应用于渔业海洋学课程教学的有鳔鱼类声散射演算软件设计

童剑锋，薛铭华，王学昉，田思泉

（上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306）

0 引言

渔业海洋学中使用回声探测仪发射与接收声波对水下生物进行探测的方法称为渔业声学，声学方法快捷、方便、分辨率高、可覆盖时空范围广且不对环境资源造成破坏,已成为国内外渔业资源评估的重要方法[1]声波探测鱼类是利用鱼体与水体之间物理特性的差别[2]，鱼体在水中被声波探测到后会产生后向散射，换能器接收到这些散射信号后，进行声电转换将探测目标可视化，从而根据散射信号强弱进行资源量评估。生物体的声散射通常使用目标强度（Target Strength，TS）来表示，它反映了生物体后向散射声波的强弱[3]，是利用声学方法对渔业资源评估的重要参数。在渔业资源声学评估中，多采用固定频率声波换能器和网具采样相结合的方式进行探测。但是该法仅适用于单一物种、大小分布范围狭窄的鱼群。对于体长分布广泛的混合物种，单一频率声波无法消除混淆鱼类大小和物种的模糊性。宽频技术可以获得整个频率带范围内连续的回波特征，得到目标散射强度随频率变化谱图，增加了信息量。这些信息与探测目标的种类、大小、游泳姿势相关，在水生动物目标判别、个体大小以及生物量估算中发挥着重要作用，有利于提高目标的判别精度。

目标强度值与有无鱼鳔、倾斜角度、长度、行为、生理学特征、水深和换能器频率等因素有关[4]。其中最主要的两个因素为有无鱼鳔与倾斜角度。现阶段，目标强度的估算方法主要有原位测量（in situ）、非原位测量（ex situ）和模型法。其中模型法是根据声散射理论和研究对象生物学特性将声散射的主要来源，即有鳔鱼的鱼鳔或无鳔鱼的鱼体，近似为规则几何模型，利用计算机模拟计算这些模型的目标强度[5]。模型法灵活方便，可模拟得到各种不同情况下的目标强度值，不受实际测量中场地设施等限制，非常适用于估算无法进行现场测量的鱼类的目标强度。并且在国内外学者研究下，模型精度不断提高，是当前目标强度研究中较主流的方法。基尔霍夫射线模型[6]将鱼体等效为一系列充满液体的圆柱体，将鱼鳔等效为一系列充满气体的圆柱体，分别计算每个微元的目标强度，最后相加得到整体的目标强度。该模型不仅可以较准确地反映单一频率下目标强度的情况，也可模拟宽频带状态下目标强度的变化。

鉴于声学方法在渔业海洋学中的应用日益广泛，在课程设计中，应该让学生了解鱼类声散射即目标强度的相关知识。包括目标强度的计算过程、目标强度随不同因素进行变化的情况以及宽频下目标强度的变化特征。由于该门课程的教学对象大多数海洋渔业和海洋生物专业背景的学生，对于物理模型的理解存在一定的困难。因此，有必要设计一款计算有鳔鱼类声散射模型可视化演算软件，帮助学生直观感受不同条件下鱼类声散射的变化情况，强化知识体系构建，并激发学生在软件设计方面的能力和声学方法在渔业海洋学中应用的兴趣。

有鳔鱼作为一类常见鱼种，演算软件从有鳔鱼的散射特征入手，使用基尔霍夫射线模型模拟计算其目标强度值随自身和外部状态的变化，输入输出结果全过程可视化。其主要功能包括：（1）文件的打开、保存、声学参数设置、鱼类侧向形态可视化和窗口清理；（2）计算指定频率下鱼类的目标强度，显示目标强度随鱼体游泳倾斜角变化的图像；（3）计算指定倾角分布概率密度函数下鱼类的平均目标强度；（4）计算指定频率带宽内各频率下的目标强度，显示宽频目标强度谱图。

1 软件界面设计

基于基尔霍夫射线模型的有鳔鱼类声散射演算软件采用Matlab编程语言编写。其界面如图1所示，主要包括六部分：打开文件栏，打开事先测得个体鱼形态学文件并显示此鱼侧向形态图像；声学参数设置栏，包括鱼体密度值（kg/m3）、鱼体声速值（m/s）、鱼鳔密度值（kg/m3）、鱼鳔声速值（m/s）、声波频率（kHz）、水中声速（m/s）和水介质密度（kg/m3）；单一频率目标强度计算栏，包括鱼体倾斜角设置、各角度对应的目标强度计算、结果输出、倾斜角分布函数设置以及根据该分布函数计算所得个体鱼的平均目标强度；图像显示框1，绘制目标强度随倾斜角变化图；宽频目标强度计算栏，设置所需频率范围后，结合设置的声学参数和角度参数计算宽频目标强度；图像显示框2，绘制宽频目标强度谱图。

图1 演算软件界面

2 软件使用

2.1 鱼体侧向形态显示

在软件界面中打开预先测得的鱼体形态学文件，可自动生成根据形态学文件绘制的由若干微元组成的个体鱼侧向图像，其中鱼鳔将以黑色填充形状展示（图2）。文件中的形态学信息包括鱼体沿鱼体轴方向各微元边界点的横坐标；鱼体各微元沿鱼体侧向的长度；鱼体各微元沿鱼体腹背向上边界点坐标；鱼体各微元沿鱼体腹背向下边界点坐标；鱼鳔沿鱼体轴方向各微元边界点的横坐标；鱼鳔各微元沿鱼体侧向的长度；鱼鳔各微元沿鱼体腹背向上边界点坐标；鱼鳔各微元沿鱼体腹背向下边界点坐标。

图2 目标强度演算结果与图像显示

2.2 目标强度计算

目标强度的计算是根据输入的各声学参数和鱼体倾角进行的。通过对研究对象及其生活水域的各项特征进行实测或参考以往文献得到所需的声学参数，并根据需要输入鱼体倾角后，将以1°为间隔计算各角度下的目标强度。并在图像显示框内同步生成鱼体（Body）、鱼鳔（Swimbladder）和整鱼（Fish）目标强度随倾斜角度（Pitch angle）变化图（图2）。在上述设置的基础上，拓宽单一频率为具有一定范围的宽频，本软件将以1kHz为间隔计算所设置频率范围内各个频率下的平均目标强度，并生成宽频目标强度谱图（图2）。

2.3 结果保存

本软件支持将结果保存为xlsx、xls或csv文件。其中，单频目标强度将以图3所示格式保存。Angle(°)为鱼体倾斜角度；Frequency(kHz)为声波频率；ScatteringLength_bladder为鱼鳔散射长度；ScatteringLength_body为鱼体散射长度；ScatteringCrossSection_fish为整鱼后向散射截面；TS_bladder(dB)为鱼鳔目标强度；TS_body(dB)为鱼体目标强度；TS_fish(dB)为整鱼目标强度。宽频目标强度将以图4所示格式保存。Frequency(kHz)为声波频率；TS(dB)为左侧频率对应的平均目标强度。

图3 单频目标强度计算输出文件内容

图4 宽频目标强度计算输出文件内容

3 结语

本文所介绍的是一款应用于渔业海洋学课程教学的有鳔鱼类声散射演算软件，它是一款具备宽频目标强度计算与绘图的可视化软件。该软件以Matlab编程语言编写，使用基尔霍夫射线模型模拟计算有鳔鱼目标强度随自身状态、外界环境及发射声波频率进行变化的情况，并支持结果的输出与保存。这些结果将为了解不用海洋环境对有鳔鱼声学特征的影响提供参考，为渔业资源声学评估提供重要支撑。该软件全过程可视化，易于在课堂上教学演示，线上教学时也容易演示。学生亦可以通过渔业海洋学的鱼类解剖实验，获取有鳔鱼类的形态学参数，导入该有鳔鱼类声散射演算软件中，计算自己实验测量鱼类的目标强度。该软件有利于帮助学生学习鱼类声散射的建模原理和计算过程，激发学习兴趣，巩固理论学习，促进知识掌握，同时也为渔业海洋学教学提供了更好的帮助。

致谢：

本研究得到2021年度上海市高校市级重点课程建设项目资助，谨致谢忱！