童劍鋒，薛銘華，王學(xué)昉，田思泉

（上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306）

0 引言

漁業(yè)海洋學(xué)中使用回聲探測(cè)儀發(fā)射與接收聲波對(duì)水下生物進(jìn)行探測(cè)的方法稱為漁業(yè)聲學(xué)，聲學(xué)方法快捷、方便、分辨率高、可覆蓋時(shí)空范圍廣且不對(duì)環(huán)境資源造成破壞,已成為國內(nèi)外漁業(yè)資源評(píng)估的重要方法[1]聲波探測(cè)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(cè)到后會(huì)產(chǎn)生后向散射，換能器接收到這些散射信號(hào)后，進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換將探測(cè)目標(biāo)可視化，從而根據(jù)散射信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行資源量評(píng)估。生物體的聲散射通常使用目標(biāo)強(qiáng)度（Target Strength，TS）來表示，它反映了生物體后向散射聲波的強(qiáng)弱[3]，是利用聲學(xué)方法對(duì)漁業(yè)資源評(píng)估的重要參數(shù)。在漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估中，多采用固定頻率聲波換能器和網(wǎng)具采樣相結(jié)合的方式進(jìn)行探測(cè)。但是該法僅適用于單一物種、大小分布范圍狹窄的魚群。對(duì)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(shù)可以獲得整個(gè)頻率帶范圍內(nèi)連續(xù)的回波特征，得到目標(biāo)散射強(qiáng)度隨頻率變化譜圖，增加了信息量。這些信息與探測(cè)目標(biāo)的種類、大小、游泳姿勢(shì)相關(guān)，在水生動(dòng)物目標(biāo)判別、個(gè)體大小以及生物量估算中發(fā)揮著重要作用，有利于提高目標(biāo)的判別精度。

目標(biāo)強(qiáng)度值與有無魚鰾、傾斜角度、長度、行為、生理學(xué)特征、水深和換能器頻率等因素有關(guān)[4]。其中最主要的兩個(gè)因素為有無魚鰾與傾斜角度?，F(xiàn)階段，目標(biāo)強(qiáng)度的估算方法主要有原位測(cè)量（in situ）、非原位測(cè)量（ex situ）和模型法。其中模型法是根據(jù)聲散射理論和研究對(duì)象生物學(xué)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(guī)則幾何模型，利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算這些模型的目標(biāo)強(qiáng)度[5]。模型法靈活方便，可模擬得到各種不同情況下的目標(biāo)強(qiáng)度值，不受實(shí)際測(cè)量中場(chǎng)地設(shè)施等限制，非常適用于估算無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的魚類的目標(biāo)強(qiáng)度。并且在國內(nèi)外學(xué)者研究下，模型精度不斷提高，是當(dāng)前目標(biāo)強(qiáng)度研究中較主流的方法?；鶢柣舴蛏渚€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(jì)算每個(gè)微元的目標(biāo)強(qiáng)度，最后相加得到整體的目標(biāo)強(qiáng)度。該模型不僅可以較準(zhǔn)確地反映單一頻率下目標(biāo)強(qiáng)度的情況，也可模擬寬頻帶狀態(tài)下目標(biāo)強(qiáng)度的變化。

鑒于聲學(xué)方法在漁業(yè)海洋學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，在課程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該讓學(xué)生了解魚類聲散射即目標(biāo)強(qiáng)度的相關(guān)知識(shí)。包括目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算過程、目標(biāo)強(qiáng)度隨不同因素進(jìn)行變化的情況以及寬頻下目標(biāo)強(qiáng)度的變化特征。由于該門課程的教學(xué)對(duì)象大多數(shù)海洋漁業(yè)和海洋生物專業(yè)背景的學(xué)生，對(duì)于物理模型的理解存在一定的困難。因此，有必要設(shè)計(jì)一款計(jì)算有鰾魚類聲散射模型可視化演算軟件，幫助學(xué)生直觀感受不同條件下魚類聲散射的變化情況，強(qiáng)化知識(shí)體系構(gòu)建，并激發(fā)學(xué)生在軟件設(shè)計(jì)方面的能力和聲學(xué)方法在漁業(yè)海洋學(xué)中應(yīng)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(jì)算其目標(biāo)強(qiáng)度值隨自身和外部狀態(tài)的變化，輸入輸出結(jié)果全過程可視化。其主要功能包括：（1）文件的打開、保存、聲學(xué)參數(shù)設(shè)置、魚類側(cè)向形態(tài)可視化和窗口清理；（2）計(jì)算指定頻率下魚類的目標(biāo)強(qiáng)度，顯示目標(biāo)強(qiáng)度隨魚體游泳傾斜角變化的圖像；（3）計(jì)算指定傾角分布概率密度函數(shù)下魚類的平均目標(biāo)強(qiáng)度；（4）計(jì)算指定頻率帶寬內(nèi)各頻率下的目標(biāo)強(qiáng)度，顯示寬頻目標(biāo)強(qiáng)度譜圖。

1 軟件界面設(shè)計(jì)

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(cè)得個(gè)體魚形態(tài)學(xué)文件并顯示此魚側(cè)向形態(tài)圖像；聲學(xué)參數(shù)設(shè)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(zhì)密度（kg/m3）；單一頻率目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算欄，包括魚體傾斜角設(shè)置、各角度對(duì)應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)果輸出、傾斜角分布函數(shù)設(shè)置以及根據(jù)該分布函數(shù)計(jì)算所得個(gè)體魚的平均目標(biāo)強(qiáng)度；圖像顯示框1，繪制目標(biāo)強(qiáng)度隨傾斜角變化圖；寬頻目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算欄，設(shè)置所需頻率范圍后，結(jié)合設(shè)置的聲學(xué)參數(shù)和角度參數(shù)計(jì)算寬頻目標(biāo)強(qiáng)度；圖像顯示框2，繪制寬頻目標(biāo)強(qiáng)度譜圖。

圖1 演算軟件界面

2 軟件使用

2.1 魚體側(cè)向形態(tài)顯示

在軟件界面中打開預(yù)先測(cè)得的魚體形態(tài)學(xué)文件，可自動(dòng)生成根據(jù)形態(tài)學(xué)文件繪制的由若干微元組成的個(gè)體魚側(cè)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(tài)學(xué)信息包括魚體沿魚體軸方向各微元邊界點(diǎn)的橫坐標(biāo)；魚體各微元沿魚體側(cè)向的長度；魚體各微元沿魚體腹背向上邊界點(diǎn)坐標(biāo)；魚體各微元沿魚體腹背向下邊界點(diǎn)坐標(biāo)；魚鰾沿魚體軸方向各微元邊界點(diǎn)的橫坐標(biāo)；魚鰾各微元沿魚體側(cè)向的長度；魚鰾各微元沿魚體腹背向上邊界點(diǎn)坐標(biāo)；魚鰾各微元沿魚體腹背向下邊界點(diǎn)坐標(biāo)。

圖2 目標(biāo)強(qiáng)度演算結(jié)果與圖像顯示

2.2 目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算

目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算是根據(jù)輸入的各聲學(xué)參數(shù)和魚體傾角進(jìn)行的。通過對(duì)研究對(duì)象及其生活水域的各項(xiàng)特征進(jìn)行實(shí)測(cè)或參考以往文獻(xiàn)得到所需的聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)需要輸入魚體傾角后，將以1°為間隔計(jì)算各角度下的目標(biāo)強(qiáng)度。并在圖像顯示框內(nèi)同步生成魚體（Body）、魚鰾（Swimbladder）和整魚（Fish）目標(biāo)強(qiáng)度隨傾斜角度（Pitch angle）變化圖（圖2）。在上述設(shè)置的基礎(chǔ)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(jì)算所設(shè)置頻率范圍內(nèi)各個(gè)頻率下的平均目標(biāo)強(qiáng)度，并生成寬頻目標(biāo)強(qiáng)度譜圖（圖2）。

2.3 結(jié)果保存

本軟件支持將結(jié)果保存為xlsx、xls或csv文件。其中，單頻目標(biāo)強(qiáng)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(biāo)強(qiáng)度；TS_body(dB)為魚體目標(biāo)強(qiáng)度；TS_fish(dB)為整魚目標(biāo)強(qiáng)度。寬頻目標(biāo)強(qiáng)度將以圖4所示格式保存。Frequency(kHz)為聲波頻率；TS(dB)為左側(cè)頻率對(duì)應(yīng)的平均目標(biāo)強(qiáng)度。

圖3 單頻目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算輸出文件內(nèi)容

圖4 寬頻目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算輸出文件內(nèi)容

3 結(jié)語

本文所介紹的是一款應(yīng)用于漁業(yè)海洋學(xué)課程教學(xué)的有鰾魚類聲散射演算軟件，它是一款具備寬頻目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)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(jì)算有鰾魚目標(biāo)強(qiáng)度隨自身狀態(tài)、外界環(huán)境及發(fā)射聲波頻率進(jìn)行變化的情況，并支持結(jié)果的輸出與保存。這些結(jié)果將為了解不用海洋環(huán)境對(duì)有鰾魚聲學(xué)特征的影響提供參考，為漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估提供重要支撐。該軟件全過程可視化，易于在課堂上教學(xué)演示，線上教學(xué)時(shí)也容易演示。學(xué)生亦可以通過漁業(yè)海洋學(xué)的魚類解剖實(shí)驗(yàn)，獲取有鰾魚類的形態(tài)學(xué)參數(shù)，導(dǎo)入該有鰾魚類聲散射演算軟件中，計(jì)算自己實(shí)驗(yàn)測(cè)量魚類的目標(biāo)強(qiáng)度。該軟件有利于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)魚類聲散射的建模原理和計(jì)算過程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，鞏固理論學(xué)習(xí)，促進(jìn)知識(shí)掌握，同時(shí)也為漁業(yè)海洋學(xué)教學(xué)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(jí)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目資助，謹(jǐn)致謝忱！