海洋渔业声学装备关键技术研究进展

【摘要】：海洋渔业声学装备在海洋渔业精准探测、高效捕捞中有着重要应用，其关键技术的改进对于装备性能提升至关重要。本研究分析了海洋渔业声学装备关键技术国内外研究现状，论述了单波束、双波束、分裂波束和多波束关键技术的研究进展，并重点阐述了近十年来多波束、多频和宽带关键技术在海洋渔业声学装备方面取得的重大进展。研究表明，国内渔业声学装备关键技术虽取得了一定进展，但与国外先进技术还存在较大差距，文章最后对国内渔业声学装备关键技术未来发展进行了展望。

【关键词】：渔业声学装备; 多波束; 多频; 宽带; 研究进展

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引言

; d+ ~2 q( i4 v0 z9 l  h2 X0 G渔业是国家粮食安全战略的重要组成部分，构建以鱼类为主的水产动物蛋白生产体系，将形成可持续的现代海洋渔业［1－2］。中国是鱼类生产和消 费 大 国，2019 年全社会渔业经济总产值26 046．50亿 元，其中渔业产值占据总产值的49%，渔 业 产 值 中 ( 不 含 苗 种) 捕 捞 产 品 占 比20. 5%［3］。如何精准、高效捕捞是业界关注的主要问题之一，水声学探测方法具有快速有效、调查区域广、不损坏生物资源并提供可持续的数据等优点［1］。海洋渔业声学装备作为探测海洋生物的重要装备，对于渔业资源精准探查、快速定位、高效聚捕并实时跟踪有着极其重要的作用［1，4］。
近年来，随着信号处理技术及超大规模集成器件的迅速发展，海洋渔业声学探测装备关键技术由单波束和单频向复杂的数字多波束［5－6］和多频［7－10］等方向迅猛发展。目前国内高精度、高分辨率的全方位宽带多波束渔用探测仪器几乎完全依靠进口，其关键技术与国外也存在较大差距，严重影响中国海洋渔业未来的发展。


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国内外渔业声学装备发展历史及现状

1．1 国内发展历史及现状

中国从 20 世纪 50 年代初期开始从事水声技术在渔业上的应用研究，由于受到模拟器件精度、带宽、存 储 等 限 制，其性能一直维持在较低水平［11］。20 世纪 80 年代以来，国内开始引进先进技术，数字技术及超大规模集成器件在探鱼仪上广泛应用。彩色探鱼仪、电子扫描声呐及捕捞监测系统等的应用开发及研制生产均取得了较快的发展，加快了中国渔业现代化的步伐。

特别是“十八大”首次提出“海洋强国”战略后，中国加大了对海洋渔业声学装备的投入。“十二五”期间，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所承接科技部海洋领域重大课题，自主研制了中国首台数字多波束渔用声呐 FFS25，其探测量程达 4 000 m，探测性能明显提升，该成果为中国自主开展远距离高分辨率渔业声学仪器研制打下了基础。近年来，相关高校和科研机构，针对单体鱼识别与跟踪技术、全方位宽带多波束技术等关键技术研究及渔业装备研制均加大了经费投入，开始了国内新一轮的渔业声学装备及关键技术革命。

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1．2 国外发展历史及现状
国外对渔业声学探测技术的研究起步较早，在 20 世纪 30 年代初，人们已将测深仪运用在渔业上，经过几十年的发展，其关键技术取得了长足的发展。近年来，以日本 FUＲUNO 公司和挪威 SIMＲAD 公司为代表的渔业电子装备厂商开始了新一代的多波束探鱼仪系统的研制工作。日本古野旗下的 FSV－35 最大量程达 5 000 m，且实现了水平 360°全向探测。挪威 SIMＲAD旗下的多波束探鱼仪 SIMＲAD SX90 最大探测距离为 4 500 m，可以实现 360°水平全向探测，垂直方向发射波束倾角达－ 10° ～ + 90°，大大提高了探测到鱼群的概率。SIMＲAD EK80 采用宽频覆盖结合先进的信号处理技术是目前渔业领域较为先进的分裂波束回声探测仪，可同时发射多种频率，多个频率覆盖同一采样水体，其探测效率明显提升，广泛应用在海洋渔业声学探测领域。
; ?/ {9 l4 k+ J+ X! o1．3 国内外典型探鱼仪性能比较虽然近些年中国在海洋渔业声学装备关键技术上取得了一定的进展，但与国外先进技术仍存在较大差距。目前深远海渔船配备的渔用探测装备几乎全部 是 进 口 的 多 波 束 探 鱼 仪。表 1 对 SIMＲAD EK80、SIMＲAD SX90、FUＲUNO FSV－35 和 FFS25 这几种典型渔业声学探测设备的性能参数做了对比。

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海洋渔业声学装备波束特征研究进展

2．1 单波束系统
1 W- L! m4 g% z: E3 `单波束技术早在 20 世纪 30 年代中期就应用到渔业声学领域中，可用来估计单个目标的距离。形成单波束的渔用声呐是利用换能器基阵的极大值方向，将声程差补偿到某一个需要探测的方向上来达到定向［12－15］，其探测原理如图 1 所示。单波束传感器的灵敏度取决于目标相对声轴的方向，接收到的信号没有提供关于目标方向的信息，因此无法探测到目标方位［11］。单频信号伴随着单波束技术应运而生，早期的单波束系统中通常只能发射一种频率的信号即单频信号。单频技术对于鱼群回波所包含的信息判断存在较大的局限性，如果鱼群散射信号中包含更丰富的信息，单频技术将无法判断其目标强度。厦门海洋仪器厂生产的东方红－3 型垂直探鱼仪选用 48 kHz 的工作频率，上海渔业机械仪器研究 所 生 产 的 67 － 3 型 探 鱼 仪 工 作 频 率 也 是48 kHz。
2．2 双波束系统
! x' m+ W2 X# N. i" U双波束技术是 20 世纪 70 年代早期引入渔业声学的技术之一，用于估计从声波束内单个目标的波束轴测得的极角。其利用两个独立传感器之间的波束图差异，即一个宽波束和一个窄波束，用宽窄波束传感器回波的后向散射强度的比率来确定单个目标的极角［13，16］，其工作原理如图 2 所 示。双波束技术只探测幅度或强度的信息并没有探测相位信息，因此探测信息不全面。为了能更精确地判断鱼群回波所包含的信息，原有的单频探鱼仪进行了改进，有的垂直探鱼仪如 69－3 型探鱼仪和 TCL－204 型探鱼仪采用了低频 24 kHz 和高频 200 kHz 两种工作频率，可以根据需要转换使用。汕尾市快捷通导设备有限公司旗下的 ONWA KF－293、Kfish－7 等双频探鱼仪目前在市场上广泛应用，设备配置有 50 kHz 和200 kHz 两种探测频率，脉冲频率越低，探测范围越宽。因此，50 kHz 的频率可以用于一般的检测和判断海底状况，200 kHz 的频率可以用于详细的鱼群观察。探鱼仪工作频率的高低，影响探测深度和指向角等，从而影响探测范围和分辨能力等，表 2 展示了低频和高频对探测能力的影响。

1 ?7 l% U' P1 ~/ [2．3 分裂波束系统
分裂波束技术能够测量目标在波束中的三维位置，并可直接测定自然状态下鱼体的目标强度及观测鱼类个体的行踪［17］。分裂波束探测系统具有很宽的频带范围，可同时在不同频段上对海洋生物、海底资源进行探测，因此有足够的分辨率来处理较小的浮游动物及较大的鲸类声音信号［18－19］。该系统运用 4 个象限的换能器，通过发射电路将电信号转换为脉冲并发射到水中，声波在传播过程中遇到海洋生物反向散射到换能器。接收时每个象限换能器独立接收，通过比较各象限接收到的信号确定目标方向［18，20］。在实际海洋渔业探测中，利用分裂波束技术确定目标在波束中的位置，并根据波束的指向性对偏离声轴的回声信号进行补偿，从而实现对鱼类目标强度的客观估测，其工作原理如图 3 所示。运用目标跟踪技术可对海洋生物的运动轨迹、游动速率及方向等参数进行测算［18，20－22］。单波束和分裂波束声学系统均适用于对鱼类和浮游动物聚类、沉水植物数据的采集，以及水深测量、地质分类等［18］。目前，分裂波束技术仍是世界范围内许多商业和科学渔业声学调查中使用的标准技术。分裂波束探测系统上可同时配备多种频率的换能器。图 4 所示是挪威 SIMＲAD 公司旗下的 EK80 系统配置图，这是一款典型的分裂波束声学探测系统，该系统能够同时操作范围从10 到 500 kHz 多个频率，常用的频率为 18、38、70、120、200 和 333 kHz 6 种工作频率。

2．4 多波束系统
2.4.1多波束技术
* x! Y2 v8 o: B! T5 Q20 世纪 90 年代，日本古野公司研制出 5 波束超声波探鱼仪 FCV－30，它可以同时向水中发射 5 个超声波束，通过各个方向的回波信息可以获得相应的鱼群信息。5 波束超声探鱼仪实现了将“点”组成“面”探测，大大提高了探测到鱼群的概率［23］。通过适当的信号处理方法可以获得更丰富的鱼群信息，如鱼群密度、大小及鱼群种类等信息［10，12，23］。多波束声学系统是利用相控阵技术进行远距离、高分辨率海洋生物探测的声学装备，通过在一定的扇区内形成多个发射波束，定向顺序地发射，然后对多个波束同时接收来探测和定位生物位置，提高海洋生物探测的分辨率［12，24］。多波束声学系统发射窄波束，方位分辨率较高，在同样发射效率的 情 况 下，发 射 能 量 集 中，作 用 距 离 也 比较远［12，25］。在渔业水声学领域，多波束回声探测系统( 多波束探鱼仪) 展现了在不同水文条件下的探测能力［26－27］。该系统能够提供一种准确、无损的检测方法来评估鱼群规模及鱼类种群行为［28］。Cook 等［29］提出，通过对比自适应分辨率成像声呐( AＲIS) 与立体摄像机测量结果，评估 AＲIS 对 4 种具有不同游泳姿态的鱼类探测结果，验证了多波 束 成 像 声 呐 在 渔 业 领 域 应 用 的 有 效 性。Melvin 等［26］测试了 2 种高频率多波束声呐的近岸高流量浅海监控效果，并展示了其在湍流中和分裂波束声呐效果对比。Dunlop 等［27］结合多波束回声探测系统与高精度摄像机并将二者装配于遥控潜水器之上，有效地探测了 4 000 m 深海底栖鱼类的分布与习性，提出一种探测深海底栖鱼类的新方法。Wei 等［30］构建了一种二维多波束合成孔径声呐模型，该模型避免了多波束回声探测系统沿线分辨率随着距离增加而减小和合成孔径声呐间隙问题，并具备了相较传统多波束回声探测系统和合成孔径声呐更精细的 3D 全扫描图像和更好的能量聚焦能力。Francisco 等［31］在可提供详细图像的多波束成像声呐系统基础上搭建了一个提取海洋生物视觉特征的框架，并引入了声学可见性度量技术，使之可根据观测数据与标准值的对比来识别和分类目标生物。近几年，多波束声呐还在海洋生物追踪方面表现出良好的应用前景，国外科学家陆续提出基于多波束回声探测系统的最近邻域算法并用以跟踪动物行为［32－33］。Maki 等［34］提出了一种利用装载多波束成像声呐的自主水下作业车追踪海龟的方法，此方法结合了卷积神经网络，成功地实现了自然条件下浅海中的海龟跟踪，为后续海洋生物的长期观测提供了试验基础。随着计算机信号处理能力的增强以及声呐软硬件技术水平的提高，结合人工智能、神经网络等算法学科交叉融合，海洋渔业声学装备关键技术发展突飞猛进［35］。多波束渔用声呐在不同的扫描方式下其稳定性和可靠性均得到了验证［10］。目前国内外科考船及远洋渔船上配备的多波束探鱼仪主要为 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， 图 5 展示了 SIMＲAD SX90 的系统配置。

2.4.2 多频技术

从渔业声学探测系统的工作频率角度看，其经历了由单频发射向多频发射的过渡。根据国家标准文件规定，国内探鱼仪的工作频率范围为( 15～460) kHz［36］。高频率可以实现近距离高分辨率探测，低频率可以实现远距离探测。从单频到多频系统的发展为科研工作者们带来了对散射目标特征化或分类散射目标的额外能力。

多频探测技术实际是采用的离散多频技术，通过对鱼群在瑞利散射向几何散射过渡的区域进行探测，可以得到丰富的鱼群声散射信息［11，13］。根据对多频回声探测技术在水声测量中的应用划分，主要可分为如下几个功能:

1) 估计鱼群中单体鱼的平均尺寸。Ｒousseau 等［37］计算了鲑鱼幼鱼群在 67 kHz 和 125 kHz 频率下的平均体积反向散射强度差值，通过测量围网捕捞的幼鱼平均标准长度，发现两者之间的正相关性，实现了利用声学反射方式估计鱼群大小的方法，替代了通过侵入性捕捞技术来估计鱼体长度的方法。Habib 等［38］提出了一个基于偏微分方程的数学模型，此模型可用以构建两个算法的数学基础，使用多频率信号来定位物体并利用此信号分辨物体的形状。

2) 评估鱼群的生物量。多频水声测量系统可以提供有效的方法来量化鲱鱼种群大小和分布。Brandyn 等［39］于 2014 和 2015 年春夏使用 38 kHz、120 kHz 和 200 kHz 回声探测器测量了油鲱的生物量和鲱鱼群目标强度。Szczucka 等［40］使 用 SIMＲAD EK60 多频分裂波束声呐，分别用 70 kHz、120 kHz 及 200 kHz 评估同一海湾近北极圈部分和近大西洋部分的鱼类分布和丰度。

3) 分类海洋生物物种。该技术可实现鱼群与其他海洋生物的区分、同一鱼群不同种类的区分以及 同 一 种 类 成 鱼 与 幼 鱼 的 区 分。Vargas 等［41］在 2017 年分别使用了 38 kHz、70 kHz、120 kHz 和 200 kHz 计算了 5 个双频对反向散射能量的和差，提出了一种基于多频空间平面散射分布的区分方法，可实现多成分生态系统中鱼类与藻类、浮游生物等的种群区分。

最近几年的研究，结合了卷积神经网络、遥控水下机器人和水下摄像机等技术，根据声呐采集到的数据，实现了对鱼群和背景像素的分类，并发现了不同频率的能量性质，尤其是均值和最大体积后向散射系数，这一发现提供了将种群聚合体分成不同种群的区分能力［42－43］。

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2.4.3 宽带技术
宽带技术采用宽带信号作为信息载体，具有宽带信号固有的优点。由于窄带信号中包含的目标信息有限，而宽带信号可以携带更多的信息，且有很高的距离和空间分辨率，使用宽带技术，可以得到整个频率带范围内的回波特征［44－45］，极大地增加了信息量，因此选用宽带信号进行参量估计、目标检测和特征提取［46］，有利于提高目标的判别精度［47］。原理上，信号的频率越多或频谱越宽，从信号源传递到接收机的信息就越多，基于此产生了宽带声呐的概念，这比传统的声呐和回声探测器拥有更大的带宽。宽带系统可以在连续的宽频带上提供散射的频率响应［13，48］，连续宽带系统可以直接研究海洋生物声学散射的脉冲响应，并研究海洋动物散射的光谱特征［10，48－49］。近些年，宽带技术在海洋渔业探测领域也有着重大进展和广泛应用。针对一些对生态及商业有重要作用的鱼类，Boswell 等［50］首先建立了频率依赖的反向散射模型，并以此作为后续种群分类的基础，对多个珊瑚礁鱼类单体进行计算机断层扫描并建立了三维鱼鳔模型，随后将其作为散射模型输入，结果表明鱼鳔形态特征是重要的种群分类依据，此模型有助于分类物种差距较大的鱼群。一些学者还提到了利用宽带信号进行声波驱鱼。Deleau 等［51］在试验条件下测试了宽带信号对鳗鱼的影响，探讨了使用声波作为防止鱼群进入危险地带屏障的可能性。宽带技术在未来海洋渔业声学领域中将发挥不可估量的作用。如图 5 所示的 SIMＲAD SX90 即为典型的宽带多波束渔用声呐，采用( 20 ～ 30) kHz 的发射频率，共计 11 个频率可选，从而避免其他船只或声呐的干扰; 其向船的四周发射 360°的窄波束，便于对不同目标鱼群做更好的扫描探测，能大幅提高鱼群探测、捕捞效率。

展望

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近年来，海洋渔业声学技术得到了长足的发展，数字信号处理技术、多波束技术及宽带技术是未来发展的一个趋势。虽然上述技术取得了显著的进展，国内渔业声学装备关键技术距世界先进水平仍有较大差距，高端装备主要依赖进口。在实现“海洋强国”的国家战略推动下，改变中国渔业声学探测装备技术落后的局面，提高中国渔业资源探测能力，促进海洋渔业资源的合理利用，增 强“关心－认识－经略”海洋的能力，可从以下几个方面重点突破:

1) 大力发展小体积、低频率、大功率探测技术，重点布局更小的换能器体积探测更远的距离、更高的声能辐射效率研究;

2) 加大渔业声学装备关键技术与人工智能、深度学习及卷积神经网络等关键技术有效结合，对深远距离及高分辨率探测和鱼群精准定位及特征提取等技术重点研究;

3) 加强中国对海洋生态研究的力度，提高自主获取海洋生物资源数量和空间分布信息的能力，攻克关键技术，减少与国外探测设备技术差距。