海洋漁業聲學裝備關鍵技術研究進展

宗艷梅，魏 珂，李國棟,，諶志新,，唐學大，張玉濤

(1 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237；2 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

漁業是國家糧食安全戰略的重要組成部分，構建以魚類為主的水產動物蛋白生產體系，將形成可持續的現代海洋漁業[1-2]。中國是魚類生產和消費大國，2019年全社會漁業經濟總產值26 046.50億元，其中漁業產值占據總產值的49%，漁業產值中(不含苗種)捕撈產品占比20.5%[3]。如何精準、高效捕撈是業界關注的主要問題之一，水聲學探測方法具有快速有效、調查區域廣、不損壞生物資源并提供可持續的數據等優點[1]。海洋漁業聲學裝備作為探測海洋生物的重要裝備，對于漁業資源精準探查、快速定位、高效聚捕并實時跟蹤有著極其重要的作用[1,4]。

近年來，隨著信號處理技術及超大規模集成器件的迅速發展，海洋漁業聲學探測裝備關鍵技術由單波束和單頻向復雜的數字多波束[5-6]和多頻[7-10]等方向迅猛發展。目前國內高精度、高分辨率的全方位寬帶多波束漁用探測儀器幾乎完全依靠進口，其關鍵技術與國外也存在較大差距，嚴重影響中國海洋漁業未來的發展。

1 國內外漁業聲學裝備發展歷史及現狀

1.1 國內發展歷史及現狀

中國從20世紀50年代初期開始從事水聲技術在漁業上的應用研究，由于受到模擬器件精度、帶寬、存儲等限制，其性能一直維持在較低水平[11]。20世紀80年代以來，國內開始引進先進技術，數字技術及超大規模集成器件在探魚儀上廣泛應用。彩色探魚儀、電子掃描聲吶及捕撈監測系統等的應用開發及研制生產均取得了較快的發展，加快了中國漁業現代化的步伐。

特別是“十八大”首次提出“海洋強國”戰略后，中國加大了對海洋漁業聲學裝備的投入。“十二五”期間，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所承接科技部海洋領域重大課題，自主研制了中國首臺數字多波束漁用聲吶FFS25，其探測量程達4 000 m，探測性能明顯提升，該成果為中國自主開展遠距離高分辨率漁業聲學儀器研制打下了基礎。近年來，相關高校和科研機構，針對單體魚識別與跟蹤技術、全方位寬帶多波束技術等關鍵技術研究及漁業裝備研制均加大了經費投入，開始了國內新一輪的漁業聲學裝備及關鍵技術革命。

1.2 國外發展歷史及現狀

國外對漁業聲學探測技術的研究起步較早，在20世紀30年代初，人們已將測深儀運用在漁業上，經過幾十年的發展，其關鍵技術取得了長足的發展。近年來，以日本FURUNO公司和挪威SIMRAD公司為代表的漁業電子裝備廠商開始了新一代的多波束探魚儀系統的研制工作。日本古野旗下的FSV-35最大量程達5 000 m，且實現了水平360°全向探測。挪威SIMRAD旗下的多波束探魚儀SIMRAD SX90最大探測距離為4 500 m，可以實現360°水平全向探測，垂直方向發射波束傾角達-10°～+90°，大大提高了探測到魚群的概率。SIMRAD EK80采用寬頻覆蓋結合先進的信號處理技術是目前漁業領域較為先進的分裂波束回聲探測儀，可同時發射多種頻率，多個頻率覆蓋同一采樣水體，其探測效率明顯提升，廣泛應用在海洋漁業聲學探測領域。

1.3 國內外典型探魚儀性能比較

雖然近些年中國在海洋漁業聲學裝備關鍵技術上取得了一定的進展，但與國外先進技術仍存在較大差距。目前深遠海漁船配備的漁用探測裝備幾乎全部是進口的多波束探魚儀。表1對SIMRAD EK80、SIMRAD SX90、FURUNO FSV-35和FFS25這幾種典型漁業聲學探測設備的性能參數做了對比。

表1 國內外典型探魚儀性能參數對比

2 海洋漁業聲學裝備波束特征研究進展

2.1 單波束系統

單波束技術早在20世紀30年代中期就應用到漁業聲學領域中，可用來估計單個目標的距離。形成單波束的漁用聲吶是利用換能器基陣的極大值方向，將聲程差補償到某一個需要探測的方向上來達到定向[12-15]，其探測原理如圖1所示。單波束傳感器的靈敏度取決于目標相對聲軸的方向，接收到的信號沒有提供關于目標方向的信息，因此無法探測到目標方位[11]。

圖1 單波束原理圖

單頻信號伴隨著單波束技術應運而生，早期的單波束系統中通常只能發射一種頻率的信號即單頻信號。單頻技術對于魚群回波所包含的信息判斷存在較大的局限性，如果魚群散射信號中包含更豐富的信息，單頻技術將無法判斷其目標強度。廈門海洋儀器廠生產的東方紅-3型垂直探魚儀選用48 kHz的工作頻率，上海漁業機械儀器研究所生產的67-3型探魚儀工作頻率也是48 kHz。

2.2 雙波束系統

雙波束技術是20世紀70年代早期引入漁業聲學的技術之一，用于估計從聲波束內單個目標的波束軸測得的極角。其利用兩個獨立傳感器之間的波束圖差異，即一個寬波束和一個窄波束，用寬窄波束傳感器回波的后向散射強度的比率來確定單個目標的極角[13,16]，其工作原理如圖2所示。雙波束技術只探測幅度或強度的信息并沒有探測相位信息，因此探測信息不全面。

圖2 雙波束原理圖

為了能更精確地判斷魚群回波所包含的信息，原有的單頻探魚儀進行了改進，有的垂直探魚儀如69-3型探魚儀和TCL-204型探魚儀采用了低頻24 kHz和高頻200 kHz兩種工作頻率，可以根據需要轉換使用。汕尾市快捷通導設備有限公司旗下的ONWA?KF-293、Kfish-7等雙頻探魚儀目前在市場上廣泛應用，設備配置有50 kHz和200 kHz兩種探測頻率，脈沖頻率越低，探測范圍越寬。因此，50 kHz的頻率可以用于一般的檢測和判斷海底狀況，200 kHz的頻率可以用于詳細的魚群觀察。探魚儀工作頻率的高低，影響探測深度和指向角等，從而影響探測范圍和分辨能力等，表2展示了低頻和高頻對探測能力的影響。

表2 低頻和高頻對探測能力的影響

2.3 分裂波束系統

分裂波束技術能夠測量目標在波束中的三維位置，并可直接測定自然狀態下魚體的目標強度及觀測魚類個體的行蹤[17]。分裂波束探測系統具有很寬的頻帶范圍，可同時在不同頻段上對海洋生物、海底資源進行探測，因此有足夠的分辨率來處理較小的浮游動物及較大的鯨類聲音信號[18-19]。該系統運用4個象限的換能器，通過發射電路將電信號轉換為脈沖并發射到水中，聲波在傳播過程中遇到海洋生物反向散射到換能器。接收時每個象限換能器獨立接收，通過比較各象限接收到的信號確定目標方向[18,20]。在實際海洋漁業探測中，利用分裂波束技術確定目標在波束中的位置，并根據波束的指向性對偏離聲軸的回聲信號進行補償，從而實現對魚類目標強度的客觀估測，其工作原理如圖3所示。運用目標跟蹤技術可對海洋生物的運動軌跡、游動速率及方向等參數進行測算[18,20-22]。

圖3 分裂波束原理圖

單波束和分裂波束聲學系統均適用于對魚類和浮游動物聚類、沉水植物數據的采集，以及水深測量、地質分類等[18]。目前，分裂波束技術仍是世界范圍內許多商業和科學漁業聲學調查中使用的標準技術。分裂波束探測系統上可同時配備多種頻率的換能器。圖4所示是挪威SIMRAD公司旗下的EK80系統配置圖，這是一款典型的分裂波束聲學探測系統，該系統能夠同時操作范圍從10到500 kHz多個頻率，常用的頻率為18、38、70、120、200和333 kHz 6種工作頻率。

圖4 EK80系統配置圖

2.4 多波束系統

2.4.1 多波束技術

20世紀90年代，日本古野公司研制出5波束超聲波探魚儀FCV-30，它可以同時向水中發射5個超聲波束，通過各個方向的回波信息可以獲得相應的魚群信息。5波束超聲探魚儀實現了將“點”組成“面”探測，大大提高了探測到魚群的概率[23]。通過適當的信號處理方法可以獲得更豐富的魚群信息，如魚群密度、大小及魚群種類等信息[10,12,23]。

多波束聲學系統是利用相控陣技術進行遠距離、高分辨率海洋生物探測的聲學裝備，通過在一定的扇區內形成多個發射波束，定向順序地發射，然后對多個波束同時接收來探測和定位生物位置，提高海洋生物探測的分辨率[12,24]。多波束聲學系統發射窄波束，方位分辨率較高，在同樣發射效率的情況下，發射能量集中，作用距離也比較遠[12,25]。

在漁業水聲學領域，多波束回聲探測系統(多波束探魚儀)展現了在不同水文條件下的探測能力[26-27]。該系統能夠提供一種準確、無損的檢測方法來評估魚群規模及魚類種群行為[28]。Cook等[29]提出，通過對比自適應分辨率成像聲吶(ARIS)與立體攝像機測量結果，評估ARIS對4種具有不同游泳姿態的魚類探測結果，驗證了多波束成像聲吶在漁業領域應用的有效性。Melvin等[26]測試了2種高頻率多波束聲吶的近岸高流量淺海監控效果，并展示了其在湍流中和分裂波束聲吶效果對比。Dunlop等[27]結合多波束回聲探測系統與高精度攝像機并將二者裝配于遙控潛水器之上，有效地探測了4 000 m深海底棲魚類的分布與習性，提出一種探測深海底棲魚類的新方法。Wei等[30]構建了一種二維多波束合成孔徑聲吶模型，該模型避免了多波束回聲探測系統沿線分辨率隨著距離增加而減小和合成孔徑聲吶間隙問題，并具備了相較傳統多波束回聲探測系統和合成孔徑聲吶更精細的3D全掃描圖像和更好的能量聚焦能力。Francisco等[31]在可提供詳細圖像的多波束成像聲吶系統基礎上搭建了一個提取海洋生物視覺特征的框架，并引入了聲學可見性度量技術，使之可根據觀測數據與標準值的對比來識別和分類目標生物。

近幾年，多波束聲吶還在海洋生物追蹤方面表現出良好的應用前景，國外科學家陸續提出基于多波束回聲探測系統的最近鄰域算法并用以跟蹤動物行為[32-33]。Maki等[34]提出了一種利用裝載多波束成像聲吶的自主水下作業車追蹤海龜的方法，此方法結合了卷積神經網絡，成功地實現了自然條件下淺海中的海龜跟蹤，為后續海洋生物的長期觀測提供了試驗基礎。

隨著計算機信號處理能力的增強以及聲吶軟硬件技術水平的提高，結合人工智能、神經網絡等算法學科交叉融合，海洋漁業聲學裝備關鍵技術發展突飛猛進[35]。多波束漁用聲吶在不同的掃描方式下其穩定性和可靠性均得到了驗證[10]。目前國內外科考船及遠洋漁船上配備的多波束探魚儀主要為SIMRAD旗下的SX90、日本古野旗下的FSV-35以及MAQ旗下的MAQ多波束系列，圖5展示了SIMRAD SX90的系統配置。

圖5 SX90 系統配置圖

2.4.2 多頻技術

從漁業聲學探測系統的工作頻率角度看，其經歷了由單頻發射向多頻發射的過渡。根據國家標準文件規定，國內探魚儀的工作頻率范圍為(15～460) kHz[36]。高頻率可以實現近距離高分辨率探測，低頻率可以實現遠距離探測。從單頻到多頻系統的發展為科研工作者們帶來了對散射目標特征化或分類散射目標的額外能力。

多頻探測技術實際是采用的離散多頻技術，通過對魚群在瑞利散射向幾何散射過渡的區域進行探測，可以得到豐富的魚群聲散射信息[11,13]。根據對多頻回聲探測技術在水聲測量中的應用劃分，主要可分為如下幾個功能：

1)估計魚群中單體魚的平均尺寸。Rousseau等[37]計算了鮭魚幼魚群在67 kHz和125 kHz頻率下的平均體積反向散射強度差值，通過測量圍網捕撈的幼魚平均標準長度，發現兩者之間的正相關性，實現了利用聲學反射方式估計魚群大小的方法，替代了通過侵入性捕撈技術來估計魚體長度的方法。Habib等[38]提出了一個基于偏微分方程的數學模型，此模型可用以構建兩個算法的數學基礎，使用多頻率信號來定位物體并利用此信號分辨物體的形狀。

2)評估魚群的生物量。多頻水聲測量系統可以提供有效的方法來量化鯡魚種群大小和分布。Brandyn等[39]于2014和2015年春夏使用38 kHz、120 kHz和200 kHz回聲探測器測量了油鯡的生物量和鯡魚群目標強度。Szczucka等[40]使用SIMRAD EK60多頻分裂波束聲吶，分別用70 kHz、120 kHz及200 kHz評估同一海灣近北極圈部分和近大西洋部分的魚類分布和豐度。

3)分類海洋生物物種。該技術可實現魚群與其他海洋生物的區分、同一魚群不同種類的區分以及同一種類成魚與幼魚的區分。Vargas等[41]在2017年分別使用了38 kHz、70 kHz、120 kHz 和200 kHz計算了5個雙頻對反向散射能量的和差，提出了一種基于多頻空間平面散射分布的區分方法，可實現多成分生態系統中魚類與藻類、浮游生物等的種群區分。

最近幾年的研究，結合了卷積神經網絡、遙控水下機器人和水下攝像機等技術，根據聲吶采集到的數據，實現了對魚群和背景像素的分類，并發現了不同頻率的能量性質，尤其是均值和最大體積后向散射系數，這一發現提供了將種群聚合體分成不同種群的區分能力[42-43]。

2.4.3 寬帶技術

寬帶技術采用寬帶信號作為信息載體，具有寬帶信號固有的優點。由于窄帶信號中包含的目標信息有限，而寬帶信號可以攜帶更多的信息，且有很高的距離和空間分辨率，使用寬帶技術，可以得到整個頻率帶范圍內的回波特征[44-45]，極大地增加了信息量，因此選用寬帶信號進行參量估計、目標檢測和特征提取[46]，有利于提高目標的判別精度[47]。

原理上，信號的頻率越多或頻譜越寬，從信號源傳遞到接收機的信息就越多，基于此產生了寬帶聲吶的概念，這比傳統的聲吶和回聲探測器擁有更大的帶寬。寬帶系統可以在連續的寬頻帶上提供散射的頻率響應[13,48]，連續寬帶系統可以直接研究海洋生物聲學散射的脈沖響應，并研究海洋動物散射的光譜特征[10,48-49]。

近些年，寬帶技術在海洋漁業探測領域也有著重大進展和廣泛應用。針對一些對生態及商業有重要作用的魚類，Boswell等[50]首先建立了頻率依賴的反向散射模型，并以此作為后續種群分類的基礎，對多個珊瑚礁魚類單體進行計算機斷層掃描并建立了三維魚鰾模型，隨后將其作為散射模型輸入，結果表明魚鰾形態特征是重要的種群分類依據，此模型有助于分類物種差距較大的魚群。一些學者還提到了利用寬帶信號進行聲波驅魚。Deleau等[51]在試驗條件下測試了寬帶信號對鰻魚的影響，探討了使用聲波作為防止魚群進入危險地帶屏障的可能性。寬帶技術在未來海洋漁業聲學領域中將發揮不可估量的作用。

如圖5所示的SIMRAD SX90即為典型的寬帶多波束漁用聲吶，采用(20～30)kHz的發射頻率，共計11個頻率可選，從而避免其他船只或聲吶的干擾；其向船的四周發射360°的窄波束，便于對不同目標魚群做更好的掃描探測，能大幅提高魚群探測、捕撈效率。

3 展望

近年來，海洋漁業聲學技術得到了長足的發展，數字信號處理技術、多波束技術及寬帶技術是未來發展的一個趨勢。雖然上述技術取得了顯著的進展，國內漁業聲學裝備關鍵技術距世界先進水平仍有較大差距，高端裝備主要依賴進口。在實現“海洋強國”的國家戰略推動下，改變中國漁業聲學探測裝備技術落后的局面，提高中國漁業資源探測能力，促進海洋漁業資源的合理利用，增強“關心-認識-經略”海洋的能力，可從以下幾個方面重點突破：1)大力發展小體積、低頻率、大功率探測技術，重點布局更小的換能器體積探測更遠的距離、更高的聲能輻射效率研究；2)加大漁業聲學裝備關鍵技術與人工智能、深度學習及卷積神經網絡等關鍵技術有效結合，對深遠距離及高分辨率探測和魚群精準定位及特征提取等技術重點研究；3)加強中國對海洋生態研究的力度，提高自主獲取海洋生物資源數量和空間分布信息的能力，攻克關鍵技術，減少與國外探測設備技術差距。

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