北方虾（Pandalus borealis）宽带与倾斜角依赖目标强度：测量与散射模型对比研究

《Fisheries Research》：Broadband and tilt-angle-dependent target strength of northern shrimp ( Pandalus borealis): Measurements and comparison with scattering models

　　

： 提升北方虾（Pandalus borealis）渔业效率并减少其环境足迹的需求日益迫切。北方虾主要采用底层拖网捕捞，该方法燃油消耗大且可能影响海床。尽管虾类主要栖息于近海底，但已知其在夜间会发生垂直迁移，这表明若能在水体中以商业相关密度对虾群进行声学探测，中层拖网可能成为一种可行的替代方案。为开发虾类声学探测与识别方法，需要可靠的目标强度（TS）数据，该参数描述单个目标体的声学后向散射。然而，现有虾类TS数据十分有限。本研究测量了束缚虾体在34–380 kHz频率范围内随频率和倾斜角变化的TS。实测TS总体随频率升高而增大，并在正横入射（broadside incidence）时达到最大值。测量结果与采用相同预设虾体几何形态及假定均匀材料属性的DWBA和FEM–BEM散射模型预测值进行了对比。TS总体随偏离正横入射而降低，同时频率依赖性变异更为显著。总体而言，在正横入射条件下，模型预测与实测TS吻合良好，但在偏离正横入射时一致性较差。在偏离正横入射条件下，细化DWBA模型的空间离散化显著改善了其与FEM–BEM预测的一致性。然而，两种模型预测的TS随偏离正横入射的衰减幅度均强于实测结果。因此，需要改进TS测量与散射建模，以支持虾类声学探测及更高效、低影响捕捞方法的开发。

论文解读

一、研究背景与问题

北方虾（Pandalus borealis）是大西洋和太平洋北部重要的渔业资源，自1980年以来年捕捞量介于116,000至447,000吨之间。目前虾类主要依靠细网目拖网捕捞，存在鱼类兼捕、小规格虾误捕以及海床生态影响等问题。尽管已通过技术性和区域性法规减少了兼捕，但为保障未来虾渔业的可持续性、盈利性和环境友好性，仍需减少底拖网对海底的影响并提高燃油效率。

北方虾通常分布于水深9至1450米的泥质海底区域，主要渔场位于100至400米水深。虾类主要栖息于海底或近底层，呈斑块状聚集（约0.6–2.1只/平方米），夜间会发生垂直迁移。若虾群在水体中的密度足以支持商业捕捞，且能通过声学手段将其与其他物种区分，则可采用不接触海底的中层拖网作为替代方案。这要求开发能够识别水体中可拖网密度虾群的仪器和方法，声学方法被认为是可行途径。

目标强度（TS）是声学资源评估中将测量后向散射转换为数值密度和生物量估算的关键标定参数。当TS随生物体朝向变化时，用于丰度估算的平均TS应在动物朝向分布上计算，以避免引入偏差。这对虾类等细长生物尤为重要，其TS预期随入射角显著变化。然而，现有虾类声学特性信息有限，已报道的TS值存在显著变异性。例如，双基地换能器系统对10只束缚北方虾（体长48.7±20 mm）的测量在70、120和200 kHz通道分别给出?63±4 dB、?66±5 dB和?70±3 dB的TS值；而中尺度围隔中对活体北方虾（体长80±10 mm）的宽带测量尽管动物体型更大，却获得了显著更低的TS值（94–158 kHz频带内?74至?81 dB，189–249 kHz频带内约?73至?95 dB）。此外，对中上层虾类物种在200 kHz的背向TS经验关系（TS = 19.4 log??L ? 74.1，L以cm计）在体长7 cm时给出约?57.7 dB的TS。这些研究结果表明虾类TS值存在显著差异，凸显了在受控条件下开展补充测量的必要性，以降低倾斜角、朝向和测量配置等实验因素带来的不确定性。

二、研究内容与结论

本研究的主要目标是描述北方虾在34–380 kHz宽频带及不同倾斜角下的TS特征，结合近期安乐死束缚虾体的受控测量与后向散射建模。研究所获得的TS信息为开发水体中虾类声学探测方法提供了基础，可应用于实际虾类捕捞作业。

研究人员于2025年12月在挪威海洋研究所Austevoll研究站的网箱中开展实验，使用标称频率为38、70、120、200和333 kHz的五台宽带回声探测仪，安装于约20米深度朝上发射。实验采用束缚新近死亡虾体的方法，通过尼龙线悬挂系统控制虾体姿态，并利用GoPro相机监测倾斜角。共使用7只虾（前缘–尾节长度45至94 mm），但仅虾No.7在整个测量过程中保持与悬挂线可靠对齐，其入射角可被可靠估算，因此仅该个体的数据被用于详细分析入射角依赖性。测量TS总体随频率升高而增大，在正横入射时达到最大值，偏离正横入射时TS降低且频率依赖性变异增强。测量结果与采用相同虾体几何和均匀材料属性的DWBA（畸变波玻恩近似）和FEM–BEM（有限元–边界元）散射模型预测进行了对比。在正横入射条件下模型与实测吻合良好，但偏离正横入射时一致性较差。细化DWBA模型空间离散化可显著改善其与FEM–BEM预测的一致性，但两种模型预测的TS随偏离正横的衰减均强于实测值。

三、主要技术方法

研究采用五台Kongsberg Discovery EK80宽带回声探测仪（标称频率38、70、120、200、333 kHz），以同步ping模式运行，脉冲长度2 ms，覆盖34–380 kHz频率范围。设备使用碳化钨校准球按标准方法进行宽带校准。虾体经Finquel麻醉水下安乐死，全程避免接触空气以防微气泡形成影响TS测量。虾体置于毫米纸上拍照，利用ImageJ进行形态测量，将虾体沿纵轴分为15个节段并定义为有限圆柱体用于建模。声学数据使用LSSS软件后处理，通过FFT窗口提取目标回波并导出TS频谱。散射建模采用DWBA和FEM–BEM两种方法，使用相同的虾体几何和均匀材料属性（声速对比h和密度对比g）。

四、研究结果

2.1 实验装置与仪器：实验在挪威海洋研究所Austevoll研究站网箱中进行，五台宽带回声探测仪安装于约20米深度朝上发射。网箱提供足够的测量距离以减少边界反射和脉冲压缩伪影干扰。束缚系统采用两根约1米长金属杆，通过尼龙线张紧，短系绳线（0.18 mm直径，约32 cm长）用于固定虾体，橡胶圈（0.43 mm厚、1.79 mm宽、周长51.2 mm）将虾体固定于线上。通过手动倾斜顶部金属杆控制虾体倾斜角。

2.2 声学数据采集：五台EK80回声探测仪以同步ping模式运行，确保所有频率通道对应相同目标朝向。脉冲长度2 ms，各通道发射功率调整以最小化声学串扰。使用碳化钨校准球进行宽带校准，最高频率使用两个不同直径的球以覆盖频谱响应。

2.3 声学数据分析：使用LSSS软件后处理宽带声学数据，FFT窗口对应0.4米距离区间并居中于目标。TS频谱以0.1 kHz间隔插值，通过LSSS API以Python脚本导出JSON文件并绘图。

2.4 虾类捕获、处理与形态测量：约30只虾由当地渔民以虾笼捕获并活体运送至研究站。虾体全程避免空气暴露，在水下经Finquel安乐死（终浓度100 g/L，未缓冲）。虾体置于层压毫米纸上拍照，使用ImageJ测量各节段长度和厚度，构建模型几何。从处理开始到TS测量开始约40–70分钟。

2.5 虾体固定、朝向与测量选择：7只虾的AT长度（前缘至尾节）为45至94 mm。测试了不同固定方法以保持虾体近似直线并与张紧线对齐。仅虾No.7（AT长度90 mm，体重7.05 g）保持可靠对齐，采用两个固定环配合橡胶圈固定于0.18 mm线上。虾No.1、3、4、5、6的测量用于展示TS特征但未用于入射角依赖性评估，虾No.2在实验中受损被排除。

2.6 建模：几何采用虾No.7的15个节段数据，各节段截面近似椭圆形并简化为圆截面有限圆柱体。材料属性采用均匀假设，定义声速对比h = c/c_w和密度对比g = ρ/ρ_w。采用DWBA和FEM–BEM两种散射模型进行预测。

五、讨论与结论

在正横入射条件下，实测TS与两种模型预测总体吻合良好，但偏离正横入射时模型预测的TS衰减强于实测。细化DWBA空间离散化可改善其与FEM–BEM的一致性，但两种模型仍高估了偏离正横时的TS衰减。研究表明，需要改进TS测量方法和散射建模以支持虾类声学探测。现有TS数据的变异性可能源于实验因素（如倾斜角、朝向、测量配置）和虾体状态差异。本研究的受控测量为虾类TS的频率和角度依赖性提供了定量信息，为评估中层拖网声学探测虾群的可行性奠定了基础。研究结论指出，可靠的TS表征对于开发虾类声学探测与丰度估算的操作性方法至关重要，未来需要更精细的测量和建模工作以缩小模型与实测之间的差距，从而支持更高效、低影响的虾类捕捞方法开发。