深水網箱生物量聲學監(jiān)控系統(tǒng)的試驗研究.pdf

1、隨著深水抗風浪網箱的推廣應用，我國的海水網箱養(yǎng)殖逐漸從10m等深線向20m以深海域發(fā)展，養(yǎng)殖區(qū)域不斷擴大，網箱趨于大型化，養(yǎng)殖生產中迫切需要解決水下觀察和安全監(jiān)控等技術問題。已有的光學水下監(jiān)視系統(tǒng)，由于對海區(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，對目標的分辨率和檢測距離與水介質的透明度無關，是理想的信息載體。因此，利用聲吶探測技術，定量評估和監(jiān)測網箱圈養(yǎng)水體內的生物量變化，研究開發(fā)用于深

2、水網箱養(yǎng)殖過程安全管理的聲學監(jiān)控設施，將具有更廣泛的應用。
　　 利用聲學原理進行魚群探測和資源評估的基礎是魚體目標強度。為此，首先以黃海、東海主要養(yǎng)殖魚類許氏平鲇和大黃魚為研究對象，在消聲水池中選用KF-668雙屏彩色探漁儀等儀器在50kHz和200kHz工作頻率下對研究對象目標強度及背向反射聲截面與體重和體長的關系進行研究。試驗結果顯示，體重和體長均可用做定量表述上述兩種魚類目標強度的參數。TS大黃魚在50kHz頻率下身體各

3、向目標強度值介于-32.63dB～-58.01dB;200kHz頻率下身體各向目標強度介于-29.3dB～-56.99dB。TS許氏平鮋在50kHz頻率下身體各向目標強度值介于-31.93dB～-64.68dB;200kHz頻率下身體各向目標強度介于-31.74dB～-63.26dB。身體各向目標強度大小為TS側向＞TS背向＞TS頭向＞TS尾向。通過計算得到不同頻率下待測樣本側向目標強度和體長的關系式。50kHz:TS大黃魚=24.8l

4、ogL(cm)-73.9(側向);200kHz:TS大黃魚=23.9logL(cm)-71.3(側向).50kHz:TS許氏平鮋=25.7logL(cm)-69.16（側向）；200kHz:TS許氏平鮋=26.4logL(cm)-70.8（側向）。試驗結果為深水網箱聲學水下監(jiān)測系統(tǒng)的設計提供基礎數據支持。
　　 在得到黃海海域和東海海域主要養(yǎng)殖對象許氏平鲇和大黃魚目標強度數據，以及兩種魚類目標強度和體長的關系式基礎上，基于生物資

5、源量聲學評估原理，設計并試制一種水下聲學監(jiān)測儀。為驗證和完善設計方案，在中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所的消聲水池中，對試制的樣機進行了模擬測試。試驗采用的模型網箱依據周長40m的HDPE圓形網箱尺度，按1:5模型比尺制作，并選擇體型與許氏平鲉和大黃魚相似的淡水魚進行實驗。首先使用水下聲學監(jiān)測系統(tǒng)測試空網的目標強度，將空網目標強度數據剔除，然后每次投放10尾魚到模擬網箱中測試魚群的目標強度信號，每次測試10min，測試4至5次，將目

6、標強度根據公式轉換成其反向散射聲截面，取數據的算術平均數，然后根據公式將平均反向散射.聲截面轉換為實驗樣本的目標強度，為最終實驗結果。得到模擬網箱中不同數量魚群的目標強度數據。在實驗中總結水下聲學監(jiān)測系統(tǒng)樣機設計中存在的不足，根據實驗情況改進樣機的性能，試制出由超聲波換能器陣，收發(fā)控制器，數據采集器、外部供電電源和工作電腦等組成的深水網箱工況聲學監(jiān)控系統(tǒng)正樣機。換能器陣采用球冠面結構，7個超聲波基元位于正六邊形的六個頂點和中心位置，基元

7、間間距大于聲束角，以保證各基元聲束主瓣不會相互重疊，同時擴大監(jiān)測范圍，減少盲區(qū)。
　　 對試制的監(jiān)控系統(tǒng)樣機在山東省青島市膠南瑯琊鎮(zhèn)深水網箱養(yǎng)殖場進行了海上實測。試驗網箱為周長40m的HDPE圓形深水網箱，網衣水下深度6m，網箱養(yǎng)殖魚類為許氏平鲉，平均個體重量0.5kg，試驗時將換能器在安放于水深0.2m處，分別對放養(yǎng)數量為200尾、3000尾、5000尾、15000尾4個網箱和空網箱（無魚）的聲學信號進行了采集，以目標強度測試

8、結果作為數據統(tǒng)計依據。結果表明：在網箱內魚群密度較?。?000尾）的情況下，試制的水下聲學監(jiān)測系統(tǒng)可以直觀反映深水網箱中養(yǎng)殖魚類的生物量隨著數量的增減而發(fā)生變化，基本達到對深水網箱中魚群生物量變化的監(jiān)測的設計目的；當網箱內魚群密度較大時，目標強度增加的幅度和規(guī)律性與預期的結果不甚一致，分析原因，一是可能由于儀器設備信號飽和的原因，二是由于魚群密集于網箱內的有限區(qū)域內，密度過大，儀器精度無法滿足所致，這有待于今后可通過選擇性能更好的換能器