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浮游生物检测：声学和光学成像1. 介绍2. 物理学；物理现象2.1 浮游动物声学检测 2.2 水下光学成像的原理3. 应用：关于系统关联实时检测 3.1 检测浮游动物的声学系统 3.1.A 单频系统 3.1.B 多频系统 3.1.C 宽带系统 3.1.D 探讨浮游动物的实时声学监测 3.2 浮游动物的光学成像 3.2.A 视频浮游生物记录器3.2.B 动物园可见系统 3.2.C 水下视频分析系统 3.2.D 3D浮游动物观测台 3.2.E 探讨浮游动物实时成像 3.3 浮游植物光学成像 3.3.A 全息成像 3.3.B 流动凸轮 3.3.C FIDO- 4. 声学和光学的结合5. 总结和结论 1.介绍： 浮游生物群体是普遍存在的，是多种多样的生物体的集合，浮游生物在海洋生态结构中扮演重要角色。浮游植物的光合作用将在本书中的其他章节中讨论，它支撑着海洋食物网络和改变海洋中营养物质和二氧化碳的生物化学循环。浮游动物作为单细胞浮游植物的主要产物和更高的营养级别如海洋鱼类之间的联系，它们中的许多被商业开发了。环境和生物因素控制的海洋生物群落的种群数量是海洋学的中心目标。明白有时空解析度增长的浮游生物有机体的数量、动态和相互作用的重要性已经促使了经过改进的观察和量化它们的传感器的发展和应用。在本书中的有记录的有害藻类水华通过消耗营养物质，毒素和缺氧环境的产生来对海洋生态环境产生显著影响，这种影响是有害的。精密装置和食物链如何变化是很有意义的。在这里，我们考虑发展技术带着终极目的来研究和理解HABs可能减弱它们的影响。就有害藻类水华和浮游动物而言，弄清楚有害藻类水华对浮游动物的影响和浮游动物对有害藻类水华的影响是有必要的。尽管我们有很多东西要学习，但是Turner 等 (2000) and Buskey(2003)在这个领域的早期工作已经帮助我们确定了浮游植物和浮游动物之间的关系，对于将来的工作也留下了很多问题。在这个章节中所描述的一些技术对阐明这种生态系统有益的方面是很有用的。这篇文章为读者提供声学技术的一种现代观点，声学技术已经为监测浮游动物而有了发展。另外，提供了一项关于浮游动物和浮游植物水下成像的调查。大纲首先提出了来自浮游动物反射回的声波的基本物理学观点。随后介绍了光在海水中的传播和它与水下光学成像的特别关联。为了使读者知道潜在的物理规则和环境原则提供了背景信息。本文系统呈现了许多现代水下声学和光学系统的例子。这些系统从常规商用的现成技术到独一无二的设备可能在某一天过渡成为常规的海洋设备。正如在下一章中论述的，事实上没有观测海洋浮游动物完美的技术。光学技术可产生最高的分辨率，同时提供易于被人工识别的数据，这基于我们视觉观测的大量的经验。声学技术使得对更远距离内的这些动物成像成为可能，然而这种技术受到缺乏明确性，散射强度的直观基础和缺乏散射函数多维特性的知识的限制。在最基本的水平上，已经应用了很多年的牵引网技术在物种鉴定方面提供了最高的观测精度，然而它也遇到了不可避免的问题，不能利用非侵扰的方式观测某一类动物，不能得到动物的尺寸和游速的差别。总的说来，这三种技术是观察浮游动物的标准方法。每种方法都有显著优点和显著缺点。然而这些方法可以形成互补。至于声学，由于它便于产生、记录和处理，检测浮游动物的声学技术已有广泛应用。已经写出声波被海洋中的生物体散射的几种好的调查，这些调查使得监测浮游动物技术有了发展。另外，已经有教科书包含了声学在渔业评估中的应用。一本关于声学海洋学的书，用声学的基本物理原理和声波在海水中传播的基本物理原理阐述了渔业声学和浮游动物声学。至于光学，曾经快速发展的先进的记录、处理和算法技术已经催生出新一代光学浮游动物观测装置。最近的一本书和对浮游动物观测技术的回顾说明许多现代系统是可用的。一些有意义的读物是指那些具有更多信息的文章，或者具有与其它文章不同的观点的读物。2.物理现象在这一部分中，我们将回顾声音从生物体上反射过程的基本物理原理，着重介绍在检测浮游浮游动物方面的应用。接下来回顾光线传播、散射的性质和水下成像的基本原理。2.1浮游生物的声学检测的基础为了弄清楚在评估浮游动物的分布、丰度、行为时使用声纳的可能性，应该考虑现代声纳系统的一般原理。在图一中所述的设备是由发射和接受声纳信号的电子装置组成的。然后将这个设备连接到一个将电子信号转换成声波的转换器上。然后这个声波传播到一种媒介上，这种媒介能将声波衰减和散射。从有用的生物体反射回来的声波从压力波转换成了电信号，然后记录和分析。 图一： 用来记录来自浮游动物的反射波的声纳系统的基本组成考虑到声音的产生和接收，有些标准文本讨论了声纳系统和它们使用的基本物理原理。简单的说，声纳装置是标准精确的工具，通过它能够确定动物的食物。将反射回的声波强度（I）和声功率联系在一起的单一频率的通用的计算公式如下，这个声功率是一个全方位声源以瓦特的形式向距离声源r距离的单个目标传播的。= （1）在这里，a是对特定频率的吸收系数（通常只认为是水的状态的函数），值的是声截面（单位是m）。接收器上的压力大小可以通过强度和压力之间的关系来计算得到。由于压力是随时间变化的量，压力（P）是一个非常重要的变量，它通过下式和平均强度联系在一起。= (2)这时，压力单位是帕斯卡，媒介（水）的密度单位是kg-m 。c是声音在媒介中传播的速度，单位是m-s。用一种简单的方式能够解释非全方位声源是可行的。这个等式说明了大部分遥感系统的一般特征，已经产生的辐射是以指数形式衰减的（由于吸收），辐射是以球形扩散的（能量保存的结果）。尽管等式（1）是非常直观的，但是大部分声纳工程师更喜欢把等式写成指数形式并且参考micropascals声源级。有益的读物是指描述细节的标准文本。最重要的参数是目标强度（TS）和声截面之间的关系。关系如下式：TS = 10 (3)我们可以发现对TS来说，这是一个指数形式。我们也注意到目标强度和被目标散射部分的声音强度有关系，关系为下式：TS = 10 log (4)I和 I分别是声波的入射强度和反射强度。一个非常重要而经常被忽略的细节是入射面是在生物体上的。然而，反射面通常是在一米范围内的。也许考虑TS的最直观的方法是把从目标反射回的声波的部分能量写为对数的（以10为底）形式。-60 dB的目标能量意味着入射到目标上的10的能量将被反射回来。由于这个值是大型浮游动物的典型值，动物原位反射率特性描述会成为一个具有挑战性的尝试。 在许多情况下来自单个动物的反射不能被识别，声纳系统是在一种被称为回音集合（echo integration）的模式下工作的。在这种模式下，记录的能量是来自声纳束中各种生物体的反射的能量。散射类型的多样性越高，数据解释就越复杂。在最困难的情况下，可以建立经验关系将综合能量与动物数量联系在一起；然而他们的正确性需要通过辅助方法来确定，如牵引网。 更一般的方法是把散射函数（用是为了使其后边提到的光学理论相一致）看作是与入射和反射声波有关的目标的方向函数。图2a展示了在最一般的结构，这是一个4维函数。因为这个函数太复杂，一些简单的类型可用来降低函数的维数。在一个普通的模式中，声源和接收器是并列的，如图2b所示。这被称为收发合置装置，这也是到目前为止用来测量来自动物的反向散射最为普通的方法。假设声源和接收器并列，只留有两个剩余自由角度；动物的方位（，）。图2：（a）四位散射函数（，）的几何原点的说明。角（，）和（，）分别是固定动物方位的并列框架之间的角度和入射角与反射角。和分别是极性角和方位角。（a）所示为收发分置的装置，（b）所示为收发合置装置（=，=）。 浮游动物散射的最早的理论模型之一是充满流体的球体，是由Anderson于1950年创建的。这个球形对称函数是作为等效球体半径r和入射声波的波数的函数来计算的，k=2/。然后，考虑到了所要研究的生物体的相关对称性和声学性质，声学反向散射越来越复杂的模型逐步形成。因为浮游动物呈现出身体形态和组成部分有很大变化的特性， 甚至一些典型的散射函数的测量都有很大的挑战性。另外，弄清楚它们的gle-dependent scatter,hopefully in-situ也很复杂。在某种意义上，由于这些事实，为浮游动物散射建模已经成为一种重要需求，我们希望这个模型能够填补测量的需要和统一任何给定的声学实验的需求之间的空白，这些声学实验是为了弄清楚考虑之中的物体的组成。在一个已经有很多研究的领域中，来自瘦长的充满流体的物体的散射模型已经形成。这些努力的主要目的在于弄清楚来自磷虾的散射。在近十年的一系列文章中，Stanton和他的同行已经建立简单的或更复杂的模型，以此来弄清楚来自生物体的散射。近期的一个回顾总结促使和展望了来自生物体散射的模型的建立。举一个例子，图3所示为声学反向散射目标强度的图表，k=（等价半径和波长的比值再乘上），变形不固定的圆柱体作为动物方位的函数。这个图表是通过假设材料组成的两个重要参数得到的，这两个参数分别是：动物密度对比度（动物密度和周围水的密度的比值，g=1.06）和音速对比度（动物中的音速和周围水中的音速的比值，h=1.06）。这些参数的乘积gh称为声阻抗（类似于光学中的折射率）。更大的声阻抗比差值导致了更高的反射率（类似于光学中的反射率）。这些假定的参量值随后会被确认。 图3：反向散射目标强度（TS）与Stanton的由Demer按照420khz计算的变形圆柱模型这个图表清楚地显示了在陡峭区域的转变，在这个区域中，kr方向上一个小的增长就会导致散射（大约和提高到第四能级的入射频率f成正比）有一个很大的增长，对于一个更平缓的区域，在这个区域中，渐近线的斜率趋于20（由于基于多截面积）.。前一个区域被称为Rayleigh状态，更大的kr区域被称为几何学的或几何学图形的散射状态。零点或低反向散射的深层区域是由于身体不同部位的相互干扰造成的。大部分系统设计者热衷于检测信号类型来试着调谐它们的波长，这就使得kr大于或等于原来的值，这致使由于吸收而有最小值衰减的能量（看下边的对多光谱成像的讨论）得到有效利用。同样的，kr=1的点经常成为系统设计的目标。例如，考虑一个长为1.13mm等价球形半径r=0.2的桡脚类动物，kr=1意味着应该使用波长=1.25nm的波，或者频率（假设f=1500m/s）为1.2Mhz的波。等价球形半径是r的这个球形模型很好的匹配了来自于更复杂生物体的观察频谱。这是因为，动物的低反向散射目标强度与很少在探测小生物体时使用的低频率声纳的声波波长关系不大，除非微小生物体的数量很大。有兴趣的读者应该注意到许多目标强度的曲线是降低的目标强度，降低的目标强度是从显示的量中减去10logL。在这里，L就是动物的等效长度，一个类似于等价球形直径的数说明了在作为动物长度函数的目标强度上的系统性的改变。考虑到各种各样的浮游动物，很显然，需要考虑大量的形态特性。浮游动物包含超过30种不同的体型的正面图的类群。一些更重要的类群是甲壳类的浮游动物，凝胶状形式的浮游动物，有硬壳的动物，有气体包裹的浮游动物。当然，有些特殊种类的动物可以用来预测反向散射，然而，每种声波反向散射预测的情况可能依赖于动物的形态和它的细节。动物种群的组成将会根据生理状态，脂肪储备和可能的其它环境因素而发生改变。当然会存在确定现存的模型对海洋中的浮游动物种类的是否适用的开放式问题。Griffiths等人注意到几种已经被考虑过的动物声波散射模型。流体像(磷虾，桡足类)，有硬壳的动物，有气体包裹的动物（管水母类动物）。在有气体包裹的动物的情况下格外复杂，因为对气泡来说会有共振。然而即使远离共振峰，充满气体的杂物的存在将会产生一个大的反向散射的角度。图4 简要说明了使用各种各样散射模型来计算目标强度的比较。这个图表对于不同的动物集合体来说，光学衍射与动物数量或生物量成比例是不可能的简单说明变得很清楚。最近一个因过于简单化的方法而产生困难的例子中，在一个给定的试验场中来自于pterapods的散射决定声学反向散射，即使这个场仅包含个体的0.1。这些事实与Stanton 等人的模型和测量值一致。来自一个21.8mm的十足类虾的频率相依衍射与一个1.9mm的腹足类动物的频率相依衍射在大小上及其相似。作者觉察到每单位数量的2mm长的腹足类动物的回波能量是樽海鞘的19000倍。当然，也强调对附加的取样方案如牵引网和在下面讨论的动物光学成像的需求。图4：一组描述基于频率（动物类型的函数）的反向散射目标强度的曲线几十年来，被Holliday广泛思考的一个重要的选择是使用interrogation成倍的频率（窄频带）。因为反射能量基于来自动物的散射频率的近似线性叠加，假如个体散射函数是线性无关的，原则上，可以用反转的方法计算各组成部分的贡献。作为这个工作的一部分，倒置是不合适的，然而，通过明确约束解决方案，证明计算不同散射体的相关贡献是有可能的，甚至在欠定的系统中也是这样。这种技巧的功能是已经被选择的频带和粒子的等价球形半径的函数。选择不好的频率可能会导致反向不可能实现。而一个好的选择将会使其成功。Greenlaw and Johnson通过收集倍频反向散射数据将数学理论和计算动物数量（是动物品种的函数）的反转问题联系在一起。进行常规调查的尝试中应该考虑的更复杂的问题是由在反向散射上的动物方位的影响。图5所示的为来自磷虾（当动物方位从朝前变为侧看时记录数据）的反向散射的计算模型的对比结果。数据说明垂直于声波方向的有效横断面积的增加会大大减少迎面的角度（0）相对于侧面90和270。此外，倾斜角有一个小的改变，这种影响将会很大，从而使大量的反射能量有一个大的变化。由于这个领域中对那些没有气体包裹的瘦小动物来说的这种会影响是非常严重的。最近Warren 等的研究确认了这些观察结果，并将它们延伸到带壳生物体弹性的研究。关于动物方位和行为的知识的增长是使回声测深器观测结果具有更高精确度的先决条件。图5：反向散射强度（圆点）的实验室测量和在120khz时对南极麟虾的模式预测（实线）在考虑用来观测动物的普通方法时，我们注意到有两种传统的方式来进行声纳研究：回音合成和回音计数。在回音合成模型中，反向散射的大小被记录下来和使用单个频率或倍频反演来估计动物数量。在回音计数模型中，来自单个动物的反射被记录下来和通过多种痕迹推测动物数量。事实上，当动物密度变大时，回音计数就会出现问题，这是因为许多回声会导致回音计数技术“饱和”和个体痕迹不可辨别。在这种情况下，记录的声音的总的能量与的动物的丰度有关。这种关系形成了渔业数量估计的基础，有大量的文献来论述这种方法，在各种操作条件下，需要不同类型的修正。用来估计浮游动物数量或行为的声学系统的使用还有很多因素需要解决。在物种多样性较低的环境中，声学反向散射数据的解释会被大大简化。然而，数据的解释仍然需要考虑动物的尺寸和方位。在真实世界的许多情况下，动物物种的多样性会很高，因此，当伴随着促使反射能量的解释的其它方法时，声学是最有价值的。可用牵引网（避免相关问题）来实现动物识别，或者使用光学成像的办法。对于相关问题（small interrogation volumes，动物对光的反射）光学方法有自己的装置。在接下来部分将讨论光学成像的用途和观测浮游动物的实现。2.2 水下成像的原理光线在水下传播的基本原理和它的分支水下光学成像已经提到几次了，用来水下传感，探测，探索的光学成像系统的应用是潜水员或者潜水爱好者老生常谈的，他们对水下景色感到惊奇。从Siebert Duntley先前的工作开始，许多研究者加入到了发展水下成像技术的行列中，Siebert Duntley起初在麻省理工学院，后成为斯克里普斯能见度实验室主任。最近，Jaffe 等评估了水下光学成像的当代社会地位。简单的说，新的实惠的光学元件的现代革命促使水下光学有机会创造出全新一代的水下光学成像系统。在一个基本层面上，通常分为被动成像和主动成像。在被动成像的系统中，成像器件不照亮物体。因此，需要其他的光源或环境反射光或者其他的。在主动成像系统中，成像器件自身能够发光。尽管被动系统比主动系统对环境具有更小的侵入性，除了在最清澈的水中，这种系统不适用于浮游生物的成像。这种情况是有可能发生的，因为这些动物在透明环境中有保护，或者很难被看见，这是为了躲避捕食者。因此，在任何情况下，光学观测水下浮游生物的成像系统都用主动照明光源。这个光源可以是连续波照明光源，如：水下闪光灯，频闪灯光，或者其他类型的激光器（脉冲形式的或连续形式的）。多种这样的系统将会在应用部分提到，首先提到的是一些物理现象。水下光线的传播根据辐射原理是沿着径直的路径的。简单说，在给定的位置和时间，辐射亮度是光传播的三维方向上的强度。给定的辐射亮度是辐射的状态变量，辐射分布（也考虑极化）描述所有关于光学实验可知的东西。因为这个量是空间的，实时变化的，它的测量为水下仪器设计者带来了很大的挑战。在这本书(Morel;Lewis)的类似章节中，设计许多传感器使得这个量或它的一个瞬时值可以被测量。照相机通过整合照相机中每个像素上的辐射强度测量辐射能量。通过把图像不同部分分类来实现对水下照明系统的性能的理解的极大简化。图6所示为人造光源产生的光经历的几种命运;(1)被介质水或物体吸收，（2）被介质水散射，（3）来自物体反射，（4）被目标反射后在介质水中发生散射。许多水下成像系统的目标是使（3）的贡献最大化，同时使（1）（2）（4）的影响最小化。图6：水下成像系统的原理图和由一系列补偿光产生的图像的组成部分描述光传播的环境参量决定我们所看到的图像的好坏程度。这些参量是水的吸收和散射以及物体的反射。尽管在一些情况下这些参量已经被测定，每种环境状态的细节决定了水下光学成像实验的结果。这是因为，海洋在实时变化的吸收和散射（在例如间断密度，或者是海底附近）方面可以保持较大的梯度。吸收率a是一个标量。然而，越复杂的散射情况就需要用矢量函数来描述，这种函数表明了散射光的强度（是入射角和观测角的函数，（，）。在大多数情况下，水体中，这个函数可被看作是柱对称的（就像前面在声学中提到的），这降低了问题的维数，但仍然留下（）（体散射函数）需被测定。在很多情况下出现的额外的复杂问题是被吸收的光线以某些形式恢复传播。这是因为通过荧光或拉曼散射出现的。弹性散射和非弹性散射在水下光学成像系统的观测结果中起到重要作用。有效的水下光学成像系统的设计可以通过计算机模型的发展得到辅助，计算机模型能够模仿光在水下的传播，能够在很大程度上预测给定的情况的结果。计算机模型允许将照相机和光源放在不同的位置（相对于物体来说不同的方位）。然后可以做出来自系统的预测，这个预测能够说明像场的性质。这自然会假设环境是以吸收和体散射为特征。尽管已经执行了许多吸收测量，可以在关于水下光学的标准文本中发现，但是关于散射函数的信息很难得到。有一个关于水下光学参量的网站(/)。这个站点包含了许多了观测结果，这些观测结果可以用来获得吸收和散射值，这些值可以用来预测水下图像的质量。尽管很少有关于体散射函数的测量值。但是一套独一无二的数据已经被用了很多年，当用在水下模型中时产生了很可信的结果，近期的技术进步已经产生了仪器，这使得体散射函数的观测有希望在不久的将来不在困难。这个模型范围从Monte Carlo模拟（一直跟踪光子）到使用部分分析的构想的模型。是利用线性系统理论的概念来理解图像传播的传统模型的。这种方法已经通过使用Monte Carlo建模得到验证，也通过了对于合理数量的散射长度的部分分析模型的验证。图像模糊量化的指标和点扩散函数将来自于物体的散射分布的变化描述成基于小角度散射的图像。这些被限制的函数的实验测定已经做到，存在几个参数化方案。不幸的是，当有一个完备的环境和一套有用的参量时，很少有建模结果和照相系统的输出相比较的情况。不过，在许多情况下，特别是系统设计，这个模型是有比较意义的，能够考虑权衡不同集合模型（是环境的函数）的优势和劣势。考虑水下浮游动物成像的特殊情况，很大程度的未知是动物的反射能力。许多动物是透明的，这大概是为了降低对于捕食者的可见性。因此，浮游动物成像系统的设计者使用了有代表性的实证研究法，就是通过对动物的采集和不同成像几何体的实验。在这些成像系统中，使用一种“暗场”模型，这种模型给散射光成像，却能够避免非散射光束。水下成像系统的一个理想的特性是非侵入性，特别是要求行为观察。这对水下光学成像来说很难，因此选择长距离传输光受到限制，若选择靠的很近的系统，动物对水的扰动很敏感。此外，高亮度的光能够影响动物的行为。目标在于浮游动物成像的水下照明系统的设计者需要权衡这些因素。3.应用：关于系统关联实时检测 在刚才的章节中，声学和光学在海水中传播的物理学基础已经讨论了。在接下来的几章中，将会描述这些系统的实现原理。与这本书基本主题一致，我们集中力量描述具有实时报告它们数据的能力的系统。3.1检测浮游动物的声学系统 尽管已经有许多商用声学系统用来监测鱼类，但是用来监测浮游生物具有商业用途的声学系统受到限制。这可能是由于对于这些动物来说有受限的商业市场。反过来，在这已经限制了可现成购买的用来测量来自浮游动物声学反射的声学系统的类型。看一下光学的实际应用，我们发现有几种不同的类型的系统已经被使用。把这些系统分类的一种方法就是考虑光束的数量和系统所使用的频率的数量。表1包含了一组本文作者知道的系统。意味着这种系统的商业版本是可得到的。N/K是指，以作者的知识，没有调查研究拥有这些特征的商业系统。单波束分裂波束双波束多波束单频商业的商业的商业的商业的FTV:Jaffe(1995)多频Maps/Taps:Holliday 等Griffiths(1997)Wiebe(1997,2002)Demer(1999)Wiebe(1994)N/K宽带系统商业的(SciFish)Stanton(1998)Foote(1998)N/KN/KN/K 表1：光学系统的分类。这个表所示为一些可用商业系统的例子，N/K表示不知道已经实现，作者的名字和主要的研究体系联系在一起。3.1.A 单频系统 当然，最简单类型的系统使用单频率和单波束。在这种范畴内，可以发现许多经济型的消费者将声学系统用于鱼类探测是可以的。不幸的是，这些系统用于科研目的却因缺少校准而受到限制，缺少校准会影响来自一定量的生物群体转换成的检测电压。一种在海洋船队中广泛应用的系统是声学多普勒海流剖面仪（ADCP）。这种系统是由San Diego的RDI仪器制造的。这种系统可以让使用者估计水下重要的流速失量。这种系统的工作原理是向水中发射四束声波，然后测量多普勒频移范围和向量值电流的估计值。因为这些系统已经成为许多海洋船队的标准装备，使用这种系统来估计生物量是很有吸引力的。在一个经典的研究中，Flagg an和 Smith于1989年使用这种系统估测浮游生物数量。尽管这种早期的工作引起了人们广泛关注，但是使用这种系统对动物数量进行定量估测的困难妨碍了这种系统在这个领域中的常规化应用。因此，尽管一些系统工作时需要几个频率，但是它们中的许多适用于浮游生物检测，这种系统已经被大量的应用在动物数量定量估测中了。然而，关于物理学（电流）和生物学（动物数量）的并发信息的存在为分析提供了很好的机会。双波束和多波束系统在近几十年中已经变得很流行。这种系统有相同的目标，因为由声波定位仪发出的声场随发射和接收角的函数而变化，必须知道动物的位置以便估计入射到动物体上的声音的强度，以至于可以推断声波反射回来的部分（和目标强度）。这些类型的系统已经被校准了，它们的使用产生了许多定量测量值。分裂波束系统把一个圆盘分割到四个象限中，每个都接收信号。象限之间的时延是用来识别声音传来的方向的。在双波束系统中，传播和接受波束模型（各个方向上声波的强度）是柱对称的，从每个目标上接收到的声波的强度的比值用来定位目标，毫无疑问可实现目标强度的测定。在比较系统的性能优势时，Ehrenberg从一个信号处理点的角度考虑了分裂波束系统和双波束系统的相对优势。在那时，结论支持分裂波束系统在估计动物方位方面更有优势的观点。也会有其它因素存在，比如可能扰动目标。事实上，这可以解释分裂波束在当前应用中的优势。有几家公司制造生物声学系统，如：Simrad(Norway),Reson A/S(Denmark),Biosonics(Seattle,USA)，Hydroacoustic Technology Inc. (Seattle,USA)。这种系统可以使用一系列频率，这种系统有的适合用来观测浮游动物。在这里我们的目的不是对这些系统和它们在浮游动物声学中的应用做一个详尽的回顾，而是提醒读者有这种系统存在。更多的信息可以在Foote and Stanton的文章中找到。当考虑视场和被投射的大量功率时多波束系统有一系列优势。因为浮游动物的声学反射率很低。当要求一个很大的视场时，这种系统对这些低反射率目标成像具有优势。存在几种商业系统，是为了多波束深度测量而设计的。Simrad SM2000系统在200Khz的频率下工作，声波以1.5度或3度的角度投射在120度宽的平面上。接收器波束将声波分成128束，每一束都有1.5度宽。对于这种系统，人们已经使用绘制动物的三维分布的功能绘制了远离新斯科舍（Nova Scotia）的鲱鱼图像。Reson系统的使用的例子已经说明了它描绘动物三维分布特点的功用，这种系统在455Khz的频率下工作，使用60个波束（每个1.5度宽）。然而，到现在为止，还没有任何一种系统能够描述浮游动物分布的特点。一种用来映射磷虾和桡足类动物行为的多波束系统是FishTV系统。只制造了两个这种系统，一个工作在435Khz的频率下，另一个工作在1.57Mhz的频率下。这两种系统都包含了相同的设计，使用多个连续工作的投影机并伴有平行接收器。工作在435Khz下的系统有一个16度16度的视场，达到4hz的帧率的1厘米的定位能力能够记录每立方米达到50-100个动物的反射。在近距离范围内，系统记录来自4m体积水的反射。在Saanich Inlet的持续超过两个连续夏天季节的一系列实验实现了几十万的优势群体（磷虾）轨迹的观测。这种结果提供了关于白天动物活动率和垂直移动中的动物的轨迹的有用信息。工作在1.57Mhz的频率下系统用来跟踪拉特海湾（Gulf of Eilat）的1-2mm的桡足类动物。3.2.B多频系统为了获得比单频系统更多的信息，应用多个窄频带频率对被几个群体追赶的动物绘图是一种策略。在一个频率范围内（400Khz-3Mhz），一系列由Holliday以及和他有几十年的合作关系的人制造的一系列装置被用来估测微小动物（1厘米-200微米）的粒度分布。在另外的频率范围内，一些系统的设计目的是为了给更大空间内的尺寸更大的浮游动物成像。正如前面所讨论的，这些研究者的目的是为了把动物大小或类型表征为位置的函数。Holliday 和Pieper为这个领域中的许多状况提供文件，他们遇到了MAPS系统（工作在21种频率下）和BITS系统(工作在165khz和1.1Mhz下)。在使用两种频率时，合理倒置的要求很严格。它们包括存在控制各种频率散射的单一尺寸的生物体，一个经过验证的模型和其他的本质上说明因在反演过程中引入了非线性而使动物密度不高的附带条件。这种系统的最新版本是TAPS，它使用四种和八种频率。这种系统的设计师增加了对尺寸的分辨率以超过BITS系统的分辨率，而且不需要使用大量在MAPS中使用的传感器。Holliday 等描述了8种频率版本的TAPS系统的应用，这种系统被广泛应用在Puget Sound北部的浅峡湾中的一系列研究中。在1998年夏季，使用了几个多频声学浮游动物传感器（TAPS）。这些传感器工作在265,430,700,100,1085和300hz的频率下并且达到12.5厘米的分辨率，用它们测量体散射强度。作者陈述了在20-30m（假设使用更低的频率）范围内获得的有用的结果。这种新的空间分辨率允许用户记录大量的存在于水柱中的精细结构。作为等效尺寸函数的动物丰度的逆运算说明其中一个薄层被1.2mm长的桡脚类动物占据。另外的观测说明糖虾形动物存在于相邻的而不是相隔的薄层中。再看其他的多频系统，Wiebe et al的工作在120Khz和420Khz两种频率下的Biomapper系统被广泛的用来为在Georges Bank的邻近范围内分布的浮游生物绘图。作者陈述，假设在一定的深度内各种生物类群的比例保持恒定，用声学来对各种生物类群的生物量作一阶估计。在第一代BIOMAPPER系统经验的基础上，Woods Hole 团队制造了一个全新的系统，BIOMAPPER II。这种声学系统是由HTI制造的，它使用5个向上的和5个向下的声波定位仪，工作在43,120,200,420和1000khz的频率下。这种系统是由常用设备组成的，完全统一到成套组件中。注意到各种用户将多频分裂和双波束系统通过简单的将各种频率系统部署在一起的方法来结合在一起。表格包含了这些系统的例子以至于能够分辨被声波穿透的相同的体积，在这些系统中有各种频率的密集集合。这些工作者的总结似乎支持对于浮游生物的探测没有普遍存在的解决方案的观点。这好像恰恰基于在一个给定的生态环境中动物散射的复杂性，用于描述动物空间相关密度的频率的数量需要调整。这不是说无法通过声学获得有价值的信息，而是这些系统的使用者必须仔细选择他们的频率和基于重要位置的优势群体的反演技术。3.2.C 宽带系统宽波段声音的使用是浮游动物声学中拥有更大的成就领域。有一个例子，Chu and Stanton将宽波段声音应用于实验室中，他们展现了他们通过使用一个300khz到700khz的线性调制调频啁啾能判断动物尺寸的大小。当然，宽波段反射的相干处理代表一个前沿，对提供动物类型的有价值的信息具有很大的潜能。另外，如果反射波是可分解的，那么宽带声纳能够利用回波计算模型工作，可能反射波形的特征将允许比窄带声纳更高程度的推断。目前，来自Scientific Fishery Systems Inc的商业系统（Anchorage,AK,USA）使用了一个110-190khz的连续声源。制造商声明这种系统已经成功的区分了20种不同的河流和海洋鱼类。3.2.D探讨浮游动物的实时声学监测对于这本书中的主体，我们注意到有几个关于使用声学系统实时监测浮游动物的例子。另外，增加电力存储和提高处理效率的当前形势得出了这种装置的未来的乐观的总结。在已经实现的工程和设备领域中，Holliday和同事的多频系统已经在停泊处使用了很多年。在San Pedro Basin北部的停泊处BITS系统已经被替代了，San Pedro Basin位于加利福尼亚州的洛杉矶附近的陆架坡折处。1992年秋安装的的这种系统是由一个双频回拨探测仪组成的。在一个扩展部署中，这种系统不部署在停泊处将近九个月。这种系统用来收集关于风速和光照亮度的气象数据，用一个两路分组无线通讯系统自动将数据下载到位于停泊处视线内的岸上信号台。被部署在普吉特海湾的Holliday 等系统是TAPS（就像停泊处的系统）应用的另一个例子。Napp 等还在阿拉斯加海湾的生物物理停泊处部署了八频TAPS系统（TAPS-8）。这种系统能够通过对距离传感器1.5米得范围内的2升水取样，将浮游动物分为总长度在250微米到25毫米的多种等级。更低的频率被用来估计15米范围内的动物数量。这种系统被设计用来自动记录来自停泊处的超过6个月周期的数据。ADCPs被广泛的应用在停泊处，然而，正如上面所解释的，从这些装置得到的当前信息是主要性质上的信息。F.Nilsen和他的同事使用多普勒测流仪（ADCPs）来分析每天浮游动物的垂直迁徙，这种迁移与混合层动力学相关。最近被几个团体探寻的其他的机会包括在停泊处的双波束或分裂光束系统的部署,对于远程停泊处的现代消费水平鱼类探测器的改造。对于声学调查的将来的方法可能包含收集几何体的不同的方式或者通过使用更多的信息。一个来自个体的多频记录的有意的示范说明对位于南极生态系统的动物种类可以用这种方法进行空间分辨。可供选择的将来的方法会包括对来自个体的宽带回波的相位相干处理。其它可供选择的方法是使用多普勒处理技术收集动物的相关信息，因为这些动物主动驱赶自己。一个有少许应用的有趣的想法 ，被应用在一个真正的水下声学成像系统中来观察动物。被Barans and Holliday早期的应用显示，事实上，高分辨率侧扫系统被用作底部的鱼的成像。最近，Belcher的DIDSON system正在被试验用来监测能绕过水电站大坝的鱼类的长度。为水下浮游动物成像的这些方法的扩展具有很大的挑战性，尤其是需要动物的高的分辨率和低的反射率时。作为最后一次机会，散射的其它方面如向前散射或侧散射可能提供另外的信息，以此来提高对种群的分辨力。3.3浮游动物的光学成像在很多情况下，已经成功的使用光学系统观测浮游动物。有各种各样的系统已经用在常规观察中或应用于动物识别。至于观察，必须准备反驳对于采集设备来说不敏感的动物种群的评估。在一些情况下，动物的识别和动物的数量都是可以判断的。为获得动物识别需要的分辨率所需要小的容量可以通过快速帧速率和快速调查的使用得到部分补偿。光学浮游动物计数器或激光浮游动物计数器都不在考虑范围，因为它们都不是成像系统。感兴趣的读者可以参考Wiebe和Benfield的文章和包含这些系统相关信息的文献。3.3.A视频浮游生物记录器（VPR）在对浮游动物成像领域一种被广泛应用的系统是视频浮游生物记录器。这种系统使用镶嵌的散射光为近乎透明的动物成像。几台摄像机同时拍摄几个不同大小的体积是为了提供不同尺寸的信息。视频浮游生物记录器是一台加上视频系统的水下显微镜，它能够被水柱拖拽来观测大小在0.2-20mm的小德生物体。可以被成像的动物的例子如桡足类动物，水蝗虫，水母。图像的质量通常足够用来分辨动物种类，通过训练好的神经网络，更甚至工作在每秒60帧的视频图像获得频率下（60hz），相同的图像能自动被分组。自动分类具有大量减少关于集中的模式的描述数据的优势。视频浮游生物记录器是在U.S.GLOBEC Georges Bank Regional Program中得到发展的。在几年的过程中，这种系统提供了关于Georges Bank区域的中型浮游动物分布的有用的数据。近年来，在南极洲这种系统已经和BIOMAPPER II结合了。3.3.B动物可见系统Benfield使用白光选通薄片制造了一种新的系统。这种系统允许在12厘米的视野的像场上产生分辨率为50微米的浮游动物的像。浮游动物成像和可视化系统是一种仿形装置，被设计用来收集250米深的中型浮游动物的量化图像。摄像机向下瞄准了一个12厘米宽，3厘米厚的薄片。通过设置光场的深度适合薄片的深度，或稍微超过薄片深度，只有焦点上的目标能被照射到。3.3.C水下视频分析系统水下视频分析系统是一种由一个Hi-8摄像机（最大512*512的分辨率），控制和数据记录单元，电池和几个照明系统组成的成像系统。这种照明系统在摄像机前可能是平行光场，这个摄像机通过1.5mm厚的照明薄片来对0.28升水成像，这个薄片是用作粒子散射的，或者是第二系统使用四个聚光灯来对70升水成像。系统检定产生了一个100微米的探测尺寸。这种系统设计用来记录浮游动物的信息，已经成功的应用于各种动物的成像。一个典型的部署，这种系统通过缆索以1m/s的速度下降，产生了一个4厘米的垂直采样间隔。Stemmann 等提出了在西北地中海的超过150微米的粒子的调查结果。几个海洋研究说明这种系统在西地中海和北地中海的成功应用。图7所示为使用这种系统得到的动物的图像。图7：使用UVP采集的东北大西洋的中型浮游动物，是在2001年French Pomme海洋巡航中记录的。3.3.D 3D 浮游动物观测台近来由Strickler 和Hwang设计制造的一种用来获得浮游动物的三维轨迹信息（3D 浮游动物观测台）系统通过使用纹影成像结合多个摄像机以便获得一升水体积内的动物的正(交)射影。这种系统允许观测水声生物体，观测范围从浮游植物到鱼类，在实验室中也能提供关于浮游动物的有用行为信息。3.3.E探讨浮游动物实时成像在这节中提到的所有系统都有对浮游动物实时成像的能力。就VPR系统来说，已经设计了自主浮游生物垂直剖面观测台（AVPPO）来收集垂直位置的数据和浮游生物分类的组成，连同收集附属环境数据。这个系统由VPR（是有浮力的），大气透射计，荧光光度计，下行光传感器，测传导率、温度、吸收率和散射率仪表和工作在1.2Mhz下的用在向上的模式中的声学多普勒海流剖面仪组成。这个系统是自动的，在几天到几个周的自定义时间区域内，它画侧面图的次数能够达到五百次。 在典型应用中， 将VPR释放，它能够漂浮到水面。然后用绞车以10cm/s的速度将它收回。它已经记录下了视频数据和环境数据。这个系统能够通过一根电话线将一部分数据传送到海岸上。这种系统已经应用到乔治沙洲海岸，它也是Montauk Point和Block Island之间以及Stellwegen Bank和Scituate之间的the Front program的一部分。毫无疑问这节还会包含其他的仪系统：ZooVis,UVP和3D浮游动物观测器，它们能够对停系泊处进行实时监测。这种系统有一个小问题，最好应用在系统位于断层的环境中，或者在那些有足够大的海流能够使一定体积的水穿过视场的区域。最后，还应该注意浮游生物逃避的额问题。许多应用光学的技术没有对监测目标侵入，但是却产生了扰动。因此这种系统的用户应该考虑实验装置对动物的影响。从动力学的角度来看， the deployment of such systems in a mode where they are either LaGrangian or downstream that is, their imaging volume looks ahead of their hydrodynamic disturbance is desirable./P25/至于曝光，如果具有理想的非入侵性，不论浮游动物对光线是偏爱还是排斥都说明最好对a “fresh” volume of interrogation的曝光时间短点。这不是说不能从使用连续照明光的系统获得有价值的信息，而是用户应该考虑系统对动物和他们做出的结论的形式的影响。3.4浮游植物光学成像在上一章中，已经讨论了浮游动物的水下光学成像。在这里我们讨论一种能够对浮游动物成像的光学成像装置。对用于浮游植物水下光学成像系统的要求近似于对组建一个高放大率水下显微镜的要求。如果要求得到一个生物体的实像，细胞的大小为1微米到10微米，所需要的分辨率最小为几微米。如前面所讨论的，由于光线能被衰减或被散射，对悬浮于水中的细胞的微小细节进行观测成为一种挑战。3.4.A全息成像在前几十年中有很大发展的一种很有前景的技术是水下全息。全息成像是将来自于水下粒子散射的连续光记录在高分辨的胶片上来产生三维体积的干涉图或编码。这种技术应用在同轴或离轴全息术中，同轴和离轴全息的集合构型不同（图8）。（a） 同轴全息 （b） 离轴全息 图8： 同轴全息和离轴全息的基本几何构成在同轴装置中，散射光可以和非散射光干涉相长和干涉相消。在水对光线散射很小的情况下，同轴技术可能会更有用。散射光能够和内部产生的与散射光相干的光束结合。给定一张干涉图，可以通过模拟或数字技术来重建三维物体。使用模拟方法时，需要一个光学试验台来重建三维物体，然后用数码相机对其成像。使用数字方法时，原始的干涉图是数字的，进行有必要的图形转换是为了在电脑中合成三维图像。这种方法有一个潜在的缺陷，就是会产生大量的数据需要处理，因此需要自动分析这些数据。推荐阅读近来由Hobson 和 Watson完成的水下全息成像原理和实现的评审。Carder首先对原位全息的发展做出了贡献。在美国，加州理工学院的A.J.Acost监管着一个已经对水下全息研究了一段时间的团队。几个哲学博士被授权进入这一领域。在过去的几年中，约翰霍普金斯大学的一个团队已经发明了一种原位全息系统，他们使用一个同轴装置来记录相干干涉图，干涉图能够用来重建三维物体。使用离轴和同轴几何构型的一款实验室装置已经被广泛的应用在实验室中测量桡足类动物周围的流体场。这个系统有一个同轴记录装置，采用一个红宝石激光器，并且有一个732ml的样品容积。重建图像对球形粒子具有10-20微米的分辨率，对线性粒子具有3微米的分辨率，这些粒子位于距离平面（相机成像平面）100毫米的范围内。最近，苏格兰亚伯丁的一个团队已经成功的部署了一个水下全息成像系统，这个系统采用离轴和同轴几何构形来形成一套成像装置。这个系统使用一个脉冲Nd/YAG激光系统，它能够使曝光时间很短，从而允许系统在稳定的流程下工作。有兴趣的读者应该注意到由系统的创造者经常引证的分辨率是横向的或者是左右的（与光束传播方向有关）。Hobson 和 Watson注意到系统的轴向分辨率有一个根本上的限制，对于一个给定的5微米的系统分辨率，倍频Nd-YAG激光器记录的全息图焦深为47微米。一种避过这个问题的方法是制造一个允许主体的两个正交视场的系统。最近由Owen 和 Zozulya测试的系统使用数字记录技术，因此可以避开一些与记录平面有关的复杂的问题。所要求的数字成像重建技术得到发展，应用这种技术可从相机图像直接还原到三维物体。在一个小的体积内作者证明了5微米的分辨率，因为这种仪器的紧凑性和避开一些与记录媒介有关的问题的能力，这种技术可能允许达到这个分辨