基于基尔霍夫射线模型法的高白鲑目标强度研究

孙扬，汤勇*，邢彬彬，李泓泉，毕福洋，马壮

(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023； 2.新疆赛湖渔业科技开发有限公司，新疆 博尔塔拉蒙古自治州 833500)

高白鲑Coregonuspeled属鲑科白鲑属，为冷水温适性鱼类，主要摄食浮游动物。新疆维吾尔自治区赛里木湖为海拔超过2 000 m的高原冷水湖泊，无自然繁殖鱼类。自1996年从俄罗斯引进高白鲑鱼卵，通过人工孵化向赛里木湖投放鱼苗，经过持续多年的技术研发和创新实践，赛里木湖现已形成以高白鲑、凹目白鲑为主的渔业资源结构，建立了人工繁育、天然放养增殖、被动式捕捞的生态健康式生产模式，其年产量已稳定在300 t左右，成为当地重要的特色冷水鱼产业。胡维斌等[1]指出，赛里木湖的旅游业将大力促进当地冷水鱼类的销售。郭焱[2]对赛里木湖区域高白鲑的养殖情况进行调查后指出，自1998年高白鲑放养达到初步成功后，产量呈稳步上升趋势。新疆维吾尔自治区依靠渔业科技推动高原特色冷水鱼产业的发展，渔业科技在冷水鱼养殖中发挥了重要的科技支撑作用[3]。由于湖区高白鲑等鱼类采用人工投苗和天然放养的生产模式，因此，鱼类资源现存量评估是确定投苗数量、制定捕捞和销售策略、维持产业可持续发展的重要环节。

由于赛里木湖的湖区面积较大(超过400 km2)，且近年来环保督查政策明确提出大水面资源调查评估方法的适用环境,以及目前使用的网具具有较强的鱼类规格选择性，因此，对于赛里木湖的资源评估调查活动无法利用传统的大水面资源调查评估方法。大连海洋大学团队自2007年开始，多次尝试使用声学技术进行湖内资源评估，利用挪威Simrad公司的不同频率(70、120、200 kHz)分裂波束科学探鱼仪(EY60型)对湖区进行了多次调查，逐步掌握了高白鲑的活动范围，并借助水平声呐发现高白鲑对调查船噪声具有较强的逃避行为，在此基础上通过降低调查船噪声和分层采样，实现了对湖区高白鲑等鱼类资源的声学调查和评估，为指导赛里木湖渔业生产提供了科学依据。

作为鱼类声学散射强度和体长转换的重要参数，鱼类目标强度(target strength,TS)就是单体鱼的反向散射强度，其精准测定是确保鱼类声学资源量评估的基础。近年来，随着国内渔业声学研究的开展和实际应用技术的推广，鱼类目标强度的研究已获得了较好的成效。谭细畅等[4]对青海湖中的鱼类资源评估时，借助Sonar 5软件可以对鱼类个体识别计数。于海圆等[5]采用声散射理论和目标强度近似模型计算法，对黄海海域鳀鱼Engraulisjaponicus进行了声散射强度的数值计算和目标强度测定。蔺丹清等[6-7]使用实验室测量法及理论模型计算法，对长江不同鳔室结构的鱼类进行目标强度测量后，又对瓦氏黄颡鱼Pelteobagrusvachelli、鳜Sinipercachuatsi、鲫Carassiusauratus和草鱼Ctenopharyngodonidellus的目标强度进行了测定与差异分析。李斌等[8]利用基尔霍夫模型对南海海域多鳞鱚Sillagosihama的目标强度进行了近似计算。Lilja等[9]对白鲑属鱼类真白鲑Coregonuslavaretus进行过侧向目标强度的测定，但目前尚未见有关高白鲑目标强度研究的报告。

鱼类目标强度测定方法主要有实验测定法和理论模型法两大类，其中，实验测定法是对鱼体的实际目标强度的测定，具有较高的准确度，但是需要有相应的实验条件[9-11]，国外目前实测鱼类目标强度的种类多为经济鱼类；模型法主要是将被测鱼类的鱼体和鱼鳔等近似为有限圆柱或回转椭圆形状,再利用散射理论对其目标强度进行计算,具有简便、灵活的特点,对于无法满足实验法测定条件的鱼类是一种有效的手段，在国外已得到广泛应用[12-14]。国内的相关研究起步较晚,仅对几种具有重要生态意义及经济价值的鱼类目标强度进行过模型法研究[5-6,15-17],由于国内经济型淡水鱼类较多，作为实验法的重要补充，模型法远未达到淡水渔业资源声学评估的需求。

本研究中，针对赛里木湖高白鲑离水生存时间短、无法人工饲养、湖区无法实施悬垂和网箱等目标强度测定的问题，利用基尔霍夫射线模型法对高白鲑目标强度进行测量和计算,分析其随不同入射频率、鱼体姿态倾角和体长的变化特性，回归分析高白鲑平均目标强度与体长关系的经验公式，旨在为高原湖泊冷水鱼类目标强度的研究提供借鉴，为提高高白鲑渔业资源声学评估准确度奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用19尾高白鲑样品均由现场采样获得，其中编号1～11和12～19的样品分别于2017年6月和2018年7月采自新疆维吾尔自治区赛里木湖全湖水域的定置网。样品均在采集现场进行充水冷冻保存，以最大程度保证样品的质量，并在12 h内完成X射线摄影操作。

1.2 方法

1.2.1 高白鲑的形态学测量 对编号后的高白鲑样品完成体长测量后进行X射线摄影。X射线摄影在新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州温泉县医院进行，X射线机(SOFTEX M-100型)具有数字成像功能，拍摄X射线影像前，按照操作手册对其进行校正、预热和参数调整，以便获得高白鲑形态的高清晰度X射线影像。利用Photoshop图像处理软件，对每尾高白鲑样品的鱼体和鱼鳔相关形态学参数进行测量，并在高白鲑X射线影像上建立坐标系，按照基尔霍夫射线模型(Kirchhoff ray-mode model，简称KRM模型)计算要求进行x轴方向的近似等距离分割，并测量每一段分割单元的位置坐标。

1.2.2 基尔霍夫射线模型 基尔霍夫射线模型是将纺锤形的鱼体和鱼鳔在沿鱼的头尾方向近似为多个连续不同半径的小圆柱体，根据外部媒介、鱼体和鱼鳔的声学阻抗(声速比和密度比参数)变化，以及不同媒介间距进行每个圆柱体的反射系数和透射系数计算，再分别计算鱼体和鱼鳔每个圆柱体的散射强度并进行相干叠加，最后对鱼体和鱼鳔的散射强度进行相干叠加，获得整个鱼的目标强度。声波在鱼体背方向的不同入射角改变，可以通过坐标旋转来实现。KRM模型计算需要的基本媒介、鱼体和鱼鳔的声学相关参数如表1所示。

表1 水域环境参数与典型淡水鱼类声学参数[14,17]

1.2.3 高白鲑的目标强度 对于垂直探测科学探鱼仪，鱼类目标强度受鱼体姿态倾角和入射声波频率等因素影响，本研究中分别使用赛里木湖声学调查中常用工作频率70、120、200 kHz进行模型计算。鱼体的姿态倾角范围为-50°～50°(声波沿鱼体背向垂直入射方向为0°，鱼体头部向下倾斜角度为负，头部向上倾斜角度为正)，由于实际渔业资源声学评估中需考虑调查区域鱼类的姿态倾角分布状态，并利用鱼体姿态倾角进行加权平均处理获得平均目标强度，进而将声学积分值有效分配给不同姿态倾角分布的鱼类，以提高资源评估准确度。本研究中，选用常用的鱼体姿态倾角概率密度函数，即在-π/2～π/2范围内的截断正态分布函数(-5°±10°)进行鱼体平均目标强度计算，其公式为

(1)

其中：θ为鱼体的姿态倾角(°)；f(θ)为鱼体姿态倾角的概率密度函数；σbs为鱼体反向散射截面面积(m2)，与目标强度的关系为TS=10 lgσbs。

为了比较相同体长鱼类的目标强度，通常使用以鱼类体长(单位cm)平方为基准的平均目标强度值(简称b20)，其对数表达式为

b20=TS-20 lgL。

(2)

2 结果与分析

2.1 高白鲑形态学测量

图1为5号样品鱼体侧和鱼腹方向的X射线影像，其中较深颜色的区域为鱼鳔。

图1 高白鲑形态学参数测量Fig.1 Morphological parameters measurement of northern whitefish Coregonus peled

19尾高白鲑样品的鱼体及鱼鳔等相关参数如表2所示。鱼体和鱼鳔的等分线为KRM模型计算使用的圆柱长度和在坐标中的位置。19尾高白鲑样品的体长为8.2～34.6 cm，平均体长为20.8 cm。

表2 高白鲑生物学测定结果

2.2 不同姿态倾角下的目标强度

根据高白鲑样品1～19号的X射线影像进行测量，获得鱼体和鱼鳔的内部结构参数坐标，利用基尔霍夫射线近似模型计算不同频率和体背方向入射角的目标强度，获得鱼体-50°～50°姿态倾角及70、120、200 kHz频率下高白鲑目标强度的指向图案。图2为体长分别为24.9、9.3 cm的高白鲑在3种不同频率下的目标强度随姿态倾角的指向图案。

图2 不同频率下不同体长的高白鲑目标强度随姿态倾角的变化 Fig.2 Changes in target strength of northern whitefish Coregonus peled with different body length with the attitude inclination at different frequencies

与一般单室鳔鱼类相同，高白鲑目标强度主要由鱼鳔的规格和鱼鳔与鱼体的倾角决定。在70、120 kHz频率下，目标强度最大值出现在-10°～0°的姿态倾角之间，在200 kHz频率下，目标强度出现多个波峰。随频率增加，最大值的主瓣逐渐变得不明显，旁瓣波峰数量增加，体长较小和较大鱼类的目标强度分别呈现出波瓣较少的低频散射特性和波瓣较多的高频散射特性。

2.3 平均目标强度

使用公式(1)计算样品鱼类在不同频率下的平均目标强度及以体长平方为基准的平均目标强度，结果如表3所示。

表3 姿态倾角概率密度函数为正态分布(-5 °±10 °)时不同频率下高白鲑的平均目标强度

根据表2和表3数据，对各频率下高白鲑姿态平均目标强度与对应体长的关系，通过最小二乘法进行线性拟合，采用TS=algL+b的形式，拟合曲线如图3所示。从表3可见，随着频率的增加，高白鲑的平均目标强度增大，b20分别为-63.6、-62.6、-60.7 dB。

姿态倾角概率密度函数为正态分布(-5°±10°)时，70、120、200 kHz下目标强度与体长的拟合方程分别为TS=16.4 lgL-59.2、TS=21.3 lgL-64.3、TS=23.7 lgL-65.3(图3)。

图3 姿态倾角概率密度函数为正态分布(-5 °±10 °)时不同频率下高白鲑平均目标强度与体长对数的拟合曲线Fig.3 Fitting curve of average target strength of northern whitefish Coregonus peled with body length logarithmic at different frequencies at a normal PDF (-5 °±10 °)

采用标准参考方程TS=20 lgL-b20形式表示，70、120、200 kHz下目标强度与体长的拟合方程分别为TS=20 lgL-63.6、TS=20 lgL-62.6、TS=20 lgL-60.7(图3)。

3 讨论

3.1 高白鲑样品形态学参数的获取

基于模型法对鱼类目标强度的测量研究，最重要的是对测定样品鱼类及鱼鳔的形态进行准确测量，本研究中首次利用X射线摄影获取不同规格高白鲑鱼体内部鳔室结构的真实影像，对研究高白鲑的形态和生长发育变化取得了较好的效果，同时该方法也是鱼类目标强度模型法研究中常用的方法之一，具有较好的可靠性[18-20]。样品鱼的新鲜度也是保证测量精度的重要因素之一，本研究中所有样品均为现场活体采样，经注水冷冻后进行运输，保证了鱼类内部结构的相对稳定，提高了形态学参数的测量精度。但是本研究中19尾样品鱼受网具选择性影响，规格分布缺少10～20 cm的样品鱼，需要在今后的研究中进行补充，以提高体长与平均目标强度拟合关系式的准确度。

3.2 基尔霍夫射线模型法测定的特点及参数设定

基尔霍夫射线近似模型是鱼类目标强度测量研究的常用模型，已应用的鱼类较多，包括大西洋鳕Gadusmorhua、狭鳕TheragrachalcogrammaPallas，以及淡水鱼鲢Hypophthalmichthysmolitrix、鳙Aristichthysnobilis和黄颡鱼等[7,17,21-24]，其具有使用操作灵活、计算简单等特点，但是该模型在低频共振区间无法使用。本研究中，使用样品鱼最小规格10 cm，相对70 kHz以上的工作频率，不受低频范围影响的限制，能够较好地反映高白鲑的声学散射特性。使用的图像处理软件所提供测量工具的测量精度为 0.1 mm,能够满足基尔霍夫射线近似模型计算所需精度。但是本研究中对模型计算使用的鱼体密度和声速参数未进行实测，而是根据高白鲑密度较低的特性沿用一般淡水鱼类的相关参数[14]，需要在今后的研究中进行实测和调整。中国近海和淡水鱼类种类繁多，鱼类目标强度测定工作任重而道远。相对于实测法，模型法的开展能够节省人力物力、提高测量效率，可进一步加速中国渔业资源声学评估的研究进程，但是多种模型法的比对和不同鱼类的适用性研究需要在今后进一步开展。

3.3 水深对高白鲑目标强度测定的影响

本研究显示，高白鲑姿态倾角、体长(鳔长)和频率等变化对目标强度的影响，与一般单室有鳔鱼类相似，其最大值的姿态倾角与鱼鳔相对鱼体的姿态倾角特征基本吻合，但是该姿态倾角(平均值为-2.8°)较一般有鳔鱼类的-5°～-10°相对较小，考虑到高白鲑为滤食浮游动物性鱼类，其自然状态下的姿态倾角分布规律需要在今后的研究中进一步研究和确认。同时，由于高白鲑生活的水深主要在10～20 m，离水的高白鲑鳔室规格有可能由于压力减小而变大。一般鱼类目标强度与鱼类所处水深存在相关性，随着水深的增加鱼鳔所受压强的增大导致体积减小，进而导致鱼类目标强度减小[25]。该方面需要在今后使用实验法进行确认，以进一步提高白鲑目标强度测定的准确性。

3.4 探测频率对高白鲑目标强度测定的影响

目前，国内外已完成的鱼类目标强度测定种类超过50种，包括海水和淡水的主要经济鱼种[26]，但是高白鲑目标强度的实际测量和理论研究均尚未见报道，没有可以参照对比的结果。2000年，芬兰学者Lalja等[9]曾经使用200 kHz科学探鱼仪在网箱内进行了4种活体鲑鳟鱼的侧向目标强度测定，其中包括1种白鲑属鱼类Coregonuslavaretus，国内称为真白鲑，在青海省龙羊峡水库有增殖放流生产。但是该种鱼的体型和规格与高白鲑差异较大，且进行的是体侧方向的目标强度测定，其结果的参考性不强。通过与其他鱼类对比，在70～200 kHz下高白鲑目标强度要较一般单室有鳔鱼类大3～5 dB[25]，推测这可能与高白鲑的鱼鳔长与鱼体长之比相对较大，超过了一般有鳔鱼类约1/3的比例关系有关。高白鲑的平均目标强度随频率的增加而变大，而根据以往的研究，单室鳔鱼类的平均目标强度随频率增加会略微减小，这主要是由于高频条件下目标强度随姿态倾角振荡起伏较大、旁瓣较高的原因造成的。但是，由于高白鲑目标强度的实测工作尚未开展，该频率特征需要与实测结果进行对比。

4 结论

本研究中首次采用基尔霍夫射线近似声学散射模型对高白鲑的目标强度进行了测定，获得以下结论：

1) 获得了高白鲑在70、120、200 kHz 3种科学探鱼仪常用频率下，目标强度随姿态倾角变化的指向性图案。

2) 在高白鲑以姿态倾角呈高斯概率密度分布(-5°± 10°)时，在70、120、200 kHz频率下高白鲑平均目标强度与体长的拟合方程分别为TS=16.4 lgL-59.2、TS=21.3 lgL-64.3和TS=23.7 lgL-65.3，与体长平方(即体长平方的常用对数值)的拟合方程分别为 TS=20 lgL-63.6、TS=20 lgL-62.6和TS=20 lgL-60.7。

3) 高白鲑的平均目标强度随频率的增加而增加，较一般有鳔鱼类大3～5 dB。

感谢新疆赛湖渔业科技开发有限公司，新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州赛里木湖景区管理委员会，以及新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州水产处等单位提供的大力支持!