一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法

摘要

本发明公开了一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法，在获取水声信号的基础上，该方法按不同时间、不同区域将目标探测深度范围均匀划分为若干微元，分别计算每个微元中回波信号的一阶矩和二阶矩，以大数定理为基础构建回波信号一阶矩、二阶矩与微元内散射元个数间关系式，从而实现对海洋牧场鱼类资源增殖情况的声学监测评估。本发明考虑个体鱼回波信号重叠、目标强度先验信息未知情况，通过提取回波信号一阶矩和二阶矩特征参数获得鱼类资源时空分布及其变化信息，实现海洋牧场中鱼类资源增殖情况的声学监测评估。

说明书

技术领域

本发明涉及声学监测评估领域，尤其是一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法。

背景技术

海洋生物资源是海洋资源的重要组成部分，长期的过度捕捞和产卵场破坏导致许多海域的渔业资源遭到了严重破坏。海洋牧场是传统捕捞和养殖方式向增殖和管理利用方式转变的现代渔业形式，作为修复和保护海洋生态的一个重要措施，在国际上已经得到了广泛的推广应用。科学、准确地监测海洋牧场区域的生物资源状况对于评价海洋牧场建设的效果和生态效应具有重要意义。

相比于传统拖网采样方法，声学评估方法的优势在于不危害生物资源、可持续观测、探测范围广。目前应用最广泛的声学评估技术是回波计数法和回波积分法，回波计数法仅适用于鱼群分布稀疏、个体鱼回波不重叠的情况，回波积分法需要个体鱼平均目标强度的先验信息，上述两种方法只能粗略估计鱼群数量，误差大。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法，包括如下步骤：

步骤1，获取数据：通过声呐实时向海中发射声波并获取数据，定义水中的声速、信号脉宽、声呐波束立体角、采样频率，通过观察声图确定鱼群活动深度范围，提取不同时刻鱼群活动范围内的回波信号；

步骤2，数据平滑预处理：把步骤1采集的数据以200组为一帧，对每帧数据中的数据点进行双线性插值，对所有组数据进行循环处理；

步骤3，数据预处理：将步骤2处理后的回波信号进行带通滤波，定义一个微元的厚度，将采集到的每个信号在目标深度区间划分为若干微元；

步骤4，提取信号特征：从所有采集数据中按走时区间提取数据计算单个微元的平均一阶矩、二阶矩；

步骤5，目标区域鱼类资源计算：将步骤4中求得的一阶矩和二阶矩计算不同时间、不同区域采集的每帧数据单个微元中包含的个体鱼数量及鱼的平均密度。

上述的一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法，所述步骤1中声呐采集数据前按照国际通用的标准目标方法对声呐进行校正。

上述的一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法，所述步骤3中，定义一个微元的厚度为一个脉宽对应的距离。

上述的一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法，所述步骤4中单个微元一阶矩和二阶矩

＝N

其中，N为单个微元内鱼的数量，e为单个微元内所有鱼贡献回波相同时个体鱼所贡献的回波幅度。

上述的一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法，所述步骤5中单个微元中包含个体鱼的数量计算公式为：

其中，表示单个微元内鱼的数量，

上述的一种海洋牧场用鱼类资源声学评估方法，所述步骤5中单个微元内鱼的平均密度<ρ>计算公式为：

其中，r为微元与声呐之间的距离，Ω为波束立体角，d为单个微元的宽度，表示单个微元内鱼的数量。

本发明的有益效果是，本发明考虑个体鱼回波信号重叠、目标强度先验信息未知情况，通过提取回波信号一阶矩和二阶矩特征参数获得鱼类资源时空分布及其变化信息，实现海洋牧场中鱼类资源增殖情况的声学监测评估。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明流程图；

图2为本发明微元划分示意图；

图3为本发明双线性插值原理示意图；

图4为本发明实施例中莱州湾牧场分区及走航路径；

图5是本发明实施例中莱州湾牧场不同时刻鱼类密度变化情况；

图6是本发明实施例中莱州湾牧场不同区域鱼类密度变化情况。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

本发明提出的海洋牧场用鱼类资源声学评估方法基本原理为：根据大数定理，当散射元的数量密度大时包络瞬时幅度服从瑞利分布，散射元数量较少时回波包络会偏离瑞利分布。鱼群回波包络幅度分布偏离瑞利分布的程度与鱼群数量有关，利用偏离程度可以预测鱼群的密度分布。提出的鱼类资源量评估方法包括三个主要步骤：①声呐采集数据预处理；②提取回波信号特征参数用于构建回波信号一阶矩、二阶矩与个体鱼数量间关系式；③目标区域鱼类资源量估计。

【实施例1】

本实施例中采用项目组自主研制的200kHz宽带渔业资源监测声纳向水下发射声波，如图1所示，具体实施步骤为：

第一步，采集数据前，按照国际通用的标准球方法在莱州湾海洋牧场对自主研制宽带渔业监测声呐进行校正，在莱州湾海洋牧场中采用走航式采集声学数据：将声呐固定于船尾，船在海洋牧场中匀速航行，声呐实时向海中发射声波并获取数据。

第二步，定义声呐在水中波速c为1500m/s、信号脉宽为1×10

第三步，数据预处理，把采集的信号以200组数据为一帧，对每帧数据中的数据点进行双线性插值，双线性插值方法的基本原理是，找到待插值的数据点，以其邻近的两个插值点和该点的距离为加权值，计算这两个点的平均数作为该点的值。其核心思想是进行三次线性插值，即在x，y两个方向分别进行线性插值。

如图3所示，点P(P

P

随后，求出B点与D点连线上P

将所有组数据循环处理以实现数据平滑。

对探测的回波信号在50kHz～500kHz间进行带通滤波，设置每个微元的厚度为一个脉宽对应的距离，即cτ/2，将采集到的每个信号在目标深度区间划分为3个微元，微元划分示意图如图2所示。

第四步，提取信号特征参数：在任意时间t内，第i尾鱼所贡献的回波幅度e

e

其中a

θ

回波信号的瞬时强度I

I

假设单个微元内所有鱼贡献的回波相同，经多项式推导可得回波信号单个微元回波信号强度的一阶矩

其中，N为单个微元内鱼的数量，e

第五步，目标区域鱼类资源估计：假设鱼在测量区间随机游动过程中，在一点出现的概率服从泊松分布，那么单位面积内鱼数N亦服从泊松分布，N满足：

联立方程(1)(2)(3)可求得单个微元内鱼的数量与回波信号一阶矩

表示单个微元内鱼的数量，

距离声呐距离r的微元的体积可表示为Ωr

在本实施例中，鱼群活动深度范围[3,5]区域被划分为3个微元，则该区域内鱼的平均密度为：

从式(4)中可以看出，本发明提出的回波统计方法只需利用回波信号的相对声学量，与个体鱼的目标强度无关。当趋近于无穷时，计算结果对影响较大，因此该方法适用于鱼群低密度的情况。

如图4所示，莱州湾海洋牧场划分为7个区域，区域①②③④为人工鱼礁区域，区域⑤⑥：未布置人工鱼礁的区域，区域⑦：风电区域范围，其中黑色箭头表示航迹方向，根据如图4所示的航迹方向，采用本发明方法，计算不同时间的鱼类密度，如图5所示，对莱州湾海洋牧场人工鱼礁区域①②③④及未投放鱼礁的自然区域的鱼类密度进行计算，得到图6所示结果。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

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