Akustyka rybołówstwa - Fisheries acoustics
Akustyka rybołówstwa obejmuje szereg tematów badawczych i praktycznych z wykorzystaniem urządzeń akustycznych jako czujników w środowiskach wodnych . Techniki akustyczne można zastosować do wykrywania zwierząt wodnych , zooplanktonu oraz fizycznych i biologicznych cech siedlisk .
Podstawowa teoria
Estymacja biomasy to metoda wykrywania i kwantyfikacji ryb i innych organizmów morskich za pomocą technologii sonarowej . Przetwornik akustyczny emituje do wody krótki, skupiony impuls dźwięku. Jeśli dźwięk napotyka obiekty o innej gęstości niż otaczające je medium, takie jak ryby, odbijają część dźwięku z powrotem w kierunku źródła. Echa te dostarczają informacji o wielkości, lokalizacji i liczebności ryb . Podstawowymi elementami funkcji sprzętowej naukowej echosondy jest przesyłanie dźwięku, odbieranie, filtrowanie i wzmacnianie, rejestrowanie i analizowanie echa. Chociaż istnieje wielu producentów dostępnych na rynku „wykrywaczy ryb”, analiza ilościowa wymaga, aby pomiary były wykonywane za pomocą skalibrowanego echosondy, charakteryzującego się wysokim stosunkiem sygnału do szumu .
Historia
Po pierwszej wojnie światowej, kiedy sonar został po raz pierwszy użyty do wykrywania okrętów podwodnych, echosondy zaczęto wykorzystywać poza wojskiem. Francuski badacz Rallier du Baty zgłosił nieoczekiwane echa w wodach śródlądowych, które przypisał ławicom ryb w 1927 r. W 1929 r. Japoński naukowiec Kimura zgłosił zakłócenia ciągłej wiązki akustycznej dorady pływającej w stawie akwakultury.
We wczesnych latach trzydziestych dwudziestego wieku dwaj rybacy komercyjni, Anglik Ronald Balls i Norweg Reinert Bokn, zaczęli niezależnie eksperymentować z echosondami jako środkami do lokalizacji ryb. Ślady akustyczne szprota szkół zarejestrowanych przez Bokn w Frafjord, Norwegia była pierwszym echogram ryb mają zostać opublikowane. W 1935 roku norweski naukowiec Oscar Sund poinformował o obserwacjach ławic dorsza ze statku badawczego Johan Hjort, co oznacza pierwsze użycie echosondy w badaniach rybołówstwa.
Technologie sonarowe rozwinęły się szybko podczas drugiej wojny światowej, a zbędny sprzęt wojskowy został przyjęty przez rybaków komercyjnych i naukowców wkrótce po zakończeniu działań wojennych. W tym okresie po raz pierwszy opracowano instrumenty zaprojektowane specjalnie do wykrywania ryb. Przy interpretacji pomiarów akustycznych utrzymywały się jednak duże wątpliwości: kalibracja przyrządów była nieregularna i nieprecyzyjna, a właściwości ryb i innych organizmów w zakresie rozpraszania dźwięku były słabo poznane. Począwszy od lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych, seria praktycznych i teoretycznych badań zaczęła przezwyciężać te ograniczenia. W tym okresie pojawiły się również postępy technologiczne, takie jak echosondy z dzieloną wiązką, cyfrowe przetwarzanie sygnałów i wyświetlacze elektroniczne.
Obecnie badania akustyczne są wykorzystywane do oceny i zarządzania wieloma łowiskami na całym świecie. Standardowym wyposażeniem są skalibrowane echosondy z dzieloną wiązką. Często używa się jednocześnie kilku częstotliwości akustycznych, co pozwala na pewne rozróżnienie różnych typów zwierząt. Rozwój technologiczny jest kontynuowany, w tym badania nad sonarami wielowiązkowymi, szerokopasmowymi i parametrycznymi.
Techniki
Liczenie ryb
Kiedy poszczególne cele są oddalone od siebie na tyle daleko, że można je od siebie odróżnić, łatwo jest oszacować liczbę ryb, licząc liczbę celów. Ten rodzaj analizy nazywany jest zliczaniem echa i był historycznie pierwszym, który został użyty do oszacowania biomasy.
Integracja echa
Jeśli więcej niż jeden cel znajduje się w wiązce akustycznej na tej samej głębokości, zwykle nie jest możliwe ich oddzielne rozwiązanie. Dzieje się tak często w przypadku ławic ryb lub skupisk zooplanktonu. W takich przypadkach do oszacowania biomasy stosuje się integrację echa. Integracja echa zakłada, że całkowita energia akustyczna rozproszona przez grupę celów jest sumą energii rozproszonej przez każdy pojedynczy cel. To założenie sprawdza się w większości przypadków. Całkowita energia akustyczna rozproszona wstecznie przez szkołę lub agregację jest całkowana razem i ta suma jest dzielona przez (wcześniej określony) współczynnik rozpraszania wstecznego pojedynczego zwierzęcia, dając oszacowanie całkowitej liczby.
Instrumenty
Echosondy
Podstawowym narzędziem w akustyce rybołówstwa jest echosonda naukowa. Instrument ten działa na tych samych zasadach, co rekreacyjna lub komercyjna echosonda lub echosonda , ale został zaprojektowany z myślą o większej dokładności i precyzji, umożliwiając ilościowe oszacowanie biomasy. W echosonda, nadajnik-odbiornik generuje krótki impuls, który jest wysyłany do wody przez przetwornik, zestaw elementów piezoelektrycznych ustawionych tak, aby wytwarzać skupioną wiązkę dźwięku. Aby można ją było wykorzystać do pracy ilościowej, echosonda musi być skalibrowana w tej samej konfiguracji i środowisku, w jakim będzie używana; jest to zwykle wykonywane poprzez badanie echa metalowej kuli o znanych właściwościach akustycznych.
Wczesne echosondy transmitowały tylko jedną wiązkę dźwięku. Ze względu na wzór wiązki akustycznej identyczne cele pod różnymi kątami azymutu będą zwracać różne poziomy echa. Jeśli wzór wiązki i kąt względem celu są znane, kierunkowość tę można skompensować. Konieczność określenia kąta do celu doprowadziła do opracowania echosondy dwuwiązkowej , która tworzy dwie wiązki akustyczne, jedna w drugiej. Porównując różnicę faz tego samego echa w wiązce wewnętrznej i zewnętrznej, można oszacować kąt poza osią. W dalszym udoskonaleniu tej koncepcji echosonda z podzieloną wiązką dzieli powierzchnię przetwornika na cztery ćwiartki, umożliwiając lokalizację celów w trzech wymiarach. Echosondy jednoczęstotliwościowe z dzieloną wiązką są obecnie standardowym instrumentem w akustyce rybackiej.
Echosondy wielowiązkowe
Sonary wielowiązkowe wysyłają wiązki dźwięku w kształcie wachlarza na zewnątrz do wody i rejestrują echo w każdej wiązce. Były one szeroko stosowane w badaniach batymetrycznych, ale ostatnio zaczęły być również wykorzystywane w akustyce rybołówstwa. Ich główną zaletą jest dodanie drugiego wymiaru do wąskiego profilu słupa wody nadanego przez echosondę. W ten sposób można połączyć wiele pingów, aby uzyskać trójwymiarowy obraz rozmieszczenia zwierząt.
Kamery akustyczne
Kamery akustyczne to instrumenty, które natychmiastowo obrazują trójwymiarową objętość wody. Zwykle używają one dźwięków o wyższej częstotliwości niż tradycyjne echosondy. Zwiększa to ich rozdzielczość, dzięki czemu można szczegółowo zobaczyć poszczególne obiekty, ale oznacza, że ich zasięg jest ograniczony do kilkudziesięciu metrów. Mogą być bardzo przydatne do badania zachowania ryb w zamkniętych i / lub mętnych zbiornikach wodnych, na przykład do monitorowania przepływu ryb anadromicznych przy tamach
Platformy do akustyki rybackiej
Badania akustyczne w rybołówstwie prowadzone są z różnych platform. Najpopularniejszy jest tradycyjny statek badawczy, z echosondami zamontowanymi na kadłubie statku lub w stępce. Jeżeli statek nie ma zainstalowanych na stałe echosond, mogą one być umieszczone na słupie przymocowanym do burty statku lub na holowanym korpusie lub „holowniku” ciągniętym za lub wzdłuż statku. Ciała holowane są szczególnie przydatne do badań głęboko żyjących ryb, takich jak gardłosz atlantycki , które zazwyczaj żyją poniżej zasięgu echosondy na powierzchni.
Oprócz statków badawczych, dane akustyczne mogą być zbierane z różnych „statków szansy”, takich jak statki rybackie, promy i statki towarowe. Statki szans mogą oferować tanie gromadzenie danych na dużych obszarach, chociaż brak prawdziwego projektu badań może utrudniać analizę tych danych. W ostatnich latach instrumenty akustyczne były również stosowane w zdalnie sterowanych pojazdach i autonomicznych pojazdach podwodnych, a także w obserwatoriach oceanicznych.
Obserwacje i modelowanie siły docelowej
Docelowa siła (TS) jest miarą tego, jak dobrze ryba, zooplankter lub inny cel rozprasza dźwięk z powrotem w kierunku przetwornika. Ogólnie rzecz biorąc, większe zwierzęta mają większe siły docelowe, chociaż inne czynniki, takie jak obecność lub brak wypełnionego gazem pęcherza pławnego u ryb, mogą mieć znacznie większy wpływ. Docelowa siła ma kluczowe znaczenie dla akustyki rybołówstwa, ponieważ zapewnia połączenie między akustycznym rozpraszaniem wstecznym a biomasą zwierzęcą. TS można wyprowadzić teoretycznie dla prostych celów, takich jak kule i cylindry, ale w praktyce zwykle mierzy się ją empirycznie lub oblicza za pomocą modeli numerycznych.
Aplikacje
Ankiety, ocena zapasów, zarządzanie Zachowanie ekologiczne
Zobacz też
Bibliografia
Dalsza lektura
- Fish MP i Mowbray WH (1970) Dźwięki ryb zachodniego Północnego Atlantyku; plik referencyjny biologicznych dźwięków podwodnych Johns Hopkins Press.
Linki zewnętrzne
- Spis życia morskiego - technologia akustyczna
- Fisheries Acoustics Research University of Washington.
- Akustyka bez opakowania: ogólny przewodnik dotyczący szacowania liczebności na podstawie danych hydroakustycznych