應用于漁業海洋學課程教學的有鰾魚類聲散射演算軟件設計

童劍鋒，薛銘華，王學昉，田思泉

（上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306）

0 引言

漁業海洋學中使用回聲探測儀發射與接收聲波對水下生物進行探測的方法稱為漁業聲學，聲學方法快捷、方便、分辨率高、可覆蓋時空范圍廣且不對環境資源造成破壞,已成為國內外漁業資源評估的重要方法[1]聲波探測魚類是利用魚體與水體之間物理特性的差別[2]，魚體在水中被聲波探測到后會產生后向散射，換能器接收到這些散射信號后，進行聲電轉換將探測目標可視化，從而根據散射信號強弱進行資源量評估。生物體的聲散射通常使用目標強度（Target Strength，TS）來表示，它反映了生物體后向散射聲波的強弱[3]，是利用聲學方法對漁業資源評估的重要參數。在漁業資源聲學評估中，多采用固定頻率聲波換能器和網具采樣相結合的方式進行探測。但是該法僅適用于單一物種、大小分布范圍狹窄的魚群。對于體長分布廣泛的混合物種，單一頻率聲波無法消除混淆魚類大小和物種的模糊性。寬頻技術可以獲得整個頻率帶范圍內連續的回波特征，得到目標散射強度隨頻率變化譜圖，增加了信息量。這些信息與探測目標的種類、大小、游泳姿勢相關，在水生動物目標判別、個體大小以及生物量估算中發揮著重要作用，有利于提高目標的判別精度。

目標強度值與有無魚鰾、傾斜角度、長度、行為、生理學特征、水深和換能器頻率等因素有關[4]。其中最主要的兩個因素為有無魚鰾與傾斜角度。現階段，目標強度的估算方法主要有原位測量（in situ）、非原位測量（ex situ）和模型法。其中模型法是根據聲散射理論和研究對象生物學特性將聲散射的主要來源，即有鰾魚的魚鰾或無鰾魚的魚體，近似為規則幾何模型，利用計算機模擬計算這些模型的目標強度[5]。模型法靈活方便，可模擬得到各種不同情況下的目標強度值，不受實際測量中場地設施等限制，非常適用于估算無法進行現場測量的魚類的目標強度。并且在國內外學者研究下，模型精度不斷提高，是當前目標強度研究中較主流的方法。基爾霍夫射線模型[6]將魚體等效為一系列充滿液體的圓柱體，將魚鰾等效為一系列充滿氣體的圓柱體，分別計算每個微元的目標強度，最后相加得到整體的目標強度。該模型不僅可以較準確地反映單一頻率下目標強度的情況，也可模擬寬頻帶狀態下目標強度的變化。

鑒于聲學方法在漁業海洋學中的應用日益廣泛，在課程設計中，應該讓學生了解魚類聲散射即目標強度的相關知識。包括目標強度的計算過程、目標強度隨不同因素進行變化的情況以及寬頻下目標強度的變化特征。由于該門課程的教學對象大多數海洋漁業和海洋生物專業背景的學生，對于物理模型的理解存在一定的困難。因此，有必要設計一款計算有鰾魚類聲散射模型可視化演算軟件，幫助學生直觀感受不同條件下魚類聲散射的變化情況，強化知識體系構建，并激發學生在軟件設計方面的能力和聲學方法在漁業海洋學中應用的興趣。

有鰾魚作為一類常見魚種，演算軟件從有鰾魚的散射特征入手，使用基爾霍夫射線模型模擬計算其目標強度值隨自身和外部狀態的變化，輸入輸出結果全過程可視化。其主要功能包括：（1）文件的打開、保存、聲學參數設置、魚類側向形態可視化和窗口清理；（2）計算指定頻率下魚類的目標強度，顯示目標強度隨魚體游泳傾斜角變化的圖像；（3）計算指定傾角分布概率密度函數下魚類的平均目標強度；（4）計算指定頻率帶寬內各頻率下的目標強度，顯示寬頻目標強度譜圖。

1 軟件界面設計

基于基爾霍夫射線模型的有鰾魚類聲散射演算軟件采用Matlab編程語言編寫。其界面如圖1所示，主要包括六部分：打開文件欄，打開事先測得個體魚形態學文件并顯示此魚側向形態圖像；聲學參數設置欄，包括魚體密度值（kg/m3）、魚體聲速值（m/s）、魚鰾密度值（kg/m3）、魚鰾聲速值（m/s）、聲波頻率（kHz）、水中聲速（m/s）和水介質密度（kg/m3）；單一頻率目標強度計算欄，包括魚體傾斜角設置、各角度對應的目標強度計算、結果輸出、傾斜角分布函數設置以及根據該分布函數計算所得個體魚的平均目標強度；圖像顯示框1，繪制目標強度隨傾斜角變化圖；寬頻目標強度計算欄，設置所需頻率范圍后，結合設置的聲學參數和角度參數計算寬頻目標強度；圖像顯示框2，繪制寬頻目標強度譜圖。

圖1 演算軟件界面

2 軟件使用

2.1 魚體側向形態顯示

在軟件界面中打開預先測得的魚體形態學文件，可自動生成根據形態學文件繪制的由若干微元組成的個體魚側向圖像，其中魚鰾將以黑色填充形狀展示（圖2）。文件中的形態學信息包括魚體沿魚體軸方向各微元邊界點的橫坐標；魚體各微元沿魚體側向的長度；魚體各微元沿魚體腹背向上邊界點坐標；魚體各微元沿魚體腹背向下邊界點坐標；魚鰾沿魚體軸方向各微元邊界點的橫坐標；魚鰾各微元沿魚體側向的長度；魚鰾各微元沿魚體腹背向上邊界點坐標；魚鰾各微元沿魚體腹背向下邊界點坐標。

圖2 目標強度演算結果與圖像顯示

2.2 目標強度計算

目標強度的計算是根據輸入的各聲學參數和魚體傾角進行的。通過對研究對象及其生活水域的各項特征進行實測或參考以往文獻得到所需的聲學參數，并根據需要輸入魚體傾角后，將以1°為間隔計算各角度下的目標強度。并在圖像顯示框內同步生成魚體（Body）、魚鰾（Swimbladder）和整魚（Fish）目標強度隨傾斜角度（Pitch angle）變化圖（圖2）。在上述設置的基礎上，拓寬單一頻率為具有一定范圍的寬頻，本軟件將以1kHz為間隔計算所設置頻率范圍內各個頻率下的平均目標強度，并生成寬頻目標強度譜圖（圖2）。

2.3 結果保存

本軟件支持將結果保存為xlsx、xls或csv文件。其中，單頻目標強度將以圖3所示格式保存。Angle(°)為魚體傾斜角度；Frequency(kHz)為聲波頻率；ScatteringLength_bladder為魚鰾散射長度；ScatteringLength_body為魚體散射長度；ScatteringCrossSection_fish為整魚后向散射截面；TS_bladder(dB)為魚鰾目標強度；TS_body(dB)為魚體目標強度；TS_fish(dB)為整魚目標強度。寬頻目標強度將以圖4所示格式保存。Frequency(kHz)為聲波頻率；TS(dB)為左側頻率對應的平均目標強度。

圖3 單頻目標強度計算輸出文件內容

圖4 寬頻目標強度計算輸出文件內容

3 結語

本文所介紹的是一款應用于漁業海洋學課程教學的有鰾魚類聲散射演算軟件，它是一款具備寬頻目標強度計算與繪圖的可視化軟件。該軟件以Matlab編程語言編寫，使用基爾霍夫射線模型模擬計算有鰾魚目標強度隨自身狀態、外界環境及發射聲波頻率進行變化的情況，并支持結果的輸出與保存。這些結果將為了解不用海洋環境對有鰾魚聲學特征的影響提供參考，為漁業資源聲學評估提供重要支撐。該軟件全過程可視化，易于在課堂上教學演示，線上教學時也容易演示。學生亦可以通過漁業海洋學的魚類解剖實驗，獲取有鰾魚類的形態學參數，導入該有鰾魚類聲散射演算軟件中，計算自己實驗測量魚類的目標強度。該軟件有利于幫助學生學習魚類聲散射的建模原理和計算過程，激發學習興趣，鞏固理論學習，促進知識掌握，同時也為漁業海洋學教學提供了更好的幫助。

致謝：

本研究得到2021年度上海市高校市級重點課程建設項目資助，謹致謝忱！