中国渔业资源声学评估研究与进展_汤勇.pdf

中国现代水产业的快速发展是建立在渔业资源可持续利用基础上的。近年来，随着中国渔业资源声学评估技术水平的提高，对精准把握渔业资源现存量和制定合理有效的捕捞计划起到了重要的作用，同时也为海洋牧场和淡水大水面合理制定鱼类增殖放流计划提供了强有力的技术支撑和保障。本文在简述渔业资源声学评估发展历程和渔业资源声学技术的基础上，综述了近年来中国在渔业资源声学评估领域的研究现状，包括远洋、极地、陆架海域和淡水水域的渔业资源声学调查评估，相关重要经济鱼类目标强度，以及渔业资源空间统计分析等，并针对国内目前研究中存在的不足，提出无人平台声学调查技术和高性能声学装备研发，以及中国多鱼种声学散射目标库建设等未来重点研究方向，以期为中国渔业资源声学评估研究与技术应用提供科学参考。关键词:渔业声学;资源评估;声学调查;回波积分;目标强度中图分类号:S 932文献标志码:A声波在水介质中具有比电磁波更小的吸收衰减和更远的传播距离等优势，故声波测量技术已成为水下远距离目标探测最主要的方法。水声探测技术在海洋民用领域应用范围较广，主要包括海底地形地貌测量，海底地层下的油气资源探测，以及水中生物目标的测量。在应用最为广泛的海洋渔业领域，该技术主要采用垂直探鱼仪(Echosounder)和水平声呐(Sonar)进行鱼群探查，尤其在中上层鱼类的围网和拖网作业中，鱼群的方位、规模、鱼种判别和体长估测等精准声学测量是保障实施精准捕捞作业的关键。20 世纪 80 年代以来，为了维持特定海域重要经济鱼种资源的可持续利用，渔业发达国家和有关渔业国际组织加大推行总允许捕获量(total allowable catch，TAC)管理，并积极研发更为高效的渔业资源声学评估技术，以及更高精度的鱼群声学测量仪器 科学探鱼仪(ScientificEchosounder)，以满足动态支撑 TAC 管理的科学条件。随着声学评估理论的不断完善和现代信息技术的快速发展，渔业资源声学评估技术取得了长足的进步。凭借声学评估数据具有可回放性及对比分析客观、简单等优点，其评估结果已成为发达渔业国家间和渔业国际组织内部进行渔业谈判的基本数据。因此，作为世界渔业大国的中国积极开展渔业资源声学评估技术研究具有重要意义。中国的渔业资源声学评估技术，自 20 世纪 80年代初由挪威引入以来得到了良好的发展，该技术不仅可用于大陆架和大洋极地海域大范围的渔业资源调查，而且广泛应用于海洋牧场、江河和淡水湖泊水库等的渔业资源调查，为中国水产捕捞产业的可持续发展做出了重要贡献。本文在回顾渔业资源声学评估发展历程的基础上，综述了中国近 40 年来在渔业资源声学评估技术方面取得的研究成果，以期为中国渔业声学研究与技术应用提供科学参考。1渔业资源声学评估发展历程1.1基于商业探鱼仪的资源量评估渔业资源声学评估技术的最早记录是 OscarSund 于 1935 年使用 Hughes Sons 公司的一台16 kHz纸带记录式回声测深仪(Echosounder)对海洋中鱼群的回声信号进行了资源评估1。20 世纪 40 年代后期，随着回声测深仪的军事专用属性取消，该仪器快速被民企转为商业探测鱼群的利器。针对鱼群目标散射特征和活动深度范围，研究收稿日期:2023-04-02基金项目:科技部重点研发计划(2019YFD0901401)作者简介:汤勇(1965)，男，博士，教授。E-mail:y-tang 者对回声测深仪的设计参数进行调整后安装在大型商业渔船上，大幅提高了陆架区鱼群捕捞作业效率。目前，换能器垂直安装在渔船上进行商业鱼群探测的仪器，国内渔业领域称之为“探鱼仪”或“渔探仪”。由于探鱼仪的英文在欧美延续使用“Echosounder”一词，故国内早期文献也有使用“回声测深仪”一词表述探鱼仪，而现在国内的回声测深仪是专指以海底为探测目标的仪器，因此，无限制使用该称谓容易误导读者。日本的生产厂家则使用 Fish Finder 来表述商用探鱼仪。与所有的电子仪器相同，新一代探鱼仪也从早期的电子管模拟信号技术和热敏纸显示记录模式，发展至现在的芯片数字信号处理技术、液晶显示和数据文件记录保存模式，是具有模型运算等智能化功能的科学研究型仪器。无论是商业探鱼仪还是科学研究型探鱼仪，需要根据探测目标或海底深度、单体目标距离分辨率、波束开角，以及不同类型目标生物的频率响应特征等进行具体型号的选择。为实现大规模鱼群的远距离探测，在参考军事声呐的基础上，研究者开发了能够在水平方向搜寻鱼群的装备，被泛称为“声呐”或“水平声呐”。需要注意的是，虽然“声呐”这个词在传统定义上具有更为广泛的含义，但在渔业声学领域侠义定义为这一类工作方式的渔业声学装备。根据声呐工作原理和波束扫描方式的差异性，水平声呐主要分为机械扫描(探照灯)式、电子全周式、电子半周式和全方位声呐等。其中，机械扫描方式由于使用步进电机驱动换能器机械地改变声波收发方向，故行进中前方扇区范围的探查受声速限制会存在盲区。而电子全周扫描声呐是使用最为广泛的渔业声呐，该声呐使用圆柱形换能器阵列，发射时波束为水平无指向的“雨伞”形，接收时采用区域阵列旋转螺线方式形成快速旋转的水平指向性波束，其具有波束仰俯角(一般为 5 55)控制功能，以应对不同斜向距离鱼群的探测和回波跟踪。由于在作业船只的后半区探测鱼群的实际意义不大，因此，开发了半周扫描声呐，该声呐具有水平半周电子扫描和机械式垂直仰俯角(最大为90)调整功能，可进行水平方向远距离鱼群探查、近距离鱼群目标锁定跟踪及网具状态与渔获过程监测。近年来，随着数字信号处理技术的快速提高，基于球型换能器波束成形技术的全方位探测声呐已商业化，该声呐具有同时进行水平和垂直波束的双叶扫描模式，可完全取代全周和半周扫描式声呐，并同时给出水平和垂直波束内的鱼群回波映像，现已成为远洋渔船的重要助渔设备。在渔业捕捞过程中，操作人员会根据声呐和探鱼仪回波映像的鱼群回波强度、面积大小和分布水层深度因素，推定鱼群的种类和资源量，并在此基础上判定是否实施网具作业。随着操作人员的反复实践，发现依靠声学回波推定的资源量与实际捕捞量能够基本吻合，由此推断，两者间存在必然的联系，而如何科学地量化两者之间的关系就成为渔业资源声学评估技术的主要研究内容。1.2鱼群的声学测量和资源量评估最早的声学测量方法是根据商业探鱼仪的鱼群回波认知，并结合 Urick 的体积散射强度理论2，对鱼群的资源量进行声学测量。即探鱼仪上鱼群回波振幅电压值的平方与鱼群的反向体积散射强度(volume backscattering strength，SV)成正比，而鱼群的体积散射强度又与鱼群内部单体鱼的目标强度(target strength，TS)和鱼群密度的乘积成正比。因此，可以使用体积散射声呐方程和声呐内部信号放大系数确定回波振幅与体积散射强度的关系，在已知鱼类目标强度的条件下，能够测量鱼群的密度，然后使用鱼群回波的断面进行中轴水平 180旋转，以推定鱼群体积，并根据密度和体积推定鱼群的资源量。在实际应用中发现，该方法仅对渔场开发和探捕具有一定效果，而在固定海域内的资源量评估中则偏差较大。由于海洋渔业资源评估涉及空间统计学理论，在确定声学调查仅是空间采样方法的基础上，研究者开发了回波积分法和回波计数法的基本渔业资源声学评估方法，并针对这些方法的基础理论和技术环节开展了系统性研究3。1.3渔业声学装备技术发展渔业声学装备的发展是由渔业声学理论与科研生产的实际需要所推动的，其主要发展历程见图 1。随着渔业资源声学评估相关声学理论基础的完善，在相关学者的支持下，于 20 世纪 80 年代开发了具有回波积分和目标强度测定等功能的科学探鱼仪。其与商业探鱼仪的最大差别在于鱼群的 SV和单体鱼的 TS 测量过程严格按照声呐方程进行，并在回波映像图上显示，而并非仅仅对鱼群回波的振幅信号进行放大显示。同时，该设备具有更高的技术指标性能和资源评估等功能模块，回波信号放大过程的动态响应范围大，能够线性处理微小浮游动物至大型鱼群的回波信号，换能器发射脉冲信号的形状更加趋近于矩形，工作参数可调，数据能够681大连海洋大学学报第 38 卷图 1渔业声学技术的主要发展历程4 Fig.1Important time points in the development of fisheries acoustics technology4 实时保存，且具有系统收发增益校准的功能。回波积分功能由最初的模拟信号积分发展到现在的数字信号处理模块。换能器也由窄带双波束、窄带分裂波束技术发展到现在的宽带分裂波束技术，除具有提供单体目标检测和目标强度的原位测量功能外，宽带系统还可以提供单体目标的频谱特征5-6。科学探鱼仪虽然是渔业资源声学评估的利器，但由于其安装在船底，垂直向下的波束探查范围受限，且表层鱼群受调查船噪声的影响会产生逃避行为，导致表层鱼群资源量评估过小。而利用水平声呐进行大规模集群性鱼群的资源量评估，已成为近15 年来的研究热点7。目前，挪威 Simrad 公司和日本 Furuno 公司等的全方位声呐虽然已经具备目标锁定跟踪、回波面积计算及声呐回波数据采集等研究基础条件，但受声呐系统校准困难、声呐信号处理复杂、海面海底混响回波，以及缺乏有效的数据后处理软件等因素限制，尚未达到实际应用水平。虽然 20 世纪 90 年代后期出现的米尔斯阵列技术的多波束声呐(二维)、侧扫声呐、三维多波束声呐和小范围水体使用的声呐摄像机(DIDSON/AIS)技术等均被尝试用于渔业资源声学调查8，甚至用于海流测量的声学多普勒流速剖面仪(AD-CP)技术也被用于海洋浮游动物层的变动观测9，但以上技术一般用于特定条件下的资源调查评估研究，或被作为科学探鱼仪的辅助研究工具使用。2渔业资源声学评估技术2.1鱼群的声学测量渔业资源声学评估技术建立在鱼群声学测量基础之上，主要描述鱼群对入射声波产生反向散射声波的物理过程，并借助量化声波传播过程中的能量变化来测量鱼群的反向散射强度，进而推定鱼群的密度10。对于鱼群反向散射强度的量化，需要将鱼群按照满足声波的体积散射理论进行假设，Foote11 通过网箱试验对其进行了验证，即sV=bs nV。(1)其中:sV为单位体积鱼群的反向体积散射系数(m2/m3)，是反向体积散射强度 SV(dB)的线性值;bs为反向散射截面积(m2);nV为鱼群的密度(ind./m3)，根据单体目标和群体目标的声呐方程(sonar equation)分别计算出 sV和 bs，即可计算出密度 nV。对于波束中 1 尾鱼的 bs，可使用单体目标声呐方程计算，即p2S=p201r4100.2rD4()bs。(2)其中:p0和 pS分别为声呐换能器发射和接收 1 尾鱼回波的声压(Pa);r 为鱼的距离(m);为声轴对称波束的方位角();为声波的吸收系数(dB/m);D()为波束的声压指向性函数。r 可通过测量回波的往返时间获得，可使用温度、盐度、水深等环境参数和工作频率等计算获得。换能器接收到 pS后进行声电转换，再将电信号输入到接收机进行信号前置放大、滤波和 AD 转换等信号处理，最后输出回波信号振幅电压 uo(V)。uo=MGpS。(3)其中:M 为声电转换系数(V/Pa);G 为接收机信号放大系数。将式(3)的 pS代入式(2)后得到u2o=(p0MG)21r4100.2rD4()bs。(4)其中:p0MG 三项被称为系统收发增益系数，可用已知 bs的标准球校正获得，最终根据 uo计算出 bs。在使用指向性函数 D()时，需要进行目标方位角 的测量，科学探鱼仪以前使用双波束技术781第 2 期汤勇:长期低氧对斑马鱼肝脏糖脂代谢的影响测量，现在主要使用分裂波束技术测量，目前也出现了利用分裂波束测量鱼体长的商业探鱼仪。对于式(1)中鱼群反向体积散射系数 sV的计算，可使用体积散射测量声呐方程:p2M=p201r2100.2rsVc2()。(5)其中:pM为 鱼 群 回 波 返 回 换 能 器 表 面 的 声 压(Pa);c 为声速(m/s);为发射声波的脉冲宽度(s);为等效波束角(sr)。同样可以使用式(3)中的 uo进行 sV的计算。基于探鱼仪的鱼群回波信号一般使用连续多次收发信号(每收发一次称为 1 Ping)形成的 B 模式(回波映像图)显示。对于大型鱼群，调查船通过鱼群上方时会形成鱼群的二维回波形状，鱼群的体积通常可以根据二维回波的面积进行推算，结合鱼群密度 nV即可进行单个鱼群的资源量评估。2.2目标强度渔业资源声学评估是针对生物目标进行物理测量的过程，因此，需要结合物理和生物的方法开展研究。式(1)的 bs项与散射截面的关系为=4bs。(6)这与另一个重要物理量目标强度 TS(dB)的线性值相等，即TS=10 lgbs。(7)鱼类目标强度的物理定义是距离鱼体表面1 m处反向散射声强与入射声强比值的分贝值，是声波频率和入射角度等的函数，一般与鱼体长的平方成正比。由于鱼类自身的生物学属性差异，按照生物学方法，较难使用不同工作频率对不同种类和体长的鱼类在水池进行不同姿态 TS 特征的测定。而按照物理模型方法，将鱼类等生物目标近似成球体、有限长度圆柱体和回转椭球体等几何体，再使用波动方程求解 TS12-13，在此过程中仅需进行目标鱼类及海水的声速比和密度比测定，降低了实测 TS的工作强度。尤其对于规格较小的弱散射体(如浮游动物和小型水母等)，受实测信噪比的限制，目前只能使用物理模型计算方法进行 TS 研究14。鱼类 TS 具有指向性，一般体侧和背腹方向较头尾方向大较多，且存在姿态变化所引起的不同散射界面回波相位干涉问题，因此，鱼类等海洋生物TS 的复杂程度远超一般人造几何目标。目前，整体上将鱼类分为有鳔和无鳔两种类型，并使用有限圆柱或回转椭球的充气和液态模型进行物理方法研究。由于 TS 是鱼类姿态倾角的函数，为了降低 TS在式(1)中由不同鱼类倾角差异引起的随机偏差，对于波束角内鱼类的 TS 测量，需要考虑相对于波束入射角的鱼类姿态倾角的概率分布特征，并通过加权平均统计的方法进行处理15。即bst=bs(t)f(t)dt。(8)其中:三角括号代表平均值(下同);t为姿态倾角();f(t)为鱼体姿态倾角的概率密度函数，一般使用鱼类姿态倾角的截断正态分布函数。可使用网箱法和原位法对自然游动鱼类的平均目标强度进行测量，也可使用绳系法测量不同姿态角对应的目标强度，再使用鱼类相应的倾角分布函数，按照式(8)进行计算。鱼类的平均目标强度 TS与体长 Lcm(cm)平方成正比，对数表达式为TS=20 lgLcm+b20。(9)其中，b20为体长平方基准的目标强度(dB)，不同鱼种和不同探测频率下的 b20都会有差异。在确定某种鱼类的 b20后，根据平均 TS 推定鱼类的平均体长，再根据鱼类体长和体质量的关系式推定鱼类体质量，最后结合鱼类密度推定渔业资源量3。2.3渔业资源声学评估在实际的陆架海域渔业资源声学调查时，需要提前准备和调查设计，包括调查区域的渔业捕捞现状，鱼种和水层分布，在调查期间是否有资源的迁入和迁出，以及水深分布的等深线图等。伴随着调查船的航行，科学探鱼仪的垂直波束会形成声学调查断面，波束内的鱼群会形成回波信号用于资源量评估，使用这些断面最终完成对调查海域渔业资源的空间声学采样。根据调查海域的形状和调查目的(商业探捕或渔业资源评估等)，调查断面可以采用平行线、“之”字形和自适应航线等方法。原则上只要确保渔业资源空间采样的随机性，以及空间采样强度满足调查海域渔业资源总体分布的需求即可。虽然目前的宽带科学探鱼仪可以进行一些重要鱼种的声学识别和体长分布的原位估计，但对于渔业资源调查中鱼种和体长分布等信息的获得，仍然需要使用网具对鱼群回波进行样品采集，同时调查测量的鱼群回波能量也需要借助网具采样结果进行不同鱼种和体长规格的分配。网具采样要求尽可能无选择性，调查站位的环境参数测量也是不可缺少的，结合环境参数进行渔业资源组成、变动和空间分布等研究具有重要意义。用于渔业资源声学评估的主要方法有回波积分法和回波计数法。对于陆架、大洋和极地等海域内881大连海洋大学学报第 38 卷重要经济鱼种的资源调查评估，回波积分法是最为成熟和广泛使用的方法。而对于相对鱼类单体回波分布较多且对鱼种较为明确的淡水水域调查，回波计数法具有空间统计分析更为简单的优点。所谓回波积分法，就是先将声波沿深度方向每一次发射脉冲(1 Ping)对应的接收信号 sV值在选定深度范围(一般为海面至海底)进行累加(积分)，结果称为面积散射系数 sa(m2/m2)，该系数对应于每平方米海面下方垂直水柱内鱼群的反向散射强度。再将调查船航行一定距离内所有收发信号(J Ping)对应的 sa，j值进行平均获得积分值10。计算公式为sa=rIi=11JJj=1sV，ij。(10)其中:r 是垂直方向 sV信号的采样间隔(m);i和 j 分别为垂直和水平方向 sV的采样索引号。欧洲一般使用以海里为单位的 sa，用 sA表示，也被称为NASC(nautical area scattering coefficient)，即sA=4 1 8522sa。(11)对应于式(1)，即为sa=bsna。(12)其中，na为单位水域面积的资源密度(ind./m2)。一般渔业资源声学调查航线的规划原则:陆架区航线垂直等深线方向，可以采用等间隔或者随机非等间隔平行调查航线;狭窄区域选择“之”字形航线相对安全，河流水库和峡湾等狭长水域或岛屿周边水域调查采用此航线较多。调查航线上 sa的积分采样距离单元(elementary distance sampling u-nit，EDSU)，一般的陆架调查以 5 n mile 为主，大洋调查可以为 10 n mile，小范围调查也可以采用1 n mile甚至 0.5 n mile，一般以能够保证积分单元之间采样相互独立为原则。由于科学探鱼仪的采样数据为垂直断面，因此，可以按照水层进行鱼类资源量的相关性分析，也可以通过单体目标的水层分布结合环境参数进行习性分析等16。3中国渔业声学发展现状3.1中国渔业声学历史回顾1)海洋渔业资源声学评估。中国渔业声学相比渔业发达国家起步较晚，最早的海洋渔业资源定量评估始于 1984 年，中国水产科学研究院黄海水产研究所利用“北斗”号调查船搭载挪威 Simrad公司的 EK400 型科学探鱼仪，与挪威海洋研究所共同开展了黄海和东海鳀鱼的声学调查评估，并获得了 300 万 t 现存量和超 50 t 资源可利用量的重要结论17。1993 年夏季，“北斗”号船在北太平洋进行了狭鳕资源的声学调查评估，并进行了狭鳕目标强度的原位测定18-19。19972000 年，“北斗”号使用升级的 EK500 型科学探鱼仪，对中国专属经济区的渔业资源进行了全面的声学调查评估20，并于 2007 年 8 月发布了渔业资源声学调查与评估的国家标准(GB/T 12763.62007 海洋调查规范第 6 部分:海洋生物调查 附录 G 渔业资源声学调查与评估)。2015 年后，中国渔业声学进入快速发展时期，在中国专属经济区、重要的远洋渔场和极地等海域开展的渔业资源声学调查评估工作逐步向常态化和业务化方向发展。目前，中国开展海洋渔业资源声学评估研究的科研院所已超过 15 个，装备科学探鱼仪的专业科考船数量超过 15 艘，调查能力覆盖陆架、大洋和极地等海域，为中国在不远的将来开展经济鱼类的 TAC 管理奠定了坚实基础。2)淡水渔业资源声学评估。中国淡水渔业资源声学评估研究始于 1983 年，中国科学院水生生物研究所利用便携热敏纸记录式商业探鱼仪，采用回波计数法对东湖的渔业资源进行了声学调查和评估21。2010 年后该领域的研究进入快速发展期，调查区域包括长江、珠江、黄河及重要的湖泊水库等，主要开展了淡水渔业资源声学调查评估和空间分布等研究。由于淡水水域相对水深较浅，无法使用专用大型科考船进行调查，一般会使用小型船只进行调查。使用的声学设备多为便携式科学探鱼仪，包括挪威 Simrad 公司的 EY60 型、EK80 型及美国 BioSonics 公司的 DT-X 型等。由于所用调查船只无法进行网具采样，故一般会结合刺网采样数据进行分析。目前，国内开展此项研究的科研院所遍布全国各大水系，专业研究人员超过 50 人，已经成为国际上规模最大的淡水渔业声学应用研究队伍。3)人才培养。中国于2006 年开始在相关高校进行本科生的渔业声学理论实践教学活动，以培养具有一定声学基础且能够掌握科学探鱼仪使用方法和声学数据后处理的专业人才。目前，开展渔业声学本科教学的高校有上海海洋大学和大连海洋大学，其他具备渔业声学研究条件的海洋类高校和相关研究单位主要进行研究生的培养。从业的科研人员以中国自己培养的博士和硕士研究生为主。据不完全统计，自国内研究人员于 1986 年首次发表东湖渔业资源声学调查的论文以来，中国公开发表的渔业声学相关科研论文已超过 200 篇，研究范围非常广泛，占比最多的是渔业资源评估和时空分布研究，对象种类包含不同水域的各类重要经济性鱼981第 2 期汤勇:长期低氧对斑马鱼肝脏糖脂代谢的影响种，以及极地的南极磷虾等。其他研究范围主要包括声学调查监测、数据后处理、资源评估和空间统计方法，以及重要经济鱼类的目标强度等。3.2海洋渔业资源的声学评估1)近岸渔业资源调查。海洋渔业声学调查范围按照离岸的远近划分为沿岸、陆架、过洋、大洋和极地海域等(表 1)。沿岸附近的渔业资源声学调查包括指定沿岸或岛礁海域、保护区、渔场和海洋牧场等小范围调查，一般使用船舷搭载便携式科学探鱼仪的小型船只进行调查，并结合定点站位的环境数据采样、拖网和定置网生物采样，每个航次时间为12 d。由于声学采样为连续水体空间的断面采样，具有便于生物资源时空分布特征描述和对比分析等优点，该类调查多服务于指定海域的资源环境调查或海洋牧场效果评价类项目。赵宪勇等22 针对山东省青岛海域的浒苔暴发开展了浒苔声学散射研究，为浒苔暴发声学监测应用奠定了基础。李娜娜等23 对广东省大亚湾的杨梅坑人工渔礁区海域进行了声学调查和资源评估，确定礁区内生物资源量增加明显，并结合拖网结果证明人工渔礁对资源结构起到了改善作用。王欢欢等24 对辽宁省大连市獐子岛海洋牧场进行了声学调查，对人工渔礁区内外的资源量进行了对比，并结合笼壶类定置网采样确定了鱼种。Yuan 等25 和郭禹等26 分别在浙江象山港和东海马鞍列岛海域进行了声学调查，通过三重刺网和拖网采样及声学数据分析了不同季节渔业资源的时空分布差异。王腾等27 对珠海桂山海上风电场水域进行了声学调查，并结合拖网试捕分析了风电场水域渔业资源结构密度和空间分布特征，以及海上风电场对渔业资源的影响。近年来，由于滨海核电厂附近海域的水母和毛虾暴发直接威胁核电厂冷源取水安全，曾雷等28、付媛媛等29 使用科学探鱼仪分别对大亚湾和红沿河核电厂周边海域进行了资源调查评估，为滨海核电厂的冷源生物入侵预警应急提供了科学依据。2)陆架区渔业资源调查。中国开展的陆架区海域渔业资源调查多以资源可持续利用为目的，调查综合性较强，包含浮游生物、理化因子、环境参数和底质采样等固定站位调查项目，结果可用于渔业资源变动的时空分析。考虑调查的时效性和资源稳定性，大面积调查可以按渔区设置采样断面，对于资源丰度较大的海域也可以增加采样强度，进行分层采样，以提高资源评估的有效性。陆架区调查需要使用专业调查船只，如“北斗”号、“南锋”号及“中渔科”系列专业渔业资源调查船等。此类调查船配备多频率 EK60 型科学探鱼仪，换能器采用船底导流安装方式，具有调查航行姿态稳定且能够变水层拖网采样等优点。陆架区调查一般按照垂直等深线方向设置采样断面。对黄海和东海的渔业资源声学调查始于 20 世纪 80 年代17，唐启升20 和赵宪勇等30 对中国陆架海域的多种海洋鱼类资源进行了声学调查和评估研究，王新良等31 对黄海太平洋磷虾资源进行了声学评估。近年来，随着“中科渔”系列调查船的启用，已经开始重新进行系统性声学调查和评估(数据未公开)。中国南海经济专属区包含南海北部和南沙南部陆架区，以及陆坡区和深海海盆区。李永振等32 于1997 年利用“北斗”号对南海北部陆架区进行了全面的声学调查和资源量评估，并对重要经济鱼类和小型非经济鱼类进行了时空分布和季节性差异分析。张俊等33-34、李斌等35 自2011 年开始，持续开展了南海经济专属区内渔业资源声学调查研究，使用“南锋”号调查船和南海海域常用的灯光罩网作业渔船，开展了鸢乌贼、金枪鱼和鲹类等重要经济种类的资源量调查及空间分布研究，还结合“南锋”号的变水层拖网进行了南海中层鱼类资源量调查和时空分布分析。表 1不同海域渔业资源声学调查装备和采样网具Tab.1Instrument and sampling gear for fisheries acoustic survey in different sea areas调查海域类型type of survey area适用范围scope of application调查船survey vessel装备equipment换能器安装transducer installation采样网具sampling net近岸 near shore海洋牧场、岛屿周边、养殖区、海藻场和滨海核电厂附近海域近岸作业渔船、小型游钓船只等便携式科学探鱼仪船舷安装拖网、刺网和三重刺网近海、陆架区 offshore/continental shelf area经济专属区、渔场和经济鱼类渔业资源调查船、渔船科学探鱼仪船底导流安装中层拖网、底拖网过洋 cross-ocean fishing area 国外经济专属区渔业资源调查船、渔船科学探鱼仪船底导流安装中层拖网大洋 ocean fishing grounds 大洋渔场、经济鱼种大型渔业资源调查船科学探鱼仪船底导流安装、升降鳍安装中层拖网极地 polar sea area南极磷虾远洋渔船、极地科考船科学探鱼仪船底导流安装磷虾网、浮游动物采样网091大连海洋大学学报第 38 卷3)过洋、大洋和极地渔业资源调查。中国过洋和大洋渔业资源声学调查主要以远洋渔场开发和资源可持续利用为目的，包括早期“北斗”号的北太平洋狭鳕渔业声学调查19，以及近年来“淞航”号的西太平洋、西北太平洋渔场资源调查，东海水产研究所的“中科渔 201”号在塞拉利昂经济专属区也进行了过洋性渔业资源声学调查(数据未公开)。中国极地渔业资源声学调查主要包括南极磷虾商业捕捞船搭载 EK60 型科学探鱼仪的声学调查评估，以及“雪龙”号和“雪龙 2”号极地科考船搭载 EK80 型宽带科学探鱼仪进行南极磷虾资源的声学调查评估和时空分布分析36-39。3.3淡水渔业资源的声学评估中国淡水渔业资源丰富，增养殖技术和产量一直保持世界第一。近年来，随着水源地保护和严格的水域环境生态修复需求，传统的大水面网箱养殖被彻底取消，改为大水面增殖渔业模式。因此，定期的内陆水域渔业资源调查评估对维持水域生态系统健康稳定，以及渔业资源的可持续利用具有重要意义。传统的江河渔业资源调查主要包括刺网采样或者直接购买渔获物进行统计分析，湖泊水库一般使用渔获物年龄组成统计方法进行资源量评估。然而，受网具选择性和季节环境条件等影响，资源评估的效率较低，基于声学技术的淡水渔业资源调查方法虽然无法进行目标回波的同步网具采样，但由于调查范围较小、资源流动性弱且成鱼多以单体目标形式存在，相对于较高的声学断面采样，非实时回波目标的网具采样结果也可以通过数据后处理进行比对分析，以完成资源评估40。1)基于科学探鱼仪的调查与评估。淡水渔业资源声学调查水域多以狭长形为主，考虑到调查船只的航行安全，一般采用“之”字形调查航线，资源评估方法根据单体目标的分布可使用回波计数和回波积分法41。由于调查区域水深较浅，推荐选用 120 kHz 以上工作频率的科学探鱼仪进行调查，以提高单体目标检测率和回波计数法的资源评估精度，便于在不同水层分析鱼类规格和资源密度分布。由于声学断面相对调查水域的覆盖率较高，资源时空分布统计可以使用空间插值方法，使资源的空间分布描述更加清晰。声学调查时有诸多事项需要注意，如北方夏季或者南方较深的湖泊水库，会存在温跃层散射回波的现象;在悬浮泥沙含量较高的水域调查时，悬浮泥沙的瑞利响应对工作频率高于 120 kHz 的科学探鱼仪会形成较高的混响，需要充分降低调查船的航行噪声，避免鱼类出现逃避行为，导致渔业资源量评估偏少;对于水深在 3 m左右的浅水湖区，使用水平波束是一个较好的选择，相对垂直波束会获得更多鱼类的回波映像，但由于鱼类头尾和体侧的指向性差异较大，因此，不适合通过目标强度原位测定来推定鱼类的体长分布，可以通过回波计数推定鱼类密度，再结合网具采样的鱼种和体长分布数据进行资源量评估。2)基于声学摄像机的调查与评估。国内除了基于科学探鱼仪的渔业资源评估外，声学摄像机(也被称为双频识别声呐，DIDSON)多被应用于洄游鱼道的监测、小范围水域鱼类调查和池塘内鱼虾类资源量的调查研究42。也有同时使用无人艇搭载声学摄像机和科学探鱼仪进行小范围渔业资源的调查研究。基于声学摄像机技术的鱼类资源评估方法主要是利用图像处理技术进行鱼类形状目标的识别和筛选，并在此基础上进行鱼类目标计数评估和空间统计分析。声学摄像机具有超高分辨率，可以进行鱼类目标的成像，使鱼类目标识别和测量更加简单直观，便于用户对小范围水体内的鱼类目标进行调查和监测。由于声学摄像机使用 MHz 级工作频率的声波，因此，鱼群探测距离较近且容易受水中悬浮的微气泡和泥沙等混响的影响。3)渔业声学技术的应用。淡水渔业资源声学调查技术在中国的应用范围非常广，几乎覆盖全国的重要水系。其中，对长江水系、珠江水系及青海湖的调查研究开展得较早，使用设备仪器、数据后处理软件及调查研究方法多样且内容丰富，主要围绕水系内的重要江段、水库、保护区及重要支流等，开展渔业资源量评估、群落空间分布、保护性鱼类调查、经济鱼类放流效果评价、生态监测及水利设施建设对渔业资源的影响等研究43-48。3.4目标强度研究进展渔业资源声学评估中无论使用回波积分法还是回波计数法，鱼类目标强度都是最重要的参数且直接关系到资源量评估精准度，目标强度的测定及特征分析研究在渔业声学领域占有极为重要的地位。虽然开展鱼类目标强度的研究工作已经超过 70 年，很多重要经济鱼类的目标强度测定在不同条件下也进行过多次，但受测定方法、鱼类个体和样本存活程度等差异的影响，目标强度的研究仍在持续进行49。随着测定条件的不断完善和测定仪器装备的升级，测定效率和精度得到了极大的提高。目前，使用多频段分裂波束换能器的宽带科学探鱼仪191第 2 期汤勇:长期低氧对斑马鱼肝脏糖脂代谢的影响能够快速进行鱼类目标强度的频谱测量，是鱼类目标强度特征库研究的重要手段。中国近海经济鱼种繁多，且在不同海域存在较大的差异性，国外现有经济鱼种目标强度研究成果远不能满足中国的需求，需要分海区进行系统性测定研究和目标库建设。中国最早的目标强度研究是 Chen 等50 于1990年对鳀鱼和沙丁鱼开展的原位法目标强度测定。据不完全统计，目前中国已经独立开展目标强度测定的经济鱼种(海水和淡水)已超过 20 种，测定方法有原位法、绳系法和网箱法等51-55，使用的理论模型有变形圆柱、基尔霍夫射线模型、回转椭圆和有限元/边界元耦合等56-59。大多数的目标强度测定研究都是根据实际渔业资源声学评估需求而进行的，有效提高了现场资源评估的精确度。目前，受研究单位少、测定条件等因素限制，中国鱼类目标强度的研究整体水平不高，缺乏宽带目标强度频谱的测定研究，仍有大量鱼类和重要水生生物的目标强度急需进行测定，亟待建设能够支持实际调查工作使用的目标强度数据库。4存在问题及展望4.1中国渔业资源声学评估研究中存在的问题中国是世界捕捞量第一的渔业大国，具有完整的产业链体系。建立一套基于准确、高效渔业资源评估基础的渔业资源管理体系，是维护中国海洋渔业资源可持续利用和捕捞产业健康发展的关键。中国海洋渔业资源具有经济种类繁多、鱼群规模相对较小、南北方海域种类与分布特征差异大、内陆水域渔业资源易受江河水利设施调控影响及湖泊水库生态环境资源稳定性较弱等特点，而渔业声学评估方法能够克服传统资源评估采样站位少、效率低下的缺点，有效提高资源评估的效率，对动态把握渔业资源变动、提高生态环境和渔业资源管理水平具有重要作用。中国的渔业声学 40 年来发展趋势良好，相比于欧美发达渔业国家支持 TAC 管理的较大规模渔业资源声学评估，中国对包括淡水水域的小范围资源调查评估的研究开展得更多，基本覆盖了中国主要的江河湖海，成为中国渔业声学的重要组成。但中国在该领域的研究也存在一定问题。1)渔业声学基础研究较少，包括对经济鱼类及重要水生生物目标散射特征的测定，不同鳔室鱼类散射理论模型的构建，以及渔业资源的空间统计理论等。尤其是目标强度测定试验条件缺乏，缺少能进行水生生物目标强度高效测定的专业水池，以及配套的形态学研究用 X 光摄像装备。2)使用的渔业声学调查装备和数据后处理软件均为国外产品，凸显出中国渔业声学核心技术领域与国外发达渔业国家的较大差距。3)相比于中国水产大国的地位，中国在渔业声学领域的高级技术人员数量较为匮乏，对渔业资源调查评估的技术支持严重不足，也缺乏高水平的研究成果，从而制约了中国渔业声学的高质量发展。4.2未来重点研究方向根据中国在淡水、近岸、过洋、大洋和极地的渔业生产可持续发展需求，小范围水域的高效精准调查评估及基于远距离探测声呐的大范围调查评估技术是未来重点的研究方向。1)基于无人平台的渔业资源声学调查技术的开发。近年来的海上无人走航平台(无人船、AUV)技术发展迅速，尤其在小面积水域的使用具有非常好的应用前景。利用无人平台搭载科学探鱼仪等声学设备进行渔业资源调查具有航行噪声低、采样效率高、操作简单和适合长期监测使用等优点，是未来进行资源评估的重点研究方向。2)高性能声呐装备的研发。大范围海域的渔业资源探测调查需要大功率全方位电子扫描声呐、三维多波束声呐等的技术支持。研发新一代全频超宽带科学探鱼仪，支持中国对不同品种和规格海洋生物资源评估需要也是未来的研究方向。3)中国多鱼种声学散射目标库的建设。针对中国海水和淡水的重要经济鱼种，开展目标强度频率响应的相关研究，建立目标散射特征库，为实现鱼类等水生生物的声学识别奠定基础。参考文献:1SUND OEcho sounding in fishery researchJ Nature，1935，135(3423):953 2UICK JPrinciples of underwater soundM3rd editionNewYork:McGraw-Hill，1983 3SIMMONDS J，MACLENNAN DFisheries Acoustics:Theory andPractice M New York:Wiley，2005 4CHU D ZTechnology evolution and advances in fisheries acoustics J Journal of Marine Science and Technology，2011，19(3):245-252 5EHENBEG JTwo applications for a dual-beam transducer inhydroacoustic fish assessment systemsC/Ocean74-IEEE inter-national conference on engineering in the ocean environmentHali-f