李 哲，朱文斌，陳 峰，李德偉，劉連為，張洪亮

（浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江舟山 316021）

漁業(yè)資源聲學(xué)評估是聲學(xué)理論和技術(shù)的重要應(yīng)用方向之一，通常指利用水聲學(xué)方法對漁業(yè)資源量與種群變動進(jìn)行評估與評價[1]。該方法適用于集群性較強(qiáng)、資源結(jié)構(gòu)較為簡單的中上層魚類[2]。與傳統(tǒng)的資源評估相比，漁業(yè)資源聲學(xué)評估具有便捷、高效、對海洋生態(tài)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是漁業(yè)資源研究領(lǐng)域的重要方法[3-4]。我國自1984 年引入漁業(yè)資源聲學(xué)評估以來[5]，迄今為止已應(yīng)用該方法超過35 年。從東、黃海鳀魚Engraulis japonicus[5]、太平洋狹鱈Gadus chalcogrammus[6]，到內(nèi)陸水域的淡水魚類[7]，再到南極海域的磷蝦Euphausia superba[2]，聲學(xué)評估方法在我國的漁業(yè)資源調(diào)查和評估中發(fā)揮了重要作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。為了今后開展?jié)O業(yè)資源聲學(xué)評估的深入研究提供參考，有必要對近年我國漁業(yè)資源聲學(xué)評估研究現(xiàn)狀做出梳理和總結(jié)。

1 漁業(yè)資源聲學(xué)評估的基本原理

1.1 魚探儀的基本工作原理

魚探儀依賴生物體與水介質(zhì)間物理性質(zhì)的差異來實(shí)現(xiàn)回聲探測。魚探儀的發(fā)射機(jī)（transmitter）產(chǎn)生的特定頻率（例如38 kHz、70 kHz、120 kHz 等）的電信號，經(jīng)換能器（transducer）轉(zhuǎn)換為聲波信號并在水中傳播。在傳播過程中，部分聲波被單個或多個目標(biāo)生物反向散射，部分散射的聲波又被換能器接收并被還原為電信號。這部分電信號經(jīng)接收機(jī)（receiver）中的電子電路放大，投映到顯示器上，從而表明目標(biāo)生物的大小或密度。

1.2 水生生物的目標(biāo)強(qiáng)度

水生生物的目標(biāo)強(qiáng)度（target strength,TS）是漁業(yè)資源聲學(xué)評估中用來表征水生生物對聲波反射能力的一個物理量。有鰾魚的目標(biāo)強(qiáng)度大小通常受到其體長和魚鰾形狀的影響[8]。目標(biāo)強(qiáng)度的物理定義式[9]為：

式中，TS 是目標(biāo)生物的目標(biāo)強(qiáng)度，單位是dB；Ii是入射聲強(qiáng)，單位是W·m-2；Ir是距離目標(biāo)生物的聲學(xué)中心1 m 處的反射聲強(qiáng)，單位是W·m-2。一般地，魚類的目標(biāo)強(qiáng)度被定義[10]為：

式中，σbs是目標(biāo)的聲學(xué)反向散射截面，是一個無法直接測量的物理量，單位是m2。同時，目標(biāo)強(qiáng)度也可被定義[11]為：

通常，將σbs與目標(biāo)對象的可測量生物學(xué)特征聯(lián)系起來，如體長等?？山⒛繕?biāo)強(qiáng)度-體長經(jīng)驗(yàn)公式[12]：

式中，L 是目標(biāo)魚體體長，單位是cm；a、b 是回歸系數(shù)。

1.3 水生生物資源量的評估方法

目前，水生生物的資源量聲學(xué)評估方法主要有回波記數(shù)法和回波積分法?；夭ㄓ嫈?shù)法是對聲波范圍內(nèi)互相分離的單體魚計數(shù)后，根據(jù)聲波掃描水域的體積，求得該水域體積內(nèi)的平均分布密度?；夭ǚe分法適用于目標(biāo)生物集結(jié)成群，互相重疊時的資源量評估。其原理是在水平（航向）方向上，將垂直方向上的所有回波信號進(jìn)行累加。

1.4 調(diào)查設(shè)計

資源聲學(xué)調(diào)查一般包括儀器校正、航線設(shè)計、生物學(xué)采樣、聲學(xué)數(shù)據(jù)處理等多個環(huán)節(jié)。儀器校正一般采用標(biāo)準(zhǔn)銅球，在風(fēng)平浪靜的港灣或海流較為穩(wěn)定的地點(diǎn)完成。航線設(shè)計則根據(jù)實(shí)際調(diào)查站位確定具體的走航路線，如“之”字形或平行斷面型等形式且以垂直于岸線為主。生物學(xué)采樣則根據(jù)調(diào)查水域的具體情況，采用傳統(tǒng)的生物學(xué)取樣方法，如拖往、刺網(wǎng)取樣；聲學(xué)數(shù)據(jù)的處理則需要使用數(shù)據(jù)分析軟件完成，如Echoview（Echoview Software Pty.Ltd.,Australia）和BioSonics Visual Analyzer（BioSonics,Inc，USA）等。

1.5 聲學(xué)數(shù)據(jù)后處理

回聲信號除了目標(biāo)生物的反射聲波信號外還包含背景噪聲和非目標(biāo)生物的聲學(xué)信號，因此，聲學(xué)數(shù)據(jù)處理首先要盡可能設(shè)置合理的積分閾，排除非目標(biāo)回聲信號的干擾。積分閾是納入回波積分的最弱回聲信號的體積反向散射強(qiáng)度，即對回聲信號進(jìn)行積分的臨界值[1,10]。例如，在水聲學(xué)映像數(shù)據(jù)分析中，將積分閾設(shè)置為-80 dB,以排除浮游生物等弱散射體的信號干擾[11-12]。張俊等[13]利用聲學(xué)數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)Echoview中的虛擬變量模塊功能，嘗試消除背景噪音并探討了扣除背景噪音后對聲學(xué)映像、海里面積散射系數(shù)、體積反向散射強(qiáng)度等結(jié)果的影響。聲學(xué)數(shù)據(jù)處理還包括映像分析和積分值分配。映像分析是根據(jù)生物學(xué)采樣資料和聲學(xué)映像本身特征來推斷產(chǎn)生回波映像的目標(biāo)生物種類,積分值分配是將每一個基本積分航程單元（比如5 n mile）的總積分值分配到每一生物種類。這兩項聲學(xué)數(shù)據(jù)后處理工作密不可分，需同時進(jìn)行。

2 我國漁業(yè)水聲學(xué)研究現(xiàn)狀

2.1 內(nèi)陸水域

內(nèi)陸水域主要包含河流、湖泊、水庫等水域。內(nèi)陸水域魚類資源的水聲學(xué)評估有其自身特點(diǎn)，例如：（1）魚類品種多，大小不一，無法憑借目標(biāo)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)判斷物種；（2）江河水流造成的混響與噪聲降低探測的準(zhǔn)確性[14]；（3）湖泊中的水草等易干擾探測[15-16]。此外，由于內(nèi)陸水域可能較淺，可能需要結(jié)合水平探測和垂直探測[17]。

漁業(yè)資源聲學(xué)評估方法被廣泛應(yīng)用于湖泊和水庫漁業(yè)資源的調(diào)查，研究內(nèi)容主要包括魚類資源量[17-22]、空間分布[21-24]、種群行為[25-26]等，同時也實(shí)際應(yīng)用于漁業(yè)相關(guān)領(lǐng)域。張贊等[27]對遼寧省大伙房水庫實(shí)施了水聲學(xué)調(diào)查，評估了庫區(qū)魚類資源量和季節(jié)性分布變化。李斌等[7,28]利用水聲學(xué)方法調(diào)查了黃河小浪底與三門峽水庫的魚類資源量和垂直分布情況?；谒晫W(xué)的調(diào)查表明，廣東省北江石角水庫的魚類在夏冬季節(jié)出現(xiàn)相反的水平和垂直洄游行為[26]。在上述以探究魚類資源量為重心的水聲學(xué)研究基礎(chǔ)上，水聲學(xué)方法的實(shí)際應(yīng)用也值得關(guān)注。結(jié)合水聲學(xué)調(diào)查與傳統(tǒng)生物學(xué)取樣，評估放流魚苗的增殖效果[29]、保護(hù)區(qū)的時效性[30]、禁漁期效果[31]以及中華鱘Acipenser sinensis Gray 等瀕危動物保護(hù)[32]等方面。這些研究表明，我國的聲學(xué)資源評估技術(shù)已經(jīng)從單純的漁業(yè)資源調(diào)查領(lǐng)域拓展至與漁業(yè)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2 近海水域

近年，我國近海水域的漁業(yè)資源聲學(xué)評估研究多在南海海域開展。在廣東近海水域，漁業(yè)資源聲學(xué)評估的研究著重于資源分布和密度。例如，李娜娜等[33]結(jié)合水聲學(xué)方法與拖網(wǎng)生物采樣，調(diào)查了大亞灣人工魚礁區(qū)域內(nèi)的水生生物分布和資源量密度；廣東南澳島臨近海域的魚類資源評估調(diào)查也采用了水聲學(xué)與傳統(tǒng)生物學(xué)取樣（拖網(wǎng)和刺網(wǎng)）結(jié)合的方法[24-36]。在南海中南部的深水海域，科學(xué)魚探儀與燈光罩網(wǎng)取樣相結(jié)合，估計黃鰭金槍魚Thunnus albacares[37]和鳶烏賊Symplectoteuthis oualaniensis的資源量和分布[38]，建立鳶烏賊的目標(biāo)強(qiáng)度與胴長的經(jīng)驗(yàn)公式[39]。同時，使用雙頻率換能器的科學(xué)魚探儀獲得的聲學(xué)數(shù)據(jù)可對鳶烏賊目標(biāo)強(qiáng)度與胴長的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行優(yōu)化[40-41]。在實(shí)際應(yīng)用方面，漁業(yè)資源聲學(xué)評估也被運(yùn)用于北黃海海洋牧場人工魚礁效果評價[42]。

利用水聲學(xué)方法調(diào)查漁業(yè)資源時，生物學(xué)采樣方式除了受目標(biāo)魚種的影響，還可能與水深的影響相關(guān)。在南沙南部陸架海域和南海中南部的中層魚類聲學(xué)資源調(diào)查中，研究人員分別采用了底層和中層拖網(wǎng)獲取200 m 以淺和200 m 以深的生物樣本[11,43]。在南海南部的深海海域的水聲學(xué)調(diào)查中，劉世剛等[44]采用變水層拖網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對深達(dá)420 m 水層的生物采樣。因此，資源聲學(xué)調(diào)查時需考慮目標(biāo)魚種及其棲息水深范圍，采用合適的漁具漁法進(jìn)行生物取樣。

2.3 大洋水域

在大洋水域，南極磷蝦是今后我國遠(yuǎn)洋漁業(yè)的主要捕撈對象，其聲學(xué)資源評估方法也是重要的研究方向[45]。南極磷蝦個體?。?.6～6 cm），大規(guī)模集群生活[46-47]，有晝夜垂直遷移習(xí)性[40]，屬無鰾弱散射體[48-49]且信噪比（signal-to-noise ratio）小，散射聲波的能力弱，容易受外部噪音干擾，因此探測準(zhǔn)確性易受環(huán)境影響[50]。對南極磷蝦進(jìn)行聲學(xué)探測時，既要考慮探測時間，又要考慮剔除背景和船體噪聲[51]。相比于內(nèi)陸和近海水域的魚類資源聲學(xué)調(diào)查，南極磷蝦聲學(xué)調(diào)查因其生物學(xué)特征和棲息環(huán)境的特殊性而尤為困難。

當(dāng)前，關(guān)于南極磷蝦資源的聲學(xué)調(diào)查研究聚焦于其空間分布及資源密度。2016 年秋季，根據(jù)水聲學(xué)方法判斷，南極布蘭斯菲爾德海峽磷蝦群體的晝夜垂直移動與光強(qiáng)和海底深度相關(guān)[52]。王騰等[45]調(diào)查了2017年夏季南奧克尼群島磷蝦資源的密度分布情況，表明其晝夜垂直移動與光照強(qiáng)度相關(guān)。萬樹杰等[53]以深度、長度、厚度、面積及密度為集群特征值，結(jié)合水聲學(xué)數(shù)據(jù)，指出2018 年夏季南奧克尼群島南極磷蝦群體的深度分布和密度與集群類型有關(guān)。

3 目標(biāo)強(qiáng)度的研究

目標(biāo)強(qiáng)度是定量反映目標(biāo)反射聲波強(qiáng)度的物理量[1]，也是由回聲積分值轉(zhuǎn)換為絕對資源量的關(guān)鍵參數(shù)，很大程度上決定了魚類資源評估的準(zhǔn)確性[54]。因此，精確測量魚類目標(biāo)強(qiáng)度具有重要的研究意義。魚類目標(biāo)強(qiáng)度的測量方法主要分為實(shí)驗(yàn)測定法和模型評估法[55]；實(shí)驗(yàn)測定法又可分為現(xiàn)場測定和控制測定[56]。目前國內(nèi)學(xué)者已對白令海狹鱈[57]、黃海帶魚Trichiurus haumela[58]、長江中華鱘[59]、鳙Aristichthys nobilis[60]等魚類的目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了“現(xiàn)場”測定并得到目標(biāo)強(qiáng)度與體長的經(jīng)驗(yàn)公式。然而這些“現(xiàn)場”測定法仍有區(qū)別：狹鱈和帶魚的目標(biāo)強(qiáng)度測定在開放性水域?qū)嵤~體狀態(tài)自然；而長江中華鱘和鳙的目標(biāo)強(qiáng)度測定在網(wǎng)箱內(nèi)實(shí)施，相對于自然開放水域，網(wǎng)箱內(nèi)的魚體狀態(tài)仍可能受到空間限制。

在應(yīng)用控制測定法的研究中，魚體反射截面影響目標(biāo)強(qiáng)度的測定。在使用繩系控制法或/和網(wǎng)箱控制法分別測定黃斑藍(lán)子魚Siganus oramin[61]、長鰭藍(lán)子魚Siganus canaliculatus[62]、青石斑魚Epinephelus awoara和絲背細(xì)鱗鲀Stephanolepis cirrhifer[63]、鯉Cyprinus carpio和鳙[64]等魚類的單體目標(biāo)強(qiáng)度時，均以魚體背向?yàn)榉瓷浣孛妫绰暡ù怪比肷漪~體背部，建立目標(biāo)強(qiáng)度與體長的經(jīng)驗(yàn)公式。然而，魚類目標(biāo)強(qiáng)度還受到入射聲波方向的影響[65]。在常見淡水魚類瓦氏黃顙魚Pelteobagrus vachelli、鱖魚Siniperca chuatsi、鯽魚Carassius auratus、草魚Ctenopharyngodon idellus中，單體魚目標(biāo)強(qiáng)度與聲波入射角成cos 三次方函數(shù)關(guān)系，體側(cè)向和背腹向的目標(biāo)強(qiáng)度主要受體長、鰾長及鰾長/鰾高的影響[56]。

模型評估法是將單體魚視為幾何模型，再根據(jù)聲波的散射原理模擬計算出魚類的近似目標(biāo)強(qiáng)度的研究方法。與實(shí)驗(yàn)測定法相比，模型評估法具有靈活方便，受實(shí)驗(yàn)條件限制少等特點(diǎn)。先前研究認(rèn)為，有鰾魚類的鰾是反射聲波的主要器官，其聲散射貢獻(xiàn)率可占到90%～95%[66]。然而，根據(jù)近似橢球體模型法（approximately ellipsoid model）模擬魚鰾和魚體來測定黃海鳀魚[67]、東海大黃魚、小黃魚和銀鯧[68]目標(biāo)強(qiáng)度的結(jié)果均表明，魚鰾對于目標(biāo)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率低于先前研究的估計，因此推斷還有其他器官對目標(biāo)強(qiáng)度影響較大。今后的相關(guān)研究應(yīng)盡可能地考慮到魚體各個部分的反射貢獻(xiàn)。

由于體長相近的雙室鰾魚類目標(biāo)強(qiáng)度大于單室鰾魚類[56]，利用理論模型估計魚類目標(biāo)強(qiáng)度時，根據(jù)鰾室數(shù)量采用不同的理論模型可能更為合適[69]：許氏平鲉Sebastes schlegel和花鱸Lateolabrasx japonicus等單室鰾魚類適合使用回轉(zhuǎn)橢圓模型（prolate-spheroid,modal-series,scattering model），而鰱Hypophthalmichthys molitrix和鳙等雙鰾室魚類則適合使用基爾霍夫近似模型Kirchhoff-Ray mode scattering model。然而，基爾霍夫近似模型已經(jīng)被應(yīng)用于多種鰾室魚類目標(biāo)強(qiáng)度的測定中，且模型測定結(jié)果與網(wǎng)箱控制法取得的結(jié)果沒有明顯差異[30]，其應(yīng)用范圍也因此可能更為廣泛。這些模型評估法的研究，作為實(shí)驗(yàn)測定法的重要補(bǔ)充，為提高聲學(xué)資源評估的準(zhǔn)確性和可信度提供了科學(xué)依據(jù)。

目前，研究人員已采用現(xiàn)場測定法對鳶烏賊的現(xiàn)場目標(biāo)強(qiáng)度[39，41]和單體目標(biāo)強(qiáng)度[70]進(jìn)行了研究，但是對頭足類目標(biāo)強(qiáng)度的模型研究相對較少。鑒于頭足類是當(dāng)今最具開發(fā)潛力的漁業(yè)資源種類之一[71]，對頭足類目標(biāo)強(qiáng)度的模型研究也應(yīng)持續(xù)跟進(jìn)。

4 總結(jié)與展望

漁業(yè)資源聲學(xué)技術(shù)在我國的研究與利用跨越內(nèi)陸、近海、遠(yuǎn)洋等水域，尤其在島礁等特殊水域[72]，憑借其優(yōu)勢在漁業(yè)資源評估中發(fā)揮著越來越重要的作用。從近年的研究內(nèi)容來看，我國的漁業(yè)資源聲學(xué)評估以魚類資源量為研究中心，對魚類單體目標(biāo)強(qiáng)度研究較少，對有開發(fā)潛力物種（如頭足類和南極磷蝦）的研究尚不充分。這可能降低今后水聲學(xué)調(diào)查研究的準(zhǔn)確性以及我國對待開發(fā)漁業(yè)資源的主動性。因此，為提高漁業(yè)資源評估技術(shù)的應(yīng)用水平和范圍，既要從研究基礎(chǔ)等方面進(jìn)行準(zhǔn)確細(xì)致的探索，又要根據(jù)調(diào)查海域和目標(biāo)生物的特點(diǎn)逐步推進(jìn)相應(yīng)的調(diào)查研究工作。

致謝：感謝浙江省海洋水產(chǎn)研究所漁業(yè)資源與生態(tài)實(shí)驗(yàn)室全體工作人員在論文撰寫期間給予的幫助，謹(jǐn)致謝忱！