定测 定目标在波束中的位置，需要结合统计方法去除波束指向性因素的影响，因此该 方法仅能给出所测鱼类的平均目标强度值，而不是对每一测定目标的目标强度直 接测定，因此称为间接测定。随着双波束换能器技术【2 0 l 和分裂波束式换能器技 术【5 1 的出现，可以利用不同波束检测到的回波信号计算反射目标在波束中的位 冕，从而对换能器的指向性进行补偿，实现对单个鱼的目标强度的直接测定。因 此上述“多波束”鱼类目标强度测定方法属直接测定法。 除以上测定方法外，还可把声散射体近似为简单的几何模型，利用声散射理 论来评估鱼类的目标强度。该类近似模型包括鱼体模型和鱼鳔模型。鱼体模型主 要用于无鳔鱼种；鱼鳔模型利用鱼体的目标强度主要来自鳔的贡献，把生物体的 目标强度用鱼鳔的模型来估算。另外还有一种利用鱼鳔的实际尺寸与形状进行目 标强度理论计算的方法，称为实测模型法。 幽1 1 鱼类日标强度测定方法的分类 6 鲲鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) s 杯强寰甑模型法研究 1 2 1 受控实验测定法 1 2 1 1 绳系法( d e a do rs t u n n e df i s hh e l db yt h i nw i r e s ) 绳系控制实验法( 如图1 2 ) 是在一特制实验装置下，用细尼龙丝绳在头尾 两端系住击晕或击死的鱼，将其置于波束声轴上对其回波信号进行测定。该类实 验装鬓可通过调整悬挂鱼体的两条尼龙线的长度来改变鱼体相对于换能器表面 的倾角，测定不同入射角下鱼体的回波信号强度，从而对鱼体的声反射指向性进 行测定【2 1 2 2 2 3 1 。 换能器 幽1 2 绳系法测量目标强度装置。( 1 ) 悬挂鱼的细线；( 2 ) 升降装置； ( 3 ) 倾角控制系统；( 4 ) 两个换能器。( 引自m a c l e n n a nc ta l ，1 9 9 2 ) 在初期的研究工中，l o v e l 2 啦5 采用绳系法在1 5 k h z 1 0 0 0 k h z 工作频率范围 内，对1 4 个科鱼类的目标强度进行了测定研究，提出了目标强度与鱼体的体长 l 和声波频率厂的经验关系模式【i 】： t s = 所l o g + 口l o g + 6( 1 4 ) 式中，m ，a 和b 是回归系数。l o v e 试图将不同声频下不同鱼类的目标强度用 一个经验公式( 如式i 4 ) 来表示。此后的研究发现，鱼类的目标强度远较早期 人们想象的复杂，很难以一个公式应用于所有种类。但该研究结果表明，鱼类的 鲤鱼( e n g r a u l i s j a p o n i c u s ) 目标强瘦的模銎法研究 目标强度与鱼类的体长和声频均密切相关，为其后的相关研究指明了方向。 随后，n a k k e n 和o l s e n f 2 3 1 利用绳系法，在声学调查常用工作频率3 8 k h z 和 1 2 0 k h z 下测得了不同入射角下鱼体的目标强度，极大丰富了人们对鱼体反射声 波指向性的认识。 1 2 1 2 网箱法( ii v of is hinc a g e s ) 网箱法是受控实验法( 如图1 3 ) 测定目标强度的重要方法。该方法是把活 鱼置于一个由细尼龙丝编制的近乎声学透明的网箱里，然后把网箱悬挂在换能器 的光束中，利用回声积分即可求得鱼类的平均目标强度。该方法中鱼的面积分布 密度p 已知；平均回声能量e 和回声积分值可以利用回声积分系统测得。这 些物理参数与回声散射截面孑成线性关系f 9 】 e = c i 户盯( 1 5 a ) j j = c 2 p c r ( 1 5 b ) 式中，c j 和c 2 声学仪器常数，可通过仪器校正测纠2 6 】。由式( 1 5 a ) 或式( 1 5 b ) q b 任何一式可解得孑，从而根据式( 1 3 ) 求出t s 。 幽1 3 网箱法测龉目标强度装蓝t h er e f e r e n c et a r g e t 趋对鱼i 亓| 波的校准，网 箱直径是2 米高度l 米换能器卜5 米的标准设置( 引白m a c l e r m a n 烈a 1 1 9 9 2 ) b 了if佃f-i赢， 鳗鱼(