超聲波生物遙測技術及其在現代漁業中的應用

劉 景， 湯 勇， 邢彬彬， 殷雷明， 莊 鑫， 畢福洋， 張國勝

(1 大連海洋大學海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116023；2 東京海洋大學大學院海洋科學技術研究科，日本 東京 1080075)

1 超聲波生物遙測技術簡介

動物遙測是一門用來闡明動物的活動和行為與其所處的環境或棲息地之間關系的科學[1]。陸生動物多采用電磁波標志及衛星定位系統實現對目標動物的遙測跟蹤。電磁波在水中傳播衰減系數過大，有效傳播距離非常短，而聲音在水中傳播時則具有衰減系數小、傳播距離遠等優勢。20世紀50年代開始，有研究者嘗試將小型超聲波發信器固定于魚體進行超聲波標記跟蹤[2]，發展至今，超聲波生物遙測技術已成為研究水生動物在自然水域中的行為特征最為有效的方法之一。隨著電子科學技術的快速發展，超聲波發信器也逐漸趨于小型化和多樣化，目前已出現了多種類型的超聲波生物遙測方法，并各具所長。隨著小型傳感器的誕生，研究者開發出攜帶小型傳感器的超聲波發信器，在觀測水下動物活動路線的同時，還可以獲得目標生物棲息水層的溫度和深度等環境信息。近年來，研究人員對多種水生生物進行了超聲波生物遙測分析，小到6 g 的鮭魚，大到150 t 的鯨魚，涉及到海洋哺乳類、魚類、蟹類、龜類等，掌握了大量的水生生物的行為學信息[1]，對于水生生物的行為學、相關漁具漁法學、瀕危生物資源保護及增殖放流等領域的研究工作具有重要意義，對漁業資源的保護和現代漁業的發展起到了關鍵的推動作用。

2 超聲波生物遙測技術在國內外的研究進展

Trefethen[3]在1956年首次嘗試使用超聲波標志對成年大馬哈魚(Oncorhynchusketa)和銀鮭(Oncorhynchuskisutch)進行超聲波遙測研究，這種研究方法隨后在美國西部哥倫比亞河上的邦納維爾壩的壩前水域被用來研究太平洋鮭魚(Pacificsalmon)的逆流遷徙行為，早期由于超聲波發信器體積較大，多懸掛于成年魚體表進行標志。Yuen等[4]在1969年首次將超聲波發信器植入鰹魚(Katsuwonuspelamis)腹腔內進行跟蹤研究。早期的超聲波標志跟蹤通過將定向水聽器固定于船舶，通過耳機或擴音器監聽發信器相對于船體的方位并實時追蹤。1972年Watkins等[5]首次提出，通過檢測魚體攜帶的超聲波發信器發射的超聲波到達4通道接收機陣列各個水聽器的時間差，進行三維測位。Hawkins等[6]在1974年使用多個全方位水聽器陣列進行時間差測位研究。在20世紀末，Thorpe等[7]逐步使用該技術對大馬哈魚幼魚進行跟蹤研究并分析其洄游習性等行為信息。2000年前后，美國的Steig等[8]使用多個全方位水聽器陣列，采用時間差計算法對魚類進行水下精確定位追蹤，了解目標魚類在壩前的滯留及魚道選擇等行為，并且評價了魚道的效果；John等[9]總結了2000年之前的超聲波生物遙測技術的發展歷程并討論了超聲波生物遙測技術的定位精度。

近年來，隨著超聲波生物遙測技術的發展，定位精度不斷提高，達到亞米級，并且跟蹤時長也顯著提高，因此，越來越多的研究者采用超聲波生物遙測技術進行一些更為細致的研究。比如魚類的交配行為、聚礁行為、棲息地辨別行為、產卵場搜尋、水生生物資源豐富度評價、產卵期行為特征、水生生物增殖放流效果評價等[10-15]。日本的Miyamoto等[16-17]近年來還利用超聲波生物遙測技術分析魚類與網具之間的關系，對金槍魚延繩釣以及大型定置網的設計提出了改造意見，對于提高漁業作業效率、降低兼捕漁獲物等起到了關鍵性作用。

相對于加拿大、美國、日本、英國等國家，中國關于超聲波生物遙測技術方面的研究還較少。目前國內還未能自主開發出完備的超聲波生物遙測系統，研究工作者主要依靠購買國外設備進行相關研究，所使用的超聲波發信器也都全部進口。國內最早在1981年由中國水產科學研究院開始探索魚類的水聲遙測跟蹤技術，并對長江中華鱘(Acipensersinensis)和四大家魚開展聲學跟蹤試驗[18]。危起偉等[19]1993年在葛州壩下對成熟的中華鱘進行標志和追蹤試驗，根據它們在產卵期的遷移情況推斷其產卵場。危起偉等[20]還在1996年利用美國 Sonotronics 公司的超聲波發射器、接收儀和水下聽筒裝配的一套超聲波遙測定位系統，利用三角形定位法，在長江宜昌江段對中華鱘進行遙測跟蹤試驗，記錄了中華鱘在產前、產卵和產后的行蹤；林永兵等[21]2006年10月—2008年5月采用加拿大Vemco公司生產的超聲波跟蹤系統對非繁殖季節的中華鱘親鱘在葛洲壩下至長江入海口江段的遷移和分布情況進行了初步研究，得到了中華鱘在產卵后的洄游路線和遷移速度；郭禹等[22]2014年在實驗池內利用小型超聲波標志跟蹤技術對花尾胡椒鯛(Plectorhinchuscinctu) 進行持續 5 d的跟蹤研究，初步得到了其晝夜活動軌跡與行為規律；2013年孫璐等[23]利用超聲波生物遙測技術對刺參和許氏平鮋進行標記進而對人工魚礁的環境修復效果進行評價，并且總結了不同水生生物的超聲波發信器標記方法；王成友等[24]在2010年總結了超聲波遙測在水生動物生態學研究中的應用及發展前景；俞立雄等[25]2017年研究了不同標記對魚類游泳速度的影響，試驗結果表明超聲波標志對3個體長組草魚的臨界游泳速度有顯著影響。

近年來，國內野生水產資源嚴重衰退，一些水生生物甚至面臨著嚴重的生存威脅，漁業相關部門越來越重視資源的保護及恢復工作，循環水養殖、人工魚礁、海洋牧場等現代化漁業發展模式也日趨重要，超聲波生物遙測技術在現代化漁業的發展過程中逐漸顯示出其獨特的技術優勢，也逐漸得到了越來越多的漁業科研工作者的重視。

3 超聲波生物遙測系統的組成

超聲波生物遙測系統主要包括發射裝置和接收裝置。發射裝置發出超聲波信號，由接收裝置識別并儲存，最后通過電腦對數據信號進行處理，轉換為位置、深度等信息。

發射裝置又稱為超聲波發信器，通常由電池、振動子、CPU、電路控制板及傳感器組成，根據研究需要可配置不同類型的傳感器；根據超聲波發射周期的不同可以工作幾天至幾年時間，發射周期通常由磁力開關在超聲波發射器外部控制，根據調制方式和編碼方式的不同，可同時接收超聲波發信器的最大個數也不同。例如，日本Aqua Sound公司生產的超聲波發射器(圖1)，直徑9.5 mm，長43 mm，采用M系列信號編碼，理論上最多可同時識別32 768個超聲波發信器，其振動子采用新型多層電致伸縮換能器，相對于之前的PZT壓電陶瓷振動子電聲轉化效率更高[26]；提出超聲波發射器的性能定義由以下4個指標決定：小型化、電池壽命、傳輸距離和信號識別能力[27]。

圖1 日本Aqua Sound公司生產的超聲波發射器內部結構

目前國內外使用的超聲波發信器主要來自加拿大、美國和日本，型號和功能多樣化，主要區別為電池壽命、尺寸大小、發射頻率、識別能力、可識別個數以及傳感器種類，可根據具體實驗條件和研究目的選擇不同的超聲波發射器。表1為常見超聲波發射器的規格參數。

表1 常見超聲波發信器規格

接收裝置通常包括水聽器和信號識別及儲存系統，早期的接收裝置多由定向水聽器和收聽設備組成，結構比較簡單，隨著調制技術的發展，為了可同時監測更多樣本，超聲波發信器逐漸改進為調制聲波發射，調制方法包括振幅變調、頻率變調和相位變調，接收裝置也添加了解調單元及數據存儲單元，根據接受系統的不同，一部分超聲波生物遙測系統還增添了顯示儀，另一部分則是通過存儲單元后期進行數據處理，進而獲得距離、位置、深度、溫度等信息[27]。

4 超聲波生物遙測技術的分類

根據超聲波生物遙測技術的工作原理，可以將該技術劃分為3類，即跟蹤型、設置型、雙曲線測位型(圖2)。

圖2 3類超聲波生物遙測方法示意圖

根據受信機之間的陣列距離，又將超聲波測位類型劃分為長基線法(LBL)、短基線法(SBL)和超短基線法(SSBL)[28]。

4.1 跟蹤型

跟蹤型超聲波生物遙測技術也分為2類。第1類是將定向水聽器固定在船舶上，監聽人員通過耳機或喇叭辨別超聲波發射器的大體方位，Trefethen等[2]在1957年就使用這種方法對銀鮭進行追蹤。第2類是將4個全方位水聽器固定在船的周圍，根據超聲波信號到達4個水聽器的時間差以及超聲波所在位置到達4個水聽器之間的俯仰角關系來判斷超聲波發信器相對于船體的方向，這種方法也屬于短基線法(SBL)。

跟蹤型超聲波生物遙測方法操作簡單，而且能夠在大范圍水域追蹤標志魚，不受接收機位置的限制，缺點是需要操作人員不間斷地觀察追蹤終端顯示設備，稍有不慎就容易跟丟實驗對象，并且受到天氣的影響較大，另一個缺點是不方便同時跟蹤多個實驗對象。因此，跟蹤型通常與設置型和雙曲線測位型配合使用[12,29]。

4.2 設置型

設置型超聲波生物遙測技術是將接收機陣列布置于實驗水域，根據接收機和超聲波發信器的性能，接收機可以接收一定半徑以內的超聲波信號，當攜帶超聲波發信器的實驗魚游到接收機的有效接收半徑以內時，接收機便可以識別并儲存相關信息。該技術可根據實驗需要布置任意多個接收機。

設置型超聲波生物遙測技術的優點是可同時監測多個目標，可根據需要布置任意大小的接收機陣列，缺點是測位精度較低，只能判斷實驗對象處于哪個接收機周圍，不能得到實驗對象精確的活動路線。這種方法被廣泛應用于鮭鱒魚的洄游路線、產卵場等方面的研究[29-30]。

4.3 雙曲線測位型

雙曲線測位型超聲波生物遙測技術是3種遙測技術中測位精度最高的，通常需要3個或3個以上接收機，測位精度可達到亞米級，但是根據超聲波發信器所處接收機陣列內位置的不同，測位精度也有很大差異，接收機分為有線式和無線式，有線式接收機可直接連接終端設備，實時提取數據，無線式通常將數據存儲在接收機內，后期提取并處理。Frank Smith[31]在2013年系統地分析了使用3個接收機的三角形超聲波生物遙測技術的測位精度差異，陣列內的模擬測位精度差異顯示(圖3)，中間深色區域測位誤差相對較低，陣列以外隨著顏色的加深代表測位誤差越來越大。

圖3 三角形陣列超聲波測位精度模擬圖

雙曲線測位型超聲波生物遙測技術能夠實現精確測位，并且不需要研究人員不間斷監測，操作相對簡單，相對于跟蹤型和設置型更便于研究水生生物在某一地點的詳細活動規律，缺點是需要處理大量的數據，無線式接收機由于存在時鐘差，數據處理方法更加復雜，難以實現實時監測。這種方法被廣泛應用于魚類在水壩附近的游泳路線監控、魚道選擇、聚礁行為等研究[32-34]。

5 超聲波生物遙測技術在現代漁業領域的應用探討

5.1 魚類行為學研究

魚類行為是指魚類進行的各種運動，是魚類對外界環境和內部環境變化的外在反應[35]。在研究魚類對外界環境的變化時，經常需要了解魚類所處環境的溫度、鹽度、深度等信息，在自然水域中很難準確實時地得到這些信息，利用超聲波生物遙測技術則可以24 h持續觀察實驗魚在自然水域的環境信息。另外，利用超聲波生物遙測技術還可以研究魚類在自然水域的游泳速度、遷移速度、洄游路線等行為信息。

5.2 新型網具開發與設計

網具的開發往往需要了解目標魚類的棲息深度、活動范圍、晝夜活動差異等詳細信息，然而利用傳統方法很難得到具體信息，利用超聲波生物遙測技術正好解決了這一問題；另一方面，近年來隨著漁業資源的驟減，越來越多的研究者試圖開發出兼捕漁獲物少的新型網具。日本的內田圭一等[17]通過超聲波生物遙測技術分析了藍鰭金槍魚(Thunnusthynnus)幼魚和黃鰭短須石首魚(Umbrinaroncador)在同一個定置網內的活動差異，試圖通過行為研究起到保護藍鰭金槍魚幼魚的目的。定置網是對環境危害較小的網具，目前日本沿海分布大量的大型定置網。隨著中國漁業資源量的恢復，未來也很可能在中國大范圍應用，而定置網的網墻設置、深度選擇等參數尤為重要，超聲波生物遙測技術也是獲得這些信息的有效工具。宮本佳則等[36]利用超聲波生物遙測技術研究了金槍魚延繩釣的水下形態變化，對網具的改進和漁法提出了建議；除此之外，超聲波生物遙測技術還可以用于大型圍網和拖網的沉降速率和網具深度監測方面的研究。

5.3 人工魚礁和海洋牧場建設

了解人工魚礁、海洋牧場內魚群的活動信息對海洋牧場的管理和建設非常重要，然而國內人工魚礁和海洋牧場建設過程中對魚類在人工魚礁和海洋牧場內活動范圍的檢測信息非常少，未來可利用超聲波生物遙測技術對人工魚礁和海洋牧場內的目標魚群進行定位追蹤，獲得更多的魚群信息，進而起到提高人工魚礁親魚聚集效果和產卵率、提高海洋牧場飼料利用率以及網具作業位置選擇等作用。另一方面，人工魚礁也是現代海洋牧場建設中的一項重要內容，利用超聲波生物遙測技術能夠有效監測人工魚礁對魚類的聚集效果，通過超聲波生物遙測技術的應用，可以促使中國現代海洋牧場建設系統更加合理化和高效化。

5.4 增殖放流及資源保護

近年來，中國的經濟魚類增殖放流工作不斷擴大，放流魚類的年齡選擇、放流地點選擇、放流效果評價等研究非常迫切，超聲波生物遙測技術可以對這些研究起到技術支持，國內已有很多相關研究。在水生生物資源保護方面，國內已經做了對長江中華鱘保護方面的研究，包括產卵場、洄游路線調查等，未來可利用該技術對更多水生生物進行研究，從而對中國的水生生物進行更有針對性的保護，還可以利用該技術實現對大壩魚道效果的評價。隨著人類在河流及淺海建筑設施的增加，這些人類活動可能對水生生物的棲息場所產生威脅，利用超聲波生物遙測技術可以評估這些人工設施對水生生物的影響。

6 結論

超聲波生物遙測技術發展至今已經形成了一套比較完善的聲學生物遙測系統，接收機以及超聲波發信器的種類非常豐富，測位精度也有了顯著提高，是研究水生生物行為信息的一種非常有效的方法。應用超聲波生物遙測技術可以對中國的現代漁業發展提供有力的技術支持，在漁業資源保護、增殖放流、網具設計等領域將起到關鍵性作用。但國內目前還不能自主研發相關核心設備，接收機和發信器主要依賴進口，價格昂貴，在一定程度上制約了該技術在國內的大范圍應用。

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