屈泰春 陳帥 黃洪亮 湯勇 劉健 吳越 李靈智 馮春雷 戴陽

（1中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所，農業(yè)部東海與遠洋漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，上海200090；2大連海洋大學，海洋科技與環(huán)境學院，遼寧大連116023；3中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所，漁業(yè)遙感信息技術實驗室，上海200090）

0 引言

南極大磷蝦（Euphausia superba）的資源蘊藏量巨大［1-2］，且營養(yǎng)物質含量豐富［1-5］，已被列入今后中國遠洋漁業(yè)發(fā)展的主要開發(fā)品種之列［2］，有望成為遠洋漁業(yè)的新興產(chǎn)業(yè)。但是，由于南極海域特殊的地理位置，作為南極生態(tài)系統(tǒng)的關鍵物種［6］，南極大磷蝦的開發(fā)和利用需要建立在充分的資源評估基礎之上［7］。漁業(yè)資源聲學評估以其無選擇性、覆蓋面積大、快速準確、不傷資源等優(yōu)點，成為南極海洋生物資源養(yǎng)護委員會（Commission for the Conservation of Antarctic Marine Living Resources，簡 稱CCAMLR）評估南極大磷蝦的一個重要手段［8-9］。

成熟個體的南極大磷蝦體長一般在5.6—6 cm［2］，并以大規(guī)模群集方式生活，適合使用以體積混響測量原理為基礎的回波積分方法［10］進行生物量的聲學評估。但是，由于南極大磷蝦個體較小并且無鰾，屬于弱散射體［11-12］，信噪比（Signal-tonoise ratio，簡稱SNR）相對于魚類小很多。雖然南極大磷蝦集群的體積反向散射強度（Volume Backscattering Strength，簡稱Sv）信號較大，但由于其集群行為與光照條件［13-14］、環(huán)境因子［15］等有關，集群的Sv信號的信噪比變化較大。同時，由于聲波在水介質中傳播時會發(fā)生傳播損失，信噪比隨著聲波傳播距離的增大而減小。信噪比越低，評估結果的偏差越大［16］。所以，噪聲的準確評估是反映南極大磷蝦生物量評估結果準確性的一個重要指標。本文應用2011／2012年度中國第28次南極科學考察的SIMRAD EK500聲學數(shù)據(jù)，重點從聲學數(shù)據(jù)的噪聲方面對“雪龍?zhí)枴蹦蠘O大磷蝦聲學調查的有效性進行評估，并給出了此次南極大磷蝦聲學資源評估的結果。

1 材料與方法

1.1 聲學調查

數(shù)據(jù)來源于中國第28次南極科學考察，調查船為“雪龍?zhí)枴睒O地科學考察船；調查設備為SIMRAD EK500（38 kHz）分裂波束式科學漁探儀；聲學數(shù)據(jù)采集軟件為Echolog 500。調查時間為2012年1月16日至2012年1月29日；調查海域為60.0°S—60.4°S，66.0°W—45.5°W之間的南極半島附近海域的南極大磷蝦主要漁場。調查航線采用斷面方法，如圖1所示。

“雪龍?zhí)枴笨茖W考察船的吃水深度為9 m，聲學換能器安裝在船舶底部前三分之一位置，聲軸垂直向下。2011年11月中旬，在澳大利亞弗里曼特爾港口錨地，使用碳鎢標準球對聲學儀器進行矯正［17］。聲學儀器主要參數(shù)的設置見表1。

圖1 2012年1月16日至2012年1月29日中國第28次南極科學考察南極半島附近聲學調查斷面圖Fig.1.Antarctic transect lines around the Antarctic Peninsula of the 28th China Antarctic Survey from Jan 16，2012 to Jan 29，2012

表1 SIMRAD EK500科學漁探儀主要技術指標與參數(shù)設置Table 1.Main transducer specifications and parameter settings of the SIMRAD EK500 scientific echosounder

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 噪聲處理

采用Robertis［18］提出的信噪比估算和背景噪聲剔除聲學數(shù)據(jù)后處理方法對原始聲學數(shù)據(jù)進行噪聲評估和消除研究。這種方法直接應用科學漁探儀的主動模式數(shù)據(jù)對調查斷面內的噪聲情況作出判斷［18-21］，剔除對象為科學漁探儀自身的電子噪聲、船舶噪聲和由于海況變化、船舶變速以及海底地形變化引起的背景噪聲。本文數(shù)據(jù)處理軟件采用Echoview?（V4.6）后處理系統(tǒng)、Surfer8.0和 Matlab R2010a。

參考Robertis的方法［18］，原始聲學數(shù)據(jù)首先消除時變增益（Time-varied-gain，簡稱TVG）放大影響，得到原始聲學數(shù)據(jù)的類功率數(shù)值——P數(shù)據(jù)序列，單位dB re 1W；之后按照一定聲脈沖間隔分組，計算每個分組內各個水層信號的平均值，取每個分組內的最小平均值作為各個分組內噪聲評估值；然后，將噪聲評估值加上時變增益得出噪聲信號的Sv值（或是TS值），再應用線性域相減法得出各個分組內剔除噪聲后的數(shù)據(jù)。其中，每個分組內的聲脈沖個數(shù)和各個水層間隔，即采樣間隔需要依據(jù)具體的數(shù)據(jù)和后處理需求做出最佳選擇。方法是應用不同的脈沖間隔和水層間隔組合進行噪聲評估，取能夠使噪聲評估值最大的，并且符合后處理需求的組合作為最佳組合。

因為噪聲評估值是一個平均值，所以剔除噪聲影響的聲學數(shù)據(jù)中仍然存在大于平均值的噪聲信號，需要剔除。這部分噪聲信號使用信噪比屏蔽技術進行剔除。信噪比屏蔽技術是應用一個信噪比閾值將不符合要求的數(shù)據(jù)點屏蔽掉，即剔除。

1.2.2 磷蝦生物量計算

磷蝦生物密度和總量的計算參考CCAMLR在2000年組織的對南極半島海域南極磷蝦資源量聲學調查的數(shù)據(jù)處理方法［8］，聲學數(shù)據(jù)積分水層為15—200 m，積分間隔為1nmil，38 kHz的南極大磷蝦目標強度-體長經(jīng)驗公式：

其中，L為南極大磷蝦的體長，單位mm；TS為對應體長L的目標強度。

調查海域面積的確定。由于調查水域緯度的跨度較大，所以采用梯形的面積作為調查海域面積的近似值。

2 結果與分析

2.1 平均運算所用的聲脈沖間隔與水層間隔（采樣點間隔）的確定

因為噪聲強度是隨機變化過程，需用噪聲強度的算術平均值來描述噪聲等級。但是，使用幾個聲脈沖以及每個聲脈沖的幾個采樣點數(shù)據(jù)來計算平均值是一個關鍵問題。圖2a、b所示為本文選取的用來確定這一參數(shù)的100個連續(xù)聲脈沖數(shù)據(jù)。從圖2a中可以看到，選用數(shù)據(jù)序列的噪聲條帶（中部以及下部灰藍色條帶）水平分布，說明這組數(shù)據(jù)的噪聲變化不大，適合做不同聲脈沖間隔與采樣點間隔組合對Pnoise的影響研究。結果（圖3）表明：

圖2 用于確定聲脈沖與采樣點間隔組合的P數(shù)據(jù)序列（去TVG影響，參考1.2.1第二自然段）.（a）所用原始數(shù)據(jù)；（b）所用數(shù)據(jù)的P數(shù)據(jù)序列，共100個聲脈沖序列；（c）P數(shù)據(jù)序列中的一個聲脈沖示意圖Fig.2.A ping subset of P values used to determine the combination of ping interval and sample interval（P values is arrived from Sv values which have removed the TVG functions，see paragraph 2，section 1.2.1）.（a）Sv echogram；（b）P echogram，100 used pings；（c）The values of one ping in the P echogram made by‘Graph Ping’in Echoview

圖3 按照聲脈沖間隔（Ping＿interval）與每個聲脈沖采樣點間隔（Sample＿interval）的不同組合，分別對圖2b所示數(shù)據(jù)序列做平均運算得到的噪聲評估值Pnoise的變化趨勢圖.聲脈沖間隔以1為步長從1增大到100，采樣點間隔以10為步長從10增大到290（根據(jù)EK500的設置，垂直距離上10 cm采樣一次，所以采樣間隔為10時，對應垂直距離1 m）.繪圖軟件為Surfer8.0Fig.3.The Pnoise Change Trend Chart drawn from averages calculated by different combinations of ping interval and sample interval using the ping subset in Fig.2b.The ping interval increased from 1 to 100 with the step 1，and the sample interval increased from 10 to 290 with the step 10.Drawing software is Surfer8.0

（1）當聲脈沖數(shù)為1時，隨著采樣點間隔的增加，Pnoise值逐漸增大（Sample＿interval側截面），最后趨于常數(shù)值－155.2 dB，拐點出現(xiàn)在50個采樣點附近；（2）當采樣點間隔為10時（對應本次聲學調查水深方向的采樣距離為1 m），隨著聲脈沖間隔的增加，Pnoise值逐漸增大（Ping＿interval側截面），最后同樣趨于常數(shù)值 －155.2 dB，Pnoise值變化較（1）中情況平緩，拐點出現(xiàn)在15個聲脈沖附近；（3）在圖2c中，可以看到，P數(shù)據(jù)下部數(shù)據(jù)值都圍繞一個很小的固定值－155 dB左右振動，對比圖2b的相應水層的水體可知，這個水層的數(shù)據(jù)可認為是空水體數(shù)據(jù)，振動中心可認為是平均噪聲的P值，與（2）所得結果相當；（4）當采樣點間隔大于120時，Pnoise值明顯增大，在圖3中呈現(xiàn)兩條脊。這是因為當水深方向采樣距離恰好落在兩條脊所在范圍時，采樣水層中非背景噪聲信號占了絕大部分或是包含了非背景噪聲信號特別大的采樣點，因此最后的 Pnoise較大。而這時脈沖間隔的變化對Pnoise值的影響很小，所以形成了兩條脊。說明采樣點間隔大于120的組合中都含有非背景噪聲的數(shù)據(jù)點，不適用于平均運算處理。

綜上所述，最佳組合應該在采樣點間隔小于120的范圍內產(chǎn)生。也就是說，Pnoise可以通過多種聲脈沖間隔和小于120的采樣點間隔的組合獲得，如40×50、10×10或1×70（聲脈沖間隔×采樣點間隔）。其中，10×10組合似乎是所有組合中效果最好的，所用聲脈沖數(shù)和采樣點間隔都是最少的，并且計算結果非常穩(wěn)定。但是，使用多個聲脈沖計算平均噪聲強度，會造成部分聲脈沖的噪聲等級評估偏高，另一部分偏低，使信噪比屏蔽步驟中發(fā)生錯判；同時，通過對本次南極大磷蝦聲學數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，此次調查時的噪聲變化非常大；再加上以后處理數(shù)據(jù)時對目標物的辨別的影響，所以，所用聲脈沖個數(shù)應越少越好。因此，本次南極大磷蝦噪聲評估中平均運算的最佳組合定為1×70。

2.2 噪聲強度評估值隨時間和海底地形的變化

圖4所示為噪聲強度評估值隨時間和海底地形的變化關系，對比圖4a、b，可以得出：

（1）應用本文方法得出的噪聲強度評估值可以真實地反映原始數(shù)據(jù)中噪聲變化情況，回波圖4b中噪聲較大的地方，在回波圖4a對應處的信號強度值也較大；

（2）噪聲等級的大小與海底地形成正相關關系，海底較高的地方，噪聲強度評估值較大；海底較低的地方，噪聲強度評估值較小；海底地形變化越復雜，噪聲強度變化也越復雜，這與Robertis的研究結果一致。

對本次聲學調查所有調查斷面內聲脈沖的噪聲評估值進行平均運算，得出“雪龍?zhí)枴笨茖W考察船在調查期間的平均噪音功率值Pnoise為－146.47 dB re1W。

2.3 信噪比SNR上限閾值對噪聲消去效果的影響

圖5為分別使用本文的信噪比定義和Robertis方法［18］中信噪比定義得到的噪聲消去效果圖，圖5b、d，除信噪比上限閾值設置方法不同，其他處理過程均相同。對比圖5c和圖5b、d可知本文方法避免了人為因素的干擾。

圖4 消除時變增益TVG影響后的P值回波圖像.（a）原始P回波圖像；（b）使用本文方法處理得到的Pnoise回波圖像.綠線為海底邊界線，兩圖所使用的色標相同F(xiàn)ig.4.P values echogram arrived from Sv valueswhich have removed the TVG functions.（a）The original P values echogram；（b）Pnoise values echogram.The green line is the bottom line and the two echograms use the same color scale

圖5 本文所使用的信噪比上限閾值設定方法與Robertis方法的噪聲消去效果對比.（a）原始Sv回波圖像；（b）使用Robertis方法中定義的信噪比上限閾值等于1dB時得到的噪聲剔除效果Sv回波圖像；（c）使用本文中信噪比上限閾值設置方法得到的噪聲剔除效果Sv回波圖像；（d）使用Robertis方法中定義的信噪比上限閾值等于10 dB時得到的噪聲剔除效果Sv回波圖像.4幅圖像所用色標相同，黑色像素為被屏蔽掉的信號.除信噪比上限閾值設置方法不同，其他處理過程均相同F(xiàn)ig.5.Noise-reduced echograms thresholded using a thresholdSNR of Robertis-Higginbottom definition and the definition applied in this paper respectively.（a）Original echogram；（b）Noise-reduced echogram thresholded using a thresholdSNR of 1 dB defined by Robertis and Higginbottom；（c）Noise-reduced echogram thresholded using the thresholdSNR defined in this paper；（d）Noisereduced echogram thresholded using a thresholdSNR of 10 dB defined by Robertis and Higginbottom.Four echograms use the same color scale and the black pixels are the thresholded signals.All the procedures are same expect the threshold procedure

2.4 噪聲消去效果

圖6為使用本文方法得出的噪聲消去效果圖。從圖中可以看出，回波圖6a下方藍色的噪聲信號被剔除得較為干凈。而且，無論是深水層中單體信號的邊緣還是各個群體信號的邊緣都保留得比較完整，說明本文方法可以成功地應用到南極大磷蝦聲學數(shù)據(jù)的噪聲消去過程中。

在南極大磷蝦聲學數(shù)據(jù)中隨機地抽取10個目測為空白水體（無任何散射物體的水體，可用來評估Pnoise）的數(shù)據(jù)區(qū)域，計算平均噪聲消去百分比。因為空水體信號內應全部是背景噪聲信號，所以噪聲消去百分比理論上應該是100%，這個值越高，說明噪聲剔除效果越好。結果顯示，10個區(qū)域的噪聲平均剔除百分比為88.3%，最大值為95.6%，最小值為82.9%，噪聲消去效果良好。

2.5 資源量聲學評估結果

調查海域位于南極半島北部和西北部陸架和陸坡區(qū)域，總面積為6.11×105km2。南極大磷蝦的平均密度為 27.30 g·m－2（62.95 ind·m－2），總資源量為2.06×107t（4.27×1013ind）。其中以60.5°S，55°W至 60.25°S，51°W 為中線，寬 58.61 km的區(qū)域內資源密度較大，平均值 85.19 g·m－2（176.80 ind·m－2），最大值 190.04 g·m－2（394.41 ind·m－2），其他區(qū)域除了 62.8°S，47.5°W附近的特殊區(qū)域（平均值 200.84 g·m－2，最大值 297.24g·m－2）外都較小，平均值 20.37 g·m－2（42.28 ind·m－2），如圖 7。

圖6 南極大磷蝦噪聲消去效果圖.（a）原始Sv回波圖；（b）噪聲消去后的Svuse回波圖，兩圖使用相同的色標Fig.6.Krill noise-reduced echogram.（a）Original Sv echogram；（b）Noise-reduced Svuse echogram.The two echogram use the same color scale

圖7 南極大磷蝦資源密度分布圖Fig.7.Dispersion of krill biomass density over the survey area

3 討論

3.1 噪聲剔除

本文噪聲剔除方法的處理對象中并不包含來自其他弱泳生物（micro-nekton）、非膠質類浮游動物（non-gelatinous zooplankton）、thaliaceans［22］以及鰭魚類的混響信號，這些混響信號的區(qū)分和消除需要借助其他聲學數(shù)據(jù)后處理方法，如多頻差分技術［23-24］。這是因為本文所用方法的原理是應用空水體信號和發(fā)射脈沖能量很小的遠距離信號（如二次海底回波）作為噪聲評估的數(shù)據(jù)源，由于這些信號中并不包含任何反射聲能量，所以其主要特點是數(shù)值最小；而混響信號是其他不感興趣生物的反射回波與背景噪聲的疊加信號，數(shù)值上大于背景噪聲信號，當取平均運算的最小者作為噪聲評估值時，較大的混響信號自然被排除。當然，這種方法也可以應用于混響源充滿整個調查水體，并且分布均勻的混響信號的剔除處理中，這是因為這部分信號始終存在，并且比較穩(wěn)定，那么平均運算的最小值中除了包含背景噪聲，還包含這部分混響信號。比如，使用本文方法處理調查水體較渾濁，或是浮游生物均勻分布水層的數(shù)據(jù)時，處理對象則為背景噪聲和懸浮泥沙混響或是浮游生物混響。

本文信噪比的定義與Robertis［18］方法不同。原文獻中，信噪比屏蔽步驟中對信噪比的定義為原始聲學數(shù)據(jù)減去噪聲評估值的Sv值，其物理意義為混有噪聲的原始信號與噪聲信號的比值，這樣計算出來的信噪比值理論上都是正數(shù)（比值大于1）。為了屏蔽掉較大的噪聲信號（信噪比大于0，且較小），需要人為地設定一個信噪比上限閾值，大于這個閾值的信號被認為是非背景噪聲信號予以保留，小于這個閾值的信號則被認為是較大的背景噪聲信號予以剔除。信噪比上限閾值設置得過小，噪聲剔除不完全，圖5b；設置得過大，又會剔除很多非背景噪聲信號，圖5d，還會給人一種去噪信號較好的錯覺，即人為主觀因素對去噪效果的影響特別大。本文對信噪比的定義為剔除背景噪聲影響的Sv數(shù)據(jù)減去最大噪聲評估值的Sv值，其物理意義為剔除背景噪聲影響的信號與最大噪聲評估信號的比值。因為原始信號值是噪聲信號與其他信號的疊加［20］，因此，原始聲學信號值是大于等于噪聲信號值的。當信噪比小于0，即比值小于1時，說明剔除背景噪聲影響的信號（注意背景噪聲的評估值為平均值）值小于最大噪聲信號，即也是比背景噪聲（平均值）大的較大背景噪聲信號，應予以剔除；相反，當信噪比大于0，即比值大于1時，說明剔除背景噪聲影響的信號值大于最大噪聲信號，為非背景噪聲信號，應予以保留。這樣，便找到了一個客觀的信噪比上限閾值，解決了原方法人為主觀影響非常大的缺點。但是，由于其他混響信號的存在或是屏蔽不完全的原因，噪聲剔除效果從主觀上不如使用較大信噪比上限閾值的原方法，如圖5c與5d，這是正常的。

根據(jù)南極大磷蝦聲學數(shù)據(jù)噪聲變化劇烈的特點，本文將Robertis方法［18］中接收信號平均處理時應用多個聲脈沖收發(fā)循環(huán)減少到使用單個聲脈沖收發(fā)循環(huán)，有助于提高本文方法對劇烈變化噪聲的處理能力；同時，對信噪比的重新定義，消除人為主觀因素對噪聲消去效果的影響。但是，本文方法并沒有100%地將噪聲信號剔除。引起噪聲信號剔除不完全的原因大致可以歸結為以下三點：一是由于本文噪聲消去使用的數(shù)據(jù)為科學漁探儀主動模式數(shù)據(jù)，并不能保證評估噪聲時所選取區(qū)域確實為空白水體信號；二是噪聲評估值偏小；三是最大噪聲評估值偏小。如何確定噪聲信號剔除不完全的原因，并將噪聲信號100%地剔除還需要進一步的研究。

“雪龍?zhí)枴迸c其他聲學調查船的噪聲對比。2000年，CCAMLR組織了一次針對南極半島附近海域南極大磷蝦生物量的多國-多船聯(lián)合聲學調查，聲學設備均為EK500型科學漁探儀［13］。表2列出了CCAMLR 2000年調查所用船只和“雪龍?zhí)枴笨瓶即?8 kHz的Pnoise。對比CCAMLR 2000年調查所用船只與“雪龍?zhí)枴钡腜noise值，可以得出，“雪龍?zhí)枴笨瓶即瑢?8 kHz的聲學換能器的影響介于CCAMLR 2000年調查所用船只之間，適合南極大磷蝦資源量的聲學調查工作。但是，為了減小調查誤差以及便于與其他科考結果對比，應該針對“雪龍?zhí)枴笨瓶即脑肼暻闆r進行專門的測量［20］。

表2 “雪龍?zhí)枴迸cCCAM LR 2000年調查所用船只38 kHz的 Pnoise（dB re 1W）Table 2.The Pnoise values（dB re 1W）of 38 kHz for the R／V Xuelong icebreaker and each ship used in CCAMLR survey in 2000

3.2 南極大磷蝦資源密度和資源量

本次調查與其他在象島（Elephant Island）附近海域的南極大磷蝦資源量調查結果［24］對比，見表3。從表3可知：1978—2001年對該區(qū)域進行的網(wǎng)具采樣調查得到的平均生物量密度為0.8—46.8 g·m－2，1990—1997年對該區(qū)域進行的聲學評估得到的平均生物量密度為 9.6—100.4 g·m－2，而本次調查所得的象島附近海域中南極大磷蝦的生物量密度在1.09—153.1g·m－2之間。從以上數(shù)據(jù)可以看出，本次調查的結果與1990—1997年的聲學調查結果非常接近，但最大資源密度高于1990—1997年的調查結果。

表3 象島附近海域中使用聲學評估方法或網(wǎng)具調查方法獲得的南極大磷蝦資源密度［25］Table 3.Krillbiomass density derived from netand acoustic surveys around the Elephant Island［25］

致謝 感謝中國第28次南極科學考察隊以及雪龍?zhí)柨茖W考察船成員的支持和幫助。

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