Рыболовная акустика
Акустика рыболовства включает в себя ряд тем исследований и практических применений с использованием акустических устройств в качестве датчиков в водной среде. Акустические методы могут применяться для измерения водных животных , зоопланктона , а также физических и биологических среды обитания характеристик .
Основная теория
[ редактировать ]Оценка биомассы — это метод обнаружения и количественной оценки рыбы и других морских организмов с использованием гидролокаторов . [1] Акустический преобразователь излучает в воду короткий сфокусированный звуковой импульс. Если звук сталкивается с объектами, плотность которых отличается от плотности окружающей среды, например с рыбой, они отражают часть звука обратно к источнику. Эти эхо-сигналы предоставляют информацию о размере, местоположении и численности рыбы . Основными компонентами функции научного эхолота аппаратной являются передача звука, прием, фильтрация и усиление, запись и анализ эхосигналов. Хотя существует множество производителей коммерчески доступных «рыбопоисковых эхолотов», количественный анализ требует, чтобы измерения проводились с помощью калиброванного эхолота, имеющего высокое соотношение сигнал/шум .
История
[ редактировать ]Звук издают самые разнообразные таксоны рыб. Звуковое продуктивное поведение дает возможность неинвазивным образом изучать различные аспекты биологии рыб, такие как нерестовое поведение и выбор среды обитания. 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. [2]
После Первой мировой войны, когда гидролокатор впервые был использован для обнаружения подводных лодок, эхолоты начали находить применение за пределами армии. В 1927 году французский исследователь Ралье дю Бати сообщил о неожиданных эхо в середине воды, которые он приписал рыбным косякам. В 1929 году японский ученый Кимура сообщил о нарушениях в непрерывном акустическом луче морского леща , плавающего в пруду с аквакультурой. [3]
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 Бокном во Фрафьорде, Норвегия, были первой опубликованной эхограммой рыбы. [4] В 1935 году норвежский учёный Оскар Сунд сообщил о наблюдениях за косяками трески с исследовательского судна «Йохан Хьорт». [5] ознаменовав первое использование эхолотирования для исследований в области рыболовства.
Технологии гидролокаторов быстро развивались во время Второй мировой войны, а излишки военного оборудования были приняты на вооружение коммерческими рыболовами и учеными вскоре после окончания боевых действий. В этот период были разработаны первые инструменты, предназначенные специально для обнаружения рыбы. Однако в интерпретации акустических исследований сохранялись большие неопределенности: калибровка инструментов была нерегулярной и неточной, а свойства рассеяния звука рыбами и другими организмами 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 исследования используются для оценки и управления многими рыбными промыслами во всем мире. Калиброванные эхолоты с разделенным лучом являются стандартным оборудованием. Часто одновременно используются несколько акустических частот, что позволяет различать разные виды животных. Технологическое развитие продолжается, включая исследования многолучевых, широкополосных и параметрических гидролокаторов.
Техники
[ редактировать ]Подсчет рыбы
[ редактировать ]Когда отдельные цели расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы их можно было отличить друг от друга, количество рыбы легко оценить, подсчитав количество целей. Этот тип анализа называется эхо-счетом и исторически был первым, который использовался для оценки биомассы.
Интеграция эха
[ редактировать ]Если в акустическом луче на одной и той же глубине находится более одной цели, различить их по отдельности обычно невозможно. Часто это происходит со стайными рыбами или скоплениями зоопланктона. В этих случаях для оценки биомассы используется интеграция эхо-сигналов. Интегрирование эха предполагает, что общая акустическая энергия, рассеянная группой целей, представляет собой сумму энергии, рассеянной каждой отдельной целью. Это предположение справедливо в большинстве случаев. [6] Общая акустическая энергия, рассеянная обратно стаей или скоплением, объединяется, и эта сумма делится на (ранее определенный) коэффициент обратного рассеяния одного животного, что дает оценку общей численности.
Инструменты
[ редактировать ]Эхолоты
[ редактировать ]Основным инструментом в акустике рыболовства является научный эхолот. Этот прибор работает по тем же принципам, что и прогулочный или коммерческий эхолот или эхолот , но сконструирован для большей точности и точности, что позволяет производить количественные оценки биомассы. В эхолоте приемопередатчик генерирует короткий импульс, который посылается в воду преобразователем — массивом пьезоэлектрических элементов, предназначенных для создания сфокусированного луча звука. Чтобы использовать эхолот для количественных работ, его необходимо откалибровать в той же конфигурации и среде, в которой он будет использоваться; Обычно это делается путем изучения эхо-сигналов от металлической сферы с известными акустическими свойствами.
Ранние эхолоты передавали только один луч звука. Из-за диаграммы направленности акустического луча идентичные цели под разными углами азимута будут отражать разные уровни эха. Если известны диаграмма направленности и угол на цель, эту направленность можно компенсировать. Необходимость определения угла на цель привела к разработке двухлучевого эхолота , формирующего два акустических луча, один внутри другого. Сравнивая разность фаз одного и того же эха во внутреннем и внешнем лучах, можно оценить угол отклонения от оси. В дальнейшем усовершенствовании этой концепции эхолот с разделенным 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 рыбной акустики.
Многолучевые эхолоты
[ редактировать ]Многолучевые гидролокаторы проецируют веерообразные звуковые лучи наружу, в воду, и записывают эхо в каждом луче. Они широко использовались в батиметрических съемках, но в последнее время начали находить применение и в акустике рыболовства. Их основным преимуществом является добавление второго измерения к узкому профилю водной толщи, полученному с помощью эхолота. Таким образом, несколько тестов можно объединить, чтобы получить трехмерную картину распределения животных.
Акустические камеры
[ редактировать ]Акустические камеры [7] Это инструменты, которые мгновенно отображают трехмерный объем воды. Обычно они используют более высокочастотный звук, чем традиционные эхолоты. Это увеличивает их разрешение, так что отдельные объекты можно рассмотреть в деталях, но означает, что их дальность ограничена десятками метров. Они могут быть очень полезны для изучения поведения рыб в закрытых и/или мутных водоемах, например, для наблюдения за проходом анадромных рыб через плотины.
Платформы для рыбной акустики
[ редактировать ]Акустические исследования рыболовства проводятся с различных платформ. Наиболее распространенным является традиционное исследовательское судно, эхолоты которого установлены на корпусе корабля или на опущенном киле. Если на судне нет стационарно установленных эхолотов, они могут быть установлены на опоре, прикрепленной к борту судна, или на буксируемом корпусе или «буксировщике», тянущемся позади или рядом с судном. Буксируемые тела особенно полезны для изучения глубоководных рыб, таких как оранжевый большеголов , которые обычно обитают ниже зоны действия эхолота на поверхности.
Помимо исследовательских судов, акустические данные могут быть собраны с различных «судов возможностей», таких как рыболовные суда, паромы и грузовые суда. Корабли возможностей могут предложить недорогой сбор данных на больших территориях, хотя отсутствие настоящего плана исследования может затруднить анализ этих данных. В последние годы акустические приборы стали использовать также на дистанционно управляемых аппаратах и автономных подводных аппаратах, а также в океанских обсерваториях.
Наблюдения за силой цели и моделирование
[ редактировать ]Сила цели (TS) — это показатель того, насколько хорошо рыба, зоопланктер или другая цель рассеивает звук обратно в сторону преобразователя. В целом, более крупные животные имеют более высокую целевую силу, хотя другие факторы, такие как наличие или отсутствие газонаполненного плавательного пузыря у рыб, могут иметь гораздо больший эффект. Сила цели имеет решающее значение в акустике рыболовства, поскольку она обеспечивает связь между акустическим обратным рассеянием и биомассой животных. TS можно получить теоретически для простых целей, таких как сферы и цилиндры, но на практике его обычно измеряют эмпирически или рассчитывают с помощью численных моделей.
При использовании научных эхолотов для оценки биомассы необходима калибровка эхолота, поскольку сила цели позволяет оценить биомассу животных, которая, в свою очередь, может использоваться для оценки запасов и регулирования рыболовства. Обычно это делается с использованием объектов с известной частотной характеристикой, известных как калибровочные сферы. Они могут быть изготовлены из меди или карбида вольфрама и иметь определенный размер в зависимости от желаемого обратного рассеяния и частотной характеристики. Они прикреплены тонкой монофильной леской, достаточно прочной, чтобы удерживать сферу, но достаточно тонкой, чтобы уменьшить нежелательное обратное рассеяние. Перемещая сферу внутри акустического луча данного преобразователя, программное обеспечение эхолота корректирует наблюдаемую силу цели по площади преобразователя. При необходимости это повторяется для всех преобразователей и форм импульсов. [8] [9]
Приложения
[ редактировать ]Обследования, оценка запасов, управлениеЭкологияПоведение
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Симмондс Дж. и МакЛеннан Д. (2005). Акустика рыболовства: теория и практика , второе издание. Блэквелл
- ^ Ганнон Д.П. (2008) «Пассивные акустические методы в науке о рыболовстве: обзор и проспект» Труды Американского общества рыболовства , 137 (2): 638–656. два : 10.1577/T04-142.1
- ^ Кимура, К., 1929. Об обнаружении групп рыб акустическим методом. Журнал Императорского института рыболовства, Токио.
- ^ Анон, 1934. Испытания эхолота при ловле кильки. Вестник консервной промышленности, июль 1934 г., стр. 222-223.
- ^ Сунд, О. (1935). «Эхозондирование в рыбохозяйственных исследованиях» . Природа . 135 (3423): 953. дои : 10.1038/135953a0 .
- ^ Линейность рыбной акустики с дополнительными теоремами. Кеннет Г. Фут, 1983. Журнал Акустического общества Америки, 73, стр. 1932–1940.
- ^ Мартиньяк Ф., Дару А., Баглиньер Ж.Л., Омбреданн Д., Гилалрд Дж., 2015. Использование акустических камер на мелководье: новые гидроакустические инструменты для мониторинга популяции мигрирующих рыб. Обзор технологии DIDSON. Рыба и рыболовство, 16 (3), 486–510. DOI: 10.1111/faf.12071
- ^ Фут, Кеннет Г.; МакЛеннан, Дэвид Н. (1 февраля 1984 г.). «Сравнение калибровочных сфер из меди и карбида вольфрама» . Журнал Акустического общества Америки . 75 (2): 612–616. дои : 10.1121/1.390489 . hdl : 1912/5655 . ISSN 0001-4966 .
- ^ Ян, Люцин; Чен, Йи; Чжан, июнь (2019). «Калибровка эхолота по стандартному методу цели» . Сеть конференций MATEC . 283 : 05005. doi : 10.1051/matecconf/201928305005 . ISSN 2261-236X .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Fish MP и Mowbray WH (1970) Звуки рыб западной части Северной Атлантики; справочный файл биологических подводных звуков Johns Hopkins Press.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Перепись морской жизни — акустические технологии
- исследовательский университет по акустике рыболовства . Вашингтонский
- Акустика без упаковки: общее руководство по получению оценок численности на основе гидроакустических данных
о рыболовстве Темы науки |
|---|
