海洋鱼类散射研究进展【文献综述】

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毕业设计文献综述海洋科学海洋鱼类散射研究进展[摘要]：本文主要综述了不同海洋鱼类散射特性的研究现状以及该研究的重要意义，通过对国内外学者的研究结论的分析，阐述其可能存在的优缺点，并根据各自的应用范围和条件，寻找适合本次研究的方法。[关键词]：海洋鱼类，散射特性，声学测量前言由于鱼体各组织、器官的声阻抗率与海水介质的声阻抗率不同，声波遇到鱼体时便产生散射，其中反向散射回换能器的分量被换能器接收，使声学探鱼成为可能。鱼的目标强度是描述鱼体对声波的反射能力的物理量，其定义为：TS=10Log(σ/4π)其中，TS：鱼的目标强度，分贝；σ：鱼的反向散射截面，米²。对于海洋鱼类散射问题，国内外研究学者虽有研究，但是由于海洋鱼类种类繁多，形状各异，生活状态也千变万化，已有研究不能全面解释该问题，无法满足人们的需要[1]。对此，我们希望通过一系列研究对此问题进行更深刻的说明。主题针对海洋鱼类散射特性，我们在网上浏览了数百篇相关文献，下载了数十篇鱼类散射的文章，研读了三十余篇。据此，我们了解到：很早以前国外对浮游动物的回声统计的研究并不多，而对单个鱼类的声学回声统计性质经研究得出的结论为非瑞利特性[2]。虽然TimothyK.Stanton6 与其同事对单个鱼类和浮游动物的非瑞利声学散射特性做过研究，但是该研究主要侧重于单个鱼类和浮游动物的回声统计与方向之间的联系。虽然有机体的方向分布随着动物行为而变化，对总体散射和回波统计有重大影响，但是，研究者对有机体其他方面比如大小、尺寸、形状等因素没有定量的研究。此外，在试验对象的选取上，虽然研究对象超百种，但是代表性生物的选择不够系统。而近年来利用声学方法评估渔业资源已逐步普及，例如日本水产学家大下诚二在1994年期间对日本九州以西及以南水域的沙丁鱼产卵群体的数量进行了调查。捷克国家水生研究机构在1992年夏天到1995、1996年的春秋两季，对国内的四大淡水湖的渔业资源做了声学评估，主要评估了鲈鱼、鲤鱼和欧鳊等鱼种。加拿大国家海洋局和声学局于1997年10月运用常规的双波束和分裂波束探鱼仪对大西洋深海鱼类尤其是鲱鱼进行了评估。俄罗斯于1996年至1999年间运用传统的拖网和声学评估方法对勘察加半岛的狭鳕资源进行了评估[3]。此外，国外还有大量关于鱼声散射和建模的研究。现在已经有很多解析和数值散射模型用来预测反向散射。每个模型都局限于频率范围、表面类型、边界条件、形状的离心率和数值效率。这些模型通常只把鱼鳔作为其主要散射体。但是当包含其他部分散射时，模型只能在散射主瓣附近的入射角时有效，所以模型在远离主瓣时可能低估了散射，因为其他器官也可能对回波有贡献。而且鱼鳔的模型参数通常直接确定或借助X射线得到[4]。重要的是，好的散射模型必须使用能非常近似鱼内主要散射特征的散射形状。这个信息要求对鱼做高精度的形态测量。另一个重要指标是声学散射测量能在很宽的频率范围内进行。声学评估方法自1984年引入我国以来，曾成功应用于黄、东海鲵资源和太平洋狭鳕资源的调查，成为我国海洋渔业资源调查和研究的重要方法之一。国内对海水中浮游植物的光学特性的研究因实验设备的限制,大部分集中于对吸收、衰减实验数据的分析,散射实验的数据相对就比较缺乏,在理论计算方面的研究更是缺乏。在复杂弹性结构声散射问题中,学者们也已做出了一定的探索。目前国内利用有限元与边界元结合的方法主要用于结构声辐射的研究中，而对水下弹性结构散射问题研究相对较少[5]。6 而声波在人体组织和其他动物体组织中传播的研究大都集中在超声频段，且绝大多数以医学研究为目的，对蛙人和海洋哺乳动物声散射的研究很少；国内目前尚没有对海豚或蛙人回波特性的研究，无法满足现代的防御需要[6]。相关人员通过理论建模得到：(1)对于75kHz的声波，海豚的目标强度约-25.8dB，该实验结果跟AuW.L.的实验结果大致相符；(2)海豚的球壳散射模型对于频率在75kHz左右的声波是适用的。但是在几十kHz以下的相对低频不再适用，在此频段内，对海豚反向散射起主要作用的肺器官可能存在其他的声波散射机理，比如肺泡的共振，使得海豚的反向散射目标强度大大增强；当频率甚高时，外围的肌肉、脂肪和骨骼等组织将“屏蔽”肺器官对回波的影响，球壳散射模型也不再适用。球壳散射模型适用频段范围约为几十kHz～一百kHz。同时，我们发现很多学者对海洋鱼类的散射特性研究很大程度上侧重于单一生物，比如海豚、中华鲟等。其中在于海园及其同事对鳃鱼目标强度的模型法研究中，采用用声散射理论和目标强度近似模型评估法对黄海鳃鱼的声散射特征和目标强度进行了数值计算与评估研究。他们将散射模型分为鱼鳔模型和鱼体模型两个部分，其中鱼鳔采用充满气体的椭球体模型，鳔除外的鱼体采用充满液体的椭球体模型。此外，他们还对鳃鱼的反响散射指向性特征、目标强度的频率特征以及鱼鳔对整体目标强度等进行了分析和讨论。通过他们的研究我们了解到90-95%的散射声能来自鱼鳔，鱼鳔的目标强度比去除鱼鳔的鱼体的目标强度高10多分贝，具体解释了鱼鳔在声散射中的重要性。但是，我们也发现，他们在模型选择时将鱼体和鱼鳔分列开来，在方便研究的同时也忽略的鱼体其他部分。虽然鱼体其他部分对研究的影响不大，但是在一定程度上使得结果不够谨慎。也更加确定了我们对海洋鱼类散射特性研究的必要性。此外，也有学者针对水下散射特性采用不同的研究方法比如加筋圆柱壳结构、波叠加法等，他们的研究虽然知识提供了一些研究方法，没有具体分析到各个生物，但是为我们课题的研究提供了强大的理论依据[7]。6 1982年6月到1986年12月期间，国家海洋局三所对海洋生物的散射特性以及它们在识别鱼群特性方面的应用进行了相关研究。主要工作为：鱼体解剖特性的高分辨率声学测量。设计并制作了聚焦换能器和测量系统，同时，对多种鱼类的声学特性进行了测量，从而得到高分辨率鱼体声散射模型。测量结果显示，鱼的反向散射和鱼的解剖特征密切相关。与此同时，他们还研究了鱼的解剖特征和鱼回拨幅值概率密度函数中跟鱼的种类有关的参数之间的关系[8]。用声学的方法，尤其是在大规模测量需要高分辨率数据的的情况下，来调查生物体就能够有效地避免出现此类问题。因为声学采样不能直接得到生物体的相关数据，所以为了从海洋生物的声学散射中提取生物信息，需要对那些生物体的散射机理有大致的了解和掌握[9]。此外，采用声学方法快速测量具有生态价值和经济价值的海洋生物体也已经有很长一段时间了[10]。这些方法被用来辅助传统的手段，比如直接下网取样等。虽然直接取样能够直接测量生物体的数量、生物体尺寸大小以及脆弱物种的捕捞和破坏情况等。由此可见，研究鱼类散射特性具有非常重要的意义，它在为探测鱼类提供理论依据的同时，对水产捕捞业及海洋生物资源的调查研究也起到了非常重要的作用[11]。鱼的反向散射测量不是很复杂，测量大量不同长度鱼的反向散射幅度，并计算回归方程以从声学反向散射中得到鱼长。这种方法己经被渔业声学家使用了很多年，但是在应用到特定鱼种或群落时却有不足。而且简单测量具有复杂的变化性，鱼的方向、行为和鱼体及鱼蝉的变化都会影响反向散射的测量。在反向散射测量中可以使用概率密度函数(PDF)来估计鱼的活动程度[12]。只有经验测量不能够对鱼的反向散射进行细致研究。所以，建立鱼的反向散射模型就很有必要，以解释测量的变化性和从声学数据中更好地估计鱼尺寸和识别鱼种类。以上国内外的研究经验为我们的课题研究提供了宝贵的经验。6 结论对于海洋鱼类的散射特性问题的研究，我们了解到其主要散射存在于生物体内的气体物质，对此虽然已有学者研究讨论，但是其研究在对气体物质研究的同时忽略了其他因素的影响，故我们决定根据理论依据，结合国内外已有研究的成果，主要侧重于海洋鱼类体内的气体物质进行研究，同时不排除其他物质的影响。希望通过研究，可以了解到更全面、更仔细的成果，为鱼类声学散射特性提供灵活、实用的有效途径，在目标强度评估研究中作为现场测定的有效补充。同时帮助掌握鱼群信息，发现可供捕捞的渔场。[参考文献][1]邹春平,陈端石,华宏星《船舶水下辐射噪声特性研究[J]》船舶力学,2004,8(1):113～1241[2]　张波，马戎成，刘文章《海豚声散射特性的理论建模及实验研究》《应用声学》第29卷第2期2010年3月[3]黄培康,殷红成,许小剑.雷达目标特性[M].北京:电子工业出版社,2005:80284.[4]雷　波,杨坤德,李云飞.利用前向散射实现低速运动目标探测[C]//2007年中国声学学会青年学术会议论文集.武汉:中国声学学会,2007.[5]DariuszStramski,DaleA.Kiefer.lightscatteringbymicroorgan2ismsintheopenocean[J].ProgOceanorg,1991,28:343—383.[6]何祚镛,赵玉芳.声学理论基础.北京:国防工业出版社.1981:315-318.[7]JamesJ,FaranJr1SoundScatteringbySolidCylindersandSpheres[J]1AcoustSocAm,1951;23(4):405～4181[8]ChrisR.MolandPaulA.Breddels.Ultrasoundvelocityinmuscle.J.Acoust.Soc.Am.,6 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