Акустика рыболовства - Fisheries acoustics

Эхолот для эхолота

Акустика рыболовства включает в себя ряд тем для исследований и практического применения с использованием акустических устройств в качестве датчиков в водной среде. Акустические методы могут применяться для определения водных животных , зоопланктона , а также физических и биологических характеристик среды обитания .

Основная теория

Оценка биомассы - это метод обнаружения и количественной оценки рыб и других морских организмов с использованием сонарной технологии. Акустический преобразователь излучает в воду короткий сфокусированный звуковой импульс. Если звук сталкивается с объектами, плотность которых отличается от плотности окружающей среды, например, рыбы, они отражают звук обратно к источнику. Эти эхо-сигналы предоставляют информацию о размере, местонахождении и численности рыбы . Основными компонентами аппаратной функции научного эхолота являются передача звука, прием, фильтрация и усиление, запись и анализ эхо-сигналов. Хотя существует множество производителей коммерчески доступных «эхолотов», количественный анализ требует, чтобы измерения проводились с помощью калиброванного эхолота с высоким отношением сигнал / шум .

История

Звук издают чрезвычайно большое количество таксонов рыб. Нормальное производственное поведение дает возможность изучать различные аспекты биологии рыб, такие как нерестовое поведение и выбор среды обитания, неинвазивным образом. Пассивные акустические методы могут быть привлекательной альтернативой или дополнением к традиционным методам оценки рыболовства, поскольку они неинвазивны, могут проводиться с низкими затратами и могут охватывать большую территорию исследования с высоким пространственным и временным разрешением.

После Первой мировой войны, когда эхолоты впервые начали использовать для обнаружения подводных лодок, эхолоты начали находить применение не только в вооруженных силах. Французский исследователь Раллье дю Бати в 1927 году сообщил о неожиданных эхосигналах в середине воды, которые он приписал косякам рыб. В 1929 году японский ученый Кимура сообщил о нарушениях непрерывного акустического луча, вызванного плаванием морского леща в пруду для аквакультуры.

В начале 1930-х годов два коммерческих рыбака, англичанин Рональд Боллс и норвежец Райнерт Бокн, начали независимо экспериментировать с эхолотами как средством обнаружения рыбы. Акустические следы косяков кильки, записанные Bokn во Фрафьорде, Норвегия, были первой опубликованной эхограммой рыбы. В 1935 году норвежский ученый Оскар Сунд сообщил о наблюдениях за косяками трески с исследовательского судна Johan Hjort, что стало первым применением эхолота для исследований в области рыболовства.

Гидролокаторные технологии быстро развивались во время Второй мировой войны, и излишки военного оборудования были приняты коммерческими рыбаками и учеными вскоре после окончания боевых действий. В этот период впервые были разработаны инструменты, специально предназначенные для обнаружения рыбы. Однако в интерпретации акустических съемок сохранялись большие неточности: калибровка инструментов была нерегулярной и неточной, а свойства рассеяния звука рыб и других организмов были плохо изучены. Начиная с 1970-х и 80-х годов, серия практических и теоретических исследований начала преодолевать эти ограничения. В этот период также появились технологические достижения, такие как эхолоты с разделенным лучом, цифровая обработка сигналов и электронные дисплеи.

В настоящее время акустические съемки используются для оценки и управления многими промыслами во всем мире. Калиброванные эхолоты с расщепленным лучом входят в стандартную комплектацию. Часто одновременно используются несколько акустических частот, что позволяет различать разные типы животных. Технологическое развитие продолжается, включая исследования многолучевых, широкополосных и параметрических сонаров.

Методы

Подсчет рыбы

Когда отдельные цели расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы их можно было отличить друг от друга, легко оценить количество рыб, подсчитав количество целей. Этот тип анализа называется подсчетом эхо-сигналов и исторически был первым, который использовался для оценки биомассы.

Интеграция эха

Если в акустическом луче на одной и той же глубине находится более одной цели, обычно невозможно разрешить их по отдельности. Это часто бывает со стайными рыбами или скоплениями зоопланктона. В этих случаях для оценки биомассы используется интеграция эхо-сигналов. Интеграция эха предполагает, что общая акустическая энергия, рассеянная группой целей, является суммой энергии, рассеянной каждой отдельной целью. Это предположение выполняется в большинстве случаев. Полная акустическая энергия, обратно рассеянная школой или скоплением, интегрируется вместе, и эта сумма делится на (ранее определенный) коэффициент обратного рассеяния одного животного, что дает оценку общего количества.

Инструменты

Эхолоты

Основная статья: Зондирование эха

Основным инструментом в акустике рыболовства является научный эхолот. Этот инструмент работает по тем же принципам, что и любительский или коммерческий эхолот или эхолот , но спроектирован для большей точности и точности, что позволяет делать количественные оценки биомассы. В эхолоте приемопередатчик генерирует короткий импульс, который посылается в воду преобразователем, массивом пьезоэлектрических элементов, расположенных так, чтобы производить сфокусированный звуковой луч. Чтобы использовать эхолот для количественной работы, он должен быть откалиброван в той же конфигурации и в той же среде, в которой он будет использоваться; Обычно это делается путем изучения эхосигналов от металлической сферы с известными акустическими свойствами.

Ранние эхолоты передавали только один луч звука. Из-за формы акустического луча идентичные цели под разными углами азимута будут отражать разные уровни эха. Если известны диаграмма направленности луча и угол к цели, эту направленность можно компенсировать. Необходимость определения угла к цели привела к разработке двухлучевого эхолота , который формирует два акустических луча, один внутри другого. Сравнивая разность фаз одного и того же эхо-сигнала во внутреннем и внешнем лучах, можно оценить угол отклонения от оси. В дальнейшем усовершенствовании этой концепции эхолот с расщепленным лучом делит поверхность преобразователя на четыре квадранта, что позволяет определять местоположение целей в трех измерениях. Одночастотные эхолоты с расщепленным лучом в настоящее время являются стандартным инструментом акустики рыболовства.

Многолучевые эхолоты

Основная статья: Многолучевой эхолот

Многолучевые сонары проецируют веерообразные звуковые лучи наружу в воду и записывают эхо в каждом луче. Они широко использовались в батиметрических съемках, но недавно начали находить применение и в акустике рыболовства. Их главным преимуществом является добавление второго измерения к узкому профилю водяного столба, создаваемому эхолотом. Таким образом, можно комбинировать множественные эхо-запросы, чтобы получить трехмерную картину распределения животных.

Акустические камеры

Акустические камеры - это инструменты, которые мгновенно отображают трехмерный объем воды. В них обычно используется более высокочастотный звук, чем в традиционных эхолотах. Это увеличивает их разрешение, чтобы можно было детально рассмотреть отдельные объекты, но означает, что их диапазон ограничен десятками метров. Они могут быть очень полезны для изучения поведения рыб в закрытых и / или мутных водоемах, например, для наблюдения за проходом проходных рыб у плотин.

Платформы для акустики рыболовства

Акустические исследования рыболовства проводятся с различных платформ. Наиболее распространенным является традиционное исследовательское судно с эхолотами, установленными на корпусе корабля или в откидном киле. Если на судне нет постоянно установленных эхолотов, они могут быть развернуты на мачте, прикрепленной к борту судна, или на буксируемом корпусе или «буксирной рыбе», тянущейся за судном или рядом с ним. Буксируемые трупы особенно полезны для изучения глубоководных рыб, таких как рыжий хищник , которые обычно живут ниже досягаемости эхолота на поверхности.

В дополнение к исследовательским судам, акустические данные могут быть собраны с множества «благоприятных судов», таких как рыболовные суда, паромы и грузовые суда. Суда возможностей могут предложить недорогой сбор данных на больших территориях, хотя отсутствие истинного плана обследования может затруднить анализ этих данных. В последние годы акустические инструменты также использовались на дистанционно управляемых транспортных средствах и автономных подводных транспортных средствах, а также в океанских обсерваториях.

Наблюдения за силой цели и моделирование

Сила цели (TS) - это показатель того, насколько хорошо рыба, зоопланктер или другая цель отражают звук в направлении датчика. В целом, более крупные животные обладают большей силой цели, хотя другие факторы, такие как наличие или отсутствие наполненного газом плавательного пузыря у рыб, могут иметь гораздо больший эффект. Сила цели имеет решающее значение для акустики рыболовства, поскольку она обеспечивает связь между акустическим обратным рассеянием и биомассой животных. TS может быть получен теоретически для простых целей, таких как сферы и цилиндры, но на практике он обычно измеряется эмпирически или рассчитывается с помощью численных моделей.

Приложения

Обследования, оценка запасов, менеджмент Экология Поведение

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки