不同頻率條件下海月水母目標強度測量及分析

陳 晟，紀建達，于 濤，張榮勇，張文杰，牛富強，*

（1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

近年來，核電廠取水口堵塞事件頻繁發生，其中水母是一種常見的致災堵塞物。在我國紅沿河核電站，就曾發生幾次大量海月水母涌入，堵塞機組循環水過濾系統（CFI）取水口，引起機組降功率、停堆等事件，對核電廠安全相關系統造成影響[1]。由于聲學探測技術不受光照、水域渾濁度等的限制，而且高效快捷、對海洋環境損害較小，逐漸成為水母災害監測預警的一種技術手段[2-3]。國外MUTLU 等[4]采用雙頻魚探儀對黑海的海月水母（Aurelia aurita）進行了目標強度測定，建立了海月水母（120 kHz及200 kHz）的目標強度與傘徑或濕重之間的關系模型；HIROSE 等對沙海蜇（Nemopilema nomurai）水母的單體聲學散射特征進行了研究，建立了沙海蜇目標強度與生物學特征之間的關系模型[5]；KANG 等使用雙頻魚探儀（38 kHz和120 kHz）對韓國水域內沙海蜇進行了目標強度的測定，建立了沙海蜇傘徑與目標強度之間的關系模型[6]；ROBERTIS 等對咖啡金黃水母（Chrysaora melanaster）進行了聲學目標強度的測定，分析了其在38 kHz和120 kHz 這2種頻率下的聲學目標強度[7]。國內王梓等在紅沿河核電站取水口附近利用EK60魚探儀對水母進行了監測，獲得了水母的資源密度[8]；張劍飛采用高分辨率多波束儀對水母進行探測，獲取其回聲特性，分析了其在敏感海域的分布密度及體散射強度特征[9]；付媛媛等在紅沿河核電站附近海域利用EK60魚探儀進行垂直斷面走航水母資源聲學調查，并結合潮流數據計算了水母通過調查斷面的通量[1]。從這些研究中可以看到：國外關于各類水母的目標強度測量已經有不少的成果，包括水池和海上測量；國內關于水母目標強度的基礎測量工作卻相對較少，常常借鑒或直接運用國外的一些模型和測量結果[1-2]。由于水母不同種類間，相同種類但不同大小個體間，甚至不同的測量方法均有可能導致目標強度測量結果存在一定的差異[2]，如果不結合探測設備、頻率條件等，直接利用國外的測量結果，對探測的水母數量進行回波積分/計數法統計，或是對水母的分類進行統計時，可能會造成較大的偏差。因此，有必要結合聲學設備對不同頻率條件下水母目標強度進行測量。

海月水母在我國大連、青島等地沿海均有分布，海流穩定的溫帶淺海海域是其最適合和最主要的分布區域[10]，是我國黃海和東海經常爆發的大型水母種類之一[11]，也是我國近海危害較大的水母種類之一[12]。本文將在水池條件下，利用同一魚探儀（EK80），開展單頻（120 kHz）和寬頻信號（90 kHz ～ 170 kHz）回波探測實驗，對這種典型致災水母種類——海月水母進行目標強度測量，從而獲得不同頻率條件下，相同傘徑海月水母的目標強度測量值和回波信號。并將目標強度測量結果與國外已有的關于海月水母的 2種目標強度模型進行比對和分析。另外，還將對單頻和寬頻條件下，海月水母的探測回波進行比對分析。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗選擇的海月水母均為黃海海域野生水母，傘徑基本一致，約為10 cm。實驗前，水母被放置在含有氧氣的塑料袋中，袋口扎緊，直至數小時內置于實驗水池中，使其保持活性。實驗過程中使用細魚線，避免產生附加散射。

1.2 實驗儀器和環境

實驗所用魚探儀為寬頻分裂波束 EK-80科學魚探儀，由挪威SIMRAD公司生產。單頻發射時，為矩形脈沖信號（CW），頻率為120 kHz；寬頻發射時，為線性調頻信號（LFM），頻率為90 kHz ～170 kHz。其中魚探儀換能器的增益、發射功率、發射頻率、脈寬長度、脈沖間隔等詳細參數如表1所示。水池為非消聲海水池，長3.5 m，寬3.3 m，深1.4 m；換能器的布放深度為0.6 m。同時布放水下攝像頭進行觀測。如圖1所示。

圖1 水池尺寸和實驗設備布放Fig.1 Pool dimensions and deployment of experimental equipment

表1 SIMRAD EK80魚探儀主要技術指標與參數設置Table 1 Main technical indexes and parameter settings of SIMRAD EK80 echosounder

1.3 實驗方法

1.3.1 聲速測量與參數選擇

首先運用水分析儀（YSI ProPlus）對海水的溫度、鹽度等進行測量，獲得海水的吸收系數和海水的聲速。其次，魚探儀換能器采用水平布放，水母布放在換能器遠場區，水平距離大于1 m，深度與換能器一致，為0.6 m。發射信號的脈沖寬度選擇至少包含10個以上的波，同時要具有高分辨率，選定單頻信號的脈沖寬度為0.128 ms，寬頻信號的脈沖寬度為0.512 ms。另外，需要強調的是，由于水池深度只有1.4 m，容易產生一定水面和池底的混響，所以選擇的功率不能太大，選定的功率為75 W。

1.3.2 標準球校準

選用直徑為23 mm的標準銅球，選擇好布放點，運用標準球法對EK80魚探儀進行校準。校準后，得到校準參數、校準偏差及校準文件。校準后的參數如表2所示，其中校準后均方根誤差RMS為0.12 dB，滿足校準要求。輸入符合要求的校準文件，完成對EK80魚探儀的校準。

表2 校準后的主要參數Table 2 Main parameters after calibration

1.3.3 探測面和背景噪聲閾值的設定

首先避開水池內一些固定較強混響，選擇合適的水平距離。再根據 EK80換能器的水平和縱向波束角，求得對應的水平距離上探測面大小，為放置水母做準備。另外，可初步設置探測閾值為-90 dB。測量出水母的大致目標強度后，再根據水母的最小目標強度進行調整，對水池噪聲做進一步的降噪處理。

1.3.4 水母姿態角的調整

布放水母時，將其從充氧袋取出，快速放入海水池中，并在水面下進行穿線，在水母下方配上適當重物，如圖1所示，實現用三根細魚線對水母姿態角的控制。選擇合適的水平距離，尋找到探測面，并將水母放入探測面內。利用水下攝像頭進行監測，改變細線位置，從而調整姿態角。水母在自然漂浮狀態時，其姿態角計為 0°，水母的傘部對準換能器時，其姿態角計為90°。對水母進行大面積資源調查時，一般采用走航垂直觀測方式，這時水母傘背部相對換能器的姿態角處在90°位置附近，設水母傘背部偏離軸向±30°，則姿態角為 60°～120°。本實驗測量期間，姿態角控制在60°～120°。

1.4 數據處理方法

魚探儀為主動聲吶，根據主動聲吶方程，可以獲得魚探儀軸向上探測物的目標強度（TS）為

式中：EL為回波強度；SL為聲源級；TL為傳播損失。依據該基本原理，以及Echoview 9.0 聲學數據處理軟件中對目標強度數據處理說明，可以得到點聲學目標強度測量值為

式中，Pr和Pt為換能器的接收和發射功率；R為距離，α為吸收系數，G0為換能器增益，λ為波長。將得到多次測量不同水平距離各點聲學目標強度，而水母的聲學目標強度為點聲學目標強度中的最大值。再通過提取多次測量的水母的聲學目標強度，確定目標強度的頻數分布，獲得平均目標強度值。其中平均目標強度值，可以直接根據測量得到的目標強度進行計算；或者根據測量得到的目標強度和頻度分布結果，以及目標強度和頻度的關系，如公式（3）所示，求得平均目標強度值。

式中：TSPJ為測量得到的平均目標強度；P為頻度概率；N為分布的頻次。

1.5 理論模型

文獻[13]給出了海洋生物聲散射特性研究的簡單模型——高通液球模型，其原理是將海洋生物的形狀簡化為球形，再依據其聲學屬性對目標強度進行估計。另外，MUTLU等[4]在海上測量的基礎上，總結了海月水母的傘徑與目標強度的關系式模型。將這2種模型介紹如下。

高通液球模型的關系表達式為[13]

式中：σ為反向聲散射截面；a是液球半徑，m；k是波數；α為瑞利散射系數，它表示為

式中：g=ρ1/ρ是密度比；h=c1/c是聲速比這里ρ1和c1是液球的密度和聲速，ρ和c是液球周圍介質的密度和聲速。參考文獻[5]取g= 0.989，h=1.000 1，代入公式（4）、（5）、（6）可求得海月水母目標強度。

Mutlu等總結出傘徑和目標強度的關系式為[4]

式中：TS為目標強度；d為傘徑大小，cm。

2 結果與討論

2.1 單頻條件下測量結果

當發射信號為單頻聲波，頻率為120 kHz，且海月水母的傘徑（水母水平放置時的直徑）為10 cm時，測量得到水母01樣本在EK80軟件下探測面內的位置，目標強度的頻度分布直方圖以及水平距離。對其截圖后如圖2所示。

圖2 目標所在位置、目標強度頻度分布和水平距離Fig.2 Target location，frequency distribution of Target Strength and horizontal distance

單頻條件下，應用 Echoview 9.0 聲學數據處理軟件，獲得多次不同水平距離各點聲學目標強度，如圖 3（a）所示；經軟件提取最大值，并計算后，可獲得水母的聲學目標強度及頻度分布，如圖3（b）-3（c）所示。

從表3看出，單頻條件下，傘徑約為10 cm時，海月水母的平均目標強度范圍主要分布在-66～-63 dB 之間。

單頻條件下，對6個樣本水母進行多次測量，可以得到它們的目標強度。再依據公式3，進一步計算得到不同樣本的平均目標強度，如圖 3（d）所示。詳細的情況如表3所示。

表3 單頻條件下目標強度的測量結果Table 3 Measurement results of target strength at single frequency

圖3 單頻條件下目標強度測量結果Fig.3 Measurement results for Target Strength at single frequency

2.2 單頻條件下測量結果與理論結果的比對

設高通液球模型計算得到的目標強度為理論值1，Mutlu傘徑模型計算得到的目標強度值為理論值2，則依據公式4-7，可分別獲得傘徑為10 cm的海月水母目標強度理論值1為-64.5 dB，理論值2為-59.9 dB。多個樣本水池的實測結果與理論模型計算結果如圖3（d）所示。從圖3（d）中，可以看到，單頻條件下相同傘徑海月水母的單體目標強度結果更接近理論值1，即更接近于高通液球模型。

再分別將單頻條件下目標強度測量結果的最小值和最大值分別與理論模型進行比較，可以進一步得到它們的誤差值，如表4所示。

表4 目標強度實測值與理論值的比較Table 4 Comparison between measured value and theoretical value of Target Strength

從表4也可以看出，單頻條件下，目標強度實測值與理論值1的平均誤差小于3 dB，與理論值2的平均誤差大于3 dB。

2.3 寬頻條件下測量結果

寬頻條件下，頻率為 90～170 kHz，對相同海月水母在相同姿態角時，進行單目標探測，得到水母01樣本在探測面內的位置，目標強度的頻度分布以及水平距離如圖4所示。

圖4 目標所在位置、目標強度頻度分布和水平距離Fig.4 Target location，frequency distribution of target strength and horizontal distance

寬頻條件下，與單頻條件的處理方式一樣，得到多次不同水平距離各點聲學目標強度如圖5（a）所示；水母的聲學目標強度，如圖 5（b）所示；其頻度分布，如圖5（c）所示。

對相同的6個樣本水母進行多次測量，分別得到它們的目標強度，依據公式3，進一步計算得到寬頻條件下，不同樣本的平均目標強度，如圖5（d）所示。詳細的情況如表5所示。

表5 目標強度的測量結果Table 5 Measurement results of Target Strength

圖5 寬頻條件下目標強度測量結果Fig.5 Measurement results for target strength at broadband frequency

從表5看出，寬頻條件下，傘徑約為10 cm時，海月水母的平均目標強度范圍主要分布在 61～-59 dB之間。

2.4 寬頻條件下測量結果與理論結果的比對

從圖5（d）中，可以看到，寬頻條件下相同傘徑海月水母的目標強度測量均值更接近理論值 2，即更接近于Mutlu傘徑模型。同樣，將寬頻條件下目標強度測量結果中的最小值和最大值與理論值進行比較，分別得到它們的誤差值，如表6所示。

表6 目標強度實測值與理論值的比較Table 6 Comparison between measured value and theoretical value of Target Strength

從表6也可以看出，在寬頻條件下，目標強度實測均值與理論值2的平均誤差小于3 dB，與理論值1的平均誤差大于3 dB。

2.5 分析與討論

2.5.1 不同頻率條件下目標強度測量值差異分析

不同海洋生物對不同頻率信號回波響應有可能不同，依據DEROBERTIS等的研究結果[14]，海月水母在120 kHz、200 kHz這2種頻率對應的以傘蓋（cm）面積為基準的目標強度（RTS）之間有頻差，范圍在0～3 dB之間。可見，海月水母對不同頻率或頻段信號會產生不同的聲學響應特性。這也是本實驗中，單頻（120 kHz）和寬頻（90 kHz ～170 kHz）之間所測量的目標強度也存在差別的根本原因。利用該特性可運用于水下在線監測過程中對水母的分類。如2019年YOON等[15]運用38 kHz、120 kHz共2種頻率目標強度之間的頻差對水母進行了分類。

2.5.2 不同頻率條件下設備探測性能差異

水母目標強度測量，與運用的設備密切相關。EK80科學魚探儀屬于分裂波束魚探儀，在接收過程中由換能器的4個部分進行。無論是單頻還是寬頻條件下，4個波束的回波基本相近。取出單頻和寬頻條件下的單個波束回波，如圖6所示。

圖6 單頻和寬頻條件下單個波束的回波Fig.6 Echo of single beam at single and broadband frequency conditions

從圖6可以看出，水池條件下，單頻和寬頻條件下的回波波形、回波脈寬可以清楚的獲得，且信噪比高。EK80魚探儀在單目標探測中，對于單頻和寬頻回波信號的處理算法不同，使得探測的距離分辨率不同。單頻條件下，分辨率與回波脈寬成反比，寬頻條件下，分辨率與頻寬成反比[17]。在圖3（c）和圖4（c）中，可以看出，寬頻條件下，距離分辨率更高。

同樣，分別將單頻和寬頻條件下2個接收回波波束進行相關性分析，可以得到它們的相關系數，如圖7所示。

圖7 單頻和寬頻條件下回波的相關關系Fig.7 Correlation of echoes at single and broadband conditions

從圖7可以看出，單頻條件和寬頻條件下，相同采樣點數時，對應相關系數形狀不同，但它們的延遲基本相同。對于分裂波束換能器來說，不同接收部分的回波延遲是計算目標方位的關鍵。從圖2（a）和圖4（a）也可以看出，不同頻率條件下，相同位置的水母測量出的目標方位基本一致，對目標強度的測量影響不大。

總的來說，設備的不同頻率的探測性能對水母目標強度的測量會產生一定的影響，一般來說，寬頻信號相比傳統的窄帶單頻信號，在單體識別和性能上有進一步的提高[16-17]。但在水池條件下，通過增大水平距離，可以減少和忽略它們對目標強度測量的影響。

2.5.3 應用分析

在核電廠冷源致災生物探測預警中，聲學設備一般布放在淺海，水面和海底會產生一定混響和背景噪聲干擾。本文在水池條件下，探測面的選擇就很關鍵，當水平距離為2 m時，根據換能器的最大波束角為7°，計算出探測面的直徑約為0.24 m。當水母處在該探測面時，才能獲得正確的測量結果。除了選好探測面外，對于均值為10 cm傘徑海月水母，單頻120 kHz發射時，背景噪聲閾值設置為-80 dB；寬頻90 kHz ～120 kHz發射時，背景噪聲閾值設置為-78 dB，分別如表3和表5所示，才能去除混響和背景噪聲，獲得良好的探測結果。在實際應用中，一般采用走航垂直探測，一方面要考慮探測范圍，避開混響，另一方面需要根據海月水母對不同頻率條件聲學響應特性不同，設置不同的背景噪聲閾值，才能獲得更好的探測效果。

3 結束語

通過對海月水母單體目標強度測量的水池實驗，綜合上述實驗結果和分析，可以得出以下結論：

1）對于傘徑為10 cm的海月水母，海月水母的姿態角在60°～90°之間時，在單頻和寬頻條件下，測量得到的目標強度值與理論模型較為相符，但寬頻條件下測量得到的目標強度值高于單頻條件下測量值。單頻條件下，測量得到的目標強度值為-66～-63 dB，接近高通液球模型；寬頻條件下，測量得到的目標強度值-61～-59 dB，接近Multu傘徑模型。

2）相同傘徑的水母，在單頻和寬頻條件下，目標強度測量值出現差異原因主要與水母對不同頻率的聲學響應有關。

今后的研究中，將進一步運用EK80魚探儀對海月水母進行更高及更寬頻率測量，從而獲得更多不同頻率條件下的目標強度值，為我國進一步應用聲學技術開展海月水母資源調查和監測提供理論基礎和科學依據。