深水網(wǎng)箱生物量聲學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱的推廣應(yīng)用，我國(guó)的海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖逐漸從10m等深線向20m以深海域發(fā)展，養(yǎng)殖區(qū)域不斷擴(kuò)大，網(wǎng)箱趨于大型化，養(yǎng)殖生產(chǎn)中迫切需要解決水下觀察和安全監(jiān)控等技術(shù)問(wèn)題。已有的光學(xué)水下監(jiān)視系統(tǒng)，由于對(duì)海區(qū)水體透明度要求較高，使用中具有很大的局限性。而聲波在同一種媒介中的傳播速度基本為一常數(shù)，對(duì)目標(biāo)的分辨率和檢測(cè)距離與水介質(zhì)的透明度無(wú)關(guān)，是理想的信息載體。因此，利用聲吶探測(cè)技術(shù)，定量評(píng)估和監(jiān)測(cè)網(wǎng)箱圈養(yǎng)水體內(nèi)的生物量變化，研究開(kāi)發(fā)用于深

2、水網(wǎng)箱養(yǎng)殖過(guò)程安全管理的聲學(xué)監(jiān)控設(shè)施，將具有更廣泛的應(yīng)用。
　　 利用聲學(xué)原理進(jìn)行魚(yú)群探測(cè)和資源評(píng)估的基礎(chǔ)是魚(yú)體目標(biāo)強(qiáng)度。為此，首先以黃海、東海主要養(yǎng)殖魚(yú)類許氏平鲇和大黃魚(yú)為研究對(duì)象，在消聲水池中選用KF-668雙屏彩色探漁儀等儀器在50kHz和200kHz工作頻率下對(duì)研究對(duì)象目標(biāo)強(qiáng)度及背向反射聲截面與體重和體長(zhǎng)的關(guān)系進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，體重和體長(zhǎng)均可用做定量表述上述兩種魚(yú)類目標(biāo)強(qiáng)度的參數(shù)。TS大黃魚(yú)在50kHz頻率下身體各

3、向目標(biāo)強(qiáng)度值介于-32.63dB～-58.01dB;200kHz頻率下身體各向目標(biāo)強(qiáng)度介于-29.3dB～-56.99dB。TS許氏平鮋在50kHz頻率下身體各向目標(biāo)強(qiáng)度值介于-31.93dB～-64.68dB;200kHz頻率下身體各向目標(biāo)強(qiáng)度介于-31.74dB～-63.26dB。身體各向目標(biāo)強(qiáng)度大小為TS側(cè)向＞TS背向＞TS頭向＞TS尾向。通過(guò)計(jì)算得到不同頻率下待測(cè)樣本側(cè)向目標(biāo)強(qiáng)度和體長(zhǎng)的關(guān)系式。50kHz:TS大黃魚(yú)=24.8l

4、ogL(cm)-73.9(側(cè)向);200kHz:TS大黃魚(yú)=23.9logL(cm)-71.3(側(cè)向).50kHz:TS許氏平鮋=25.7logL(cm)-69.16（側(cè)向）；200kHz:TS許氏平鮋=26.4logL(cm)-70.8（側(cè)向）。試驗(yàn)結(jié)果為深水網(wǎng)箱聲學(xué)水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
　　 在得到黃海海域和東海海域主要養(yǎng)殖對(duì)象許氏平鲇和大黃魚(yú)目標(biāo)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，以及兩種魚(yú)類目標(biāo)強(qiáng)度和體長(zhǎng)的關(guān)系式基礎(chǔ)上，基于生物資

5、源量聲學(xué)評(píng)估原理，設(shè)計(jì)并試制一種水下聲學(xué)監(jiān)測(cè)儀。為驗(yàn)證和完善設(shè)計(jì)方案，在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所的消聲水池中，對(duì)試制的樣機(jī)進(jìn)行了模擬測(cè)試。試驗(yàn)采用的模型網(wǎng)箱依據(jù)周長(zhǎng)40m的HDPE圓形網(wǎng)箱尺度，按1:5模型比尺制作，并選擇體型與許氏平鲉和大黃魚(yú)相似的淡水魚(yú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先使用水下聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試空網(wǎng)的目標(biāo)強(qiáng)度，將空網(wǎng)目標(biāo)強(qiáng)度數(shù)據(jù)剔除，然后每次投放10尾魚(yú)到模擬網(wǎng)箱中測(cè)試魚(yú)群的目標(biāo)強(qiáng)度信號(hào)，每次測(cè)試10min，測(cè)試4至5次，將目

6、標(biāo)強(qiáng)度根據(jù)公式轉(zhuǎn)換成其反向散射聲截面，取數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)，然后根據(jù)公式將平均反向散射.聲截面轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)樣本的目標(biāo)強(qiáng)度，為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。得到模擬網(wǎng)箱中不同數(shù)量魚(yú)群的目標(biāo)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中總結(jié)水下聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)中存在的不足，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況改進(jìn)樣機(jī)的性能，試制出由超聲波換能器陣，收發(fā)控制器，數(shù)據(jù)采集器、外部供電電源和工作電腦等組成的深水網(wǎng)箱工況聲學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)正樣機(jī)。換能器陣采用球冠面結(jié)構(gòu)，7個(gè)超聲波基元位于正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)和中心位置，基元

7、間間距大于聲束角，以保證各基元聲束主瓣不會(huì)相互重疊，同時(shí)擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，減少盲區(qū)。
　　 對(duì)試制的監(jiān)控系統(tǒng)樣機(jī)在山東省青島市膠南瑯琊鎮(zhèn)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行了海上實(shí)測(cè)。試驗(yàn)網(wǎng)箱為周長(zhǎng)40m的HDPE圓形深水網(wǎng)箱，網(wǎng)衣水下深度6m，網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚(yú)類為許氏平鲉，平均個(gè)體重量0.5kg，試驗(yàn)時(shí)將換能器在安放于水深0.2m處，分別對(duì)放養(yǎng)數(shù)量為200尾、3000尾、5000尾、15000尾4個(gè)網(wǎng)箱和空網(wǎng)箱（無(wú)魚(yú)）的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行了采集，以目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)試

8、結(jié)果作為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)依據(jù)。結(jié)果表明：在網(wǎng)箱內(nèi)魚(yú)群密度較小（5000尾）的情況下，試制的水下聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以直觀反映深水網(wǎng)箱中養(yǎng)殖魚(yú)類的生物量隨著數(shù)量的增減而發(fā)生變化，基本達(dá)到對(duì)深水網(wǎng)箱中魚(yú)群生物量變化的監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)目的；當(dāng)網(wǎng)箱內(nèi)魚(yú)群密度較大時(shí)，目標(biāo)強(qiáng)度增加的幅度和規(guī)律性與預(yù)期的結(jié)果不甚一致，分析原因，一是可能由于儀器設(shè)備信號(hào)飽和的原因，二是由于魚(yú)群密集于網(wǎng)箱內(nèi)的有限區(qū)域內(nèi)，密度過(guò)大，儀器精度無(wú)法滿足所致，這有待于今后可通過(guò)選擇性能更好的換能器