DB41T 1594-2018 黄河河南段鱼类资源声学调查技术规范

ICS65.150B52DB41河南省质量技术监督局发布IDB41/T1594—2018前言 12规范性引用文件 13术语和定义 14总则 35调查设计 35.1技术要求 35.2调查项目 35.3调查时间 35.4调查范围 35.5调查航线 35.6鱼类网具采样 45.7调查航速 45.8鱼类的目标强度 46数据采集 56.1调查船 56.2主要仪器设备 56.3声学数据采集 56.4生物学数据采集 86.5卫星导航定位数据采集 86.6环境数据采集 86.7观测记录 87数据处理 87.1声学数据预处理 87.2生物学数据预处理 97.3生物组成分析 7.4回波映像生物组成分析 7.5积分值分配 8资源量评估 9调查报告编写 附录A（规范性附录）声学调查记录表格式 DB41/T1594—2018本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由河南省农业厅水产局提出并归口。本标准起草单位：河南省水产科学研究院、大连海洋大学。本标准主要起草人：汤勇、胡亚东、杨兴丽、孙建富、李治勋、李久奇、张剑波。本标准参加起草人：胡碧洋、吕小双、孙艳辉。1DB41/T1594—2018黄河河南段鱼类资源声学调查技术规范本标准规定了黄河河南段渔业资源声学调查的开展程序、技术要求和质量控制等。包括调查设计、调查仪器、数据采集处理、资源评估、报告编写、资料归档和成果鉴定与验收的基本要求。本标准适用于黄河河南段流域河流、水库区域的渔业资源声学调查和评估。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T12763.6海洋调查规范SC/T9403海洋渔业资源调查规范SL167水库渔业资源调查规范3术语和定义GB/T12763和SC/T9403界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1科学探鱼仪指具备声波的发射和接收、单体目标检测、目标强度测定、反向体积散射强度测量、回波积分及数据保存回放等功能，能够根据鱼类的回波能量大小进行鱼类资源密度评估的水声测量仪器。3.2标准球指用于对科学探鱼仪系统的收发增益和波束参数进行校正的专用金属圆球，一般采用固定尺寸的纯铜或碳化钨合金制成。3.3科学探鱼仪的校正指使用标准球对科学探鱼仪的系统收发增益和波束参数等进行修正的过程。3.4分裂波束指科学探鱼仪换能器的波束类型。在接收回波时，换能器阵列被分为四个对称区域，形成4个相同的轴对称波束。利用目标回波信号在不同接收波束的相位差可计算其在换能器发射波束中的位置，进而通过波束指向性函数补偿测定的目标强度。3.5散射截面符号：σ描述物体散射声波能力的物理量。对应于全方向散射声功率，表示散射物体接收入射平面波的面积，单位为平方米（m2），计算公式为2DB41/T1594—2018............................................................................式中：r——到目标中心的距离，单位为米（mIi——入射波声强度；Is——反向散射波声强。3.6反向散射截面符号：σbs描述物体在与入射相反方向上散射声波能力的物理量，也被称为后向散射截面,单位为平方米（m2）。在散射截面为σ时，计算公式为σbs=..............................................................................3.7目标强度符号：TS描述物体反射或者反向散射声波能力的物理量，单位为分贝（dB），公式为TS=10lgr=1........................................................................式中：Ii——入射波强度；Ibs——距离目标声中心1米处的回波强度；r——距离，单位为米（m）。当目标的散射波是等方时，Ibs与Is相等，则目标强度可用反向散射截面表示为，TS=10logσbs..........................................................................（4）3.8体积反向散射系数符号：sv也被称为后向体积散射系数。指单位体积水体中散射物体的平均反向声散射截面，用以描述单位水体中散射物体对声波的反向散射能力，单位为m2/m3。大写Sv为分贝值，Sv=10logsv3.9面积散射系数符号：sa指单位水面下对应的某个水层内散射物体反向体积散射系数均值与层高的乘积，层高也可以为水面至水底。单位为m2/m2。3.10基本积分航程指调查船航行中，用于计算和输出平均面积散射系数的距离间隔。3.11鱼类资源密度在某一时间内，单位（水）面积或单位体积水体中鱼类资源的数量（或重量）。3.12表层盲区指在水面附近，除了换能器吃水深度以浅无法探测以外，垂直换能器表面的2倍近场距离内，回波强度无法用于回波积分和目标强度分析。近场距离由换能器半径a和波长λ决定，Rb=a2/λ。3DB41/T1594—20183.13底层死区指发射脉冲声波的球形波振面与近似平面的水底面垂直接触时，距水底面以上的二分之一脉冲宽度距离内的鱼类等回波受较强水底回波的相干叠加而无法识别及量化使用，该区域被称为底层死区。4总则黄河河南段渔业资源声学调查评估的基本程序、调查质量的控制、调查计划的编制、作业一般规定、调查船、导航定位、调查仪器设备、调查人员、调查原始资料和样品的验收、调查报告的编写、调查资料和成果归档按本标准相关规定执行。5调查设计5.1技术要求5.1.1在调查开始前，应按照本标准要求和仪器操作手册中的校正说明对科学探鱼仪进行一次校正；5.1.2确定调查范围、调查对象、了解调查对象的生态习性；5.1.3使用选择性较小网具获取渔获物的种类及其数量组成，测量渔获各鱼种（包括非调查对象）的体长和体重；5.1.4调查应按设计航线进行，如躲避定置网具等障碍物更改航线，应在调查报告进行记录说明，并在资源评估时进行航线更改和校正；5.1.5查明或现场测定调查对象和各主要渔获种类的目标强度；对于无法查明及无法现场测定其目标强度的鱼种，可参考具有相似体态结构鱼种的目标强度，并在调查报告中进行说明；5.1.6数据采集和后处理应严格按照本标准的相关规定执行。5.2调查项目渔业资源声学调查的内容包括位于表层盲区与底层死区之间全水层内的主要渔业种类的资源量、资源密度分布及其种群结构。5.3调查时间调查时间应根据调查的主要目的确定。以资源量评估为主要目的的调查，一般选择调查对象分布比较集中、分布格局较为稳定、调查区域流入流出较少的时期进行。另外，调查时间的选择还应考虑调查对象的生态分布特点、与环境参数的关系以及天气、风浪等安全因素。5.4调查范围根据调查目的尽可能涵盖调查对象的分布区域。5.5调查航线5.5.1航线类型黄河河南段流域受河道宽度限制，调查航线采用“z”字型航线，即沿河道进行三角形往复折线航行。5.5.2断面间距“z”字形调查的断面间距为1条折线起止点间距的一半。间距的选择取决于调查期限和调查精度的要求，同时考虑调查对象资源分布的时间变化性。为确保调查精度，一般根据式（5）和式（6）初步估算4DB41/T1594—2018调查要求可接受的资源评估结果的变异系数，以此确定调查的断面数和间距,一般推荐CV小于0.25，即Λ大于4即可，.............................................................................式中：CV——调查要求可接受的资源评估结果的变异系数（标准差与平均值的比值Λ——调查覆盖度。...............................................................................式中：D——调查航线长度，单位为米（mA——调查区域面积值，单位为平方米（m2）。根据Λ大于4的要求，在以河面宽度为基准的长度内，需要设置3条调查航线。5.6鱼类网具采样在调查过程中按照实时观测的鱼类声学映像进行生物学网具取样。5.7调查航速考虑到淡水鱼类听觉较为灵敏，以及一般以舷侧方式固定换能器为主，为避免鱼类的逃避行为以及确保船侧换能器的安全，建议航速应低于10km/h。5.8鱼类的目标强度对多数鱼类而言，其目标强度与体长关系可以用下式表述：=alog....................................................................式中：TS——鱼的目标强度，单位为分贝（dBLcm——鱼的体长，单位为厘米（cm）；a、b——回归系数。式（7）需通过对鱼类不同体长个体的目标强度进行测定后经回归分析确定。对多数纺锤型鱼类而言，a一般在20左右，式（7）可简化为：TS=20logLcm+b20.....................................................................（8）式中：b20——式（7）中斜率a预设为20时的截距b值。黄河河南段主要鱼类目标强度（70kHz～120kHz）与体长关系参考值见表1。5DB41/T1594—2018表1鱼类目标强度与体长关系参考值TS=20logL-64.2TS=20logL-66TS=20logL-72.5TS=20logL-72.56数据采集6.1调查船一般推荐能够船侧安装科学探鱼仪换能器、网具采样、且自噪声水平较低的专业调查船只。在无法使用专业调查船进行渔业资源声学调查时，应按调查需求安装科学探鱼仪，并准确测量船舶在设计调查航速的被动噪声。6.2主要仪器设备6.2.1基本配置渔业资源声学调查评估使用的分裂波束科学探鱼仪，系统校正的相关装备，包括0.6mm的单丝尼龙线及标准球等；数据收录用便携式计算机和带有NEMA输出功能的导航定位仪等。船载电源需要AC220V、或DC12V。如果只有DC12V，使用逆变器（500W以上）将DC12V转AC220V为便携式计算机供电，科学探鱼仪直接使用DC12V供电。科学探鱼仪的收发装置必须做接地处理（接金属制船壳、或接入水中）。6.2.2换能器的安装换能器的固定安装主要采用船底固定安装或舷侧固定安装。其中，船底固定安装换能器的稳定性最高，适宜于低频体积较大的换能器在专用科学调查船安装使用；舷侧固定安装较为便捷，但稳定性略差，需配备固定支架，适宜于体积较小的换能器在小型调查船上安装使用。测量并记录调查船吃水，或水面至船侧安装换能器间距离。6.2.3换能器的频率选择根据黄河河南段调查水域的水深和主要经济鱼类的鲢、鱅、鲤、鲫、黄颡鱼、䱗等，推荐使用工作频率有70kHz和120kHz。考虑高频换能器体积较小，重量较轻，便于安装。如果调查区域水深小于50m，也可以使用200kHz。6.3声学数据采集6.3.1声学仪器干扰声学数据采集过程中应关闭可能产生干扰的其他声学仪器，如ADCP、水平声纳、测深仪、多普勒计程仪等。在无法关闭其它声学仪器的情况下，应进行同步设置以避免产生相互干扰。6.3.2声学仪器校正在调查开始前，参照仪器操作手册采用标准球方法对科学探鱼仪系统各进行一次声学校正。分裂波束科学探鱼仪系统校正的内容包括系统收发信号增益与波束参数校正。6.3.2.1校正的准备6DB41/T1594—2018声学仪器校正时，要对调查船锚定，发射功率和脉冲宽度的设定值应与实际声学调查的设定值保持一致。6.3.2.2校正水域的环境要求仪器校正应选择在平稳、水深大于20m、渔业生物数量较少的水域进行。避免在夜间、河口及流速较大的水域进行。6.3.2.3环境参数测量在校正开始前，先测量、计算标准球所处水层的温度，选择淡水条件计算声速和吸收系数，并将其输入至科学探鱼仪系统中对应位置。6.3.2.4标准球悬挂根据船只大小及换能器吃水深度，可以使用2点式或3点式标准球悬挂方式。船侧安装的换能器可以选用2点悬挂式，即一端在换能器下方，另一端调整方位；较大船只可以选用3点悬挂式，一端为换能器下方附近，另两端在以换能器为中心对称的船舷另一侧。通过调整标准球位置至换能器波束内，悬垂深度应超过换能器的近场距离，同时保证调整标准球可覆盖换能器波束中所有位置，一般选择10m～30m。6.3.2.5校正操作按照科学探鱼仪操作手册，运行数据操作软件中的校正模块。结合标准球所处水层的温度、声速、脉冲宽度等参数，查阅对应频率标准球的目标强度理论值，并输入至校正程序中。参考校正工具中标准球位置标绘图，通过调整不同悬挂尼龙线的长度，缓慢移动标准球，使其均匀经过波束的每一位置（取样点数量大于100个，中心区域必须超过4个点）。最后按照系统提示保存校正声学数据文件。6.3.2.6校正数据修正打开校正数据文件，删除与标准球参考目标强度值偏离较大的回波数据。当科学探鱼仪波束模型的均方根误差（RMS）小于0.2时，说明校正数据较为理想。当均方根误差大于0.2而小于0.4时，说明校正数据不理想，应谨慎使用。当均方根误差大于0.4时，说明校正数据较差，应重新进行校正。6.3.2.7系统校正文件更新确认校正数据符合要求后，对科学探鱼仪系统收发信号增益和波束参数进行更新。6.3.2.8校正数据及资料归档校正完成后，按仪器使用手册要求准确填写校正记录，并要求校正人员进行签字确认。对校正过程中采集的声学原始数据、环境数据及其它纸质或电子数据资料等进行整理归档。6.3.3参数设定6.3.3.1基本要求科学渔探仪的工作参数设定应保持一致，以便对不同调查航次的数据进行对比。仪器设定参数需要进行记录和确认，确保数据质量可靠。6.3.3.2脉冲长度脉冲长度根据调查目标的分布特征（分散或集群）及水深进行设定。一般选择0.2ms～0.5ms。7DB41/T1594—2018以评估鱼类资源量及其密度分布为主要目的的资源调查，应选择长脉冲；以单目标检测或鱼类目标强度现场测定为主要目的的实验调查，应选择短脉冲。6.3.3.3脉冲收发间隔脉冲收发间隔应根据调查水域的最大水深设置，且在调查中保持一致。设置参数应不小于Δt...........................................................................式中：d——调查水域换能器表面至水底的最大距离，单位为米（mc——声速，单位为米/秒（m/s）。在水深较浅水域，可以使用系统默认的最大值，即系统根据水深自动调整的最小收发间隔。6.3.3.4数据采集深度数据采集深度的设置应大于调查区域的最大水深。也可根据采集数据的需要进行调整，数据采集深度设置不宜超过深度过大。6.3.4声学数据存储以原始数据格式保存数据文件。数据文件自动分割存储值不宜设置过大，一般设定每5km～10km，或小于每10兆字节（Mbyte）自动分割存储一个数据文件。6.3.5背景噪声测量将科学探鱼仪设置在被动工作模式下，测量并记录调查船在不同航速条件下的背景噪声，背景噪声测量一般在调查船出发至调查起始点之间进行。6.3.6鱼类目标强度的现场测定6.3.6.1测定条件与要求测定现场的鱼类离散分布且种类组成单一。在测定目标强度的同时，进行生物学取样以确认鱼种，并测定其体长和体重。鱼类的离散分布程度用Nv表示，见式（10）.......................................................................式中：c——声速，单位为米每秒（m/sτ——脉冲时间，单位为秒（s）；ψ——换能器波束的等效立体角，单位为立体弧度（sterR——鱼类与换能器表面的距离，单位为米（mρv——鱼类的分布密度，单位为尾/立方米（尾/m3），计算公式为：.............................................................................式中：sv——反向体积散射系数，单位平方米/立方米（m2/m3σbs——鱼类声学反向散射截面，单位为平方米（m28DB41/T1594—2018当Nv<0.1时，表示区域内鱼类离散分布，回波数据可用于计算鱼类的目标强度。6.3.6.2直接测定法分裂波束式科学探鱼仪具有鱼类目标强度测定功能，可以对渔业生物的目标强度进行现场直接测定。6.3.6.3间接测定法利用计数－积分法或其他统计方法对可分辨为单体目标的种类的平均目标强度进行现场测定。或利用声学数据后处理软件的单目标检测功能，读取并输出单体目标的目标强度、分布水深以及波束中的角度等参数，结合网具生物学取样，计算平均目标强度。6.4生物学数据采集利用选择性较低的刺网、抛网、钓具或笼壶等渔具在声学调查期间取样。在预设站位设置刺网或笼壶等渔具，以及在回波较多水域进行抛网和钩钓，获取适量样品进行生物种类组成与各渔获种类的体长、体重组成分析。如无法满足，也可以参考该水域声学调查期间其他方式的渔获数据，但需在报告中分析评估取样误6.5卫星导航定位数据采集调查船的卫星导航定位系统应具有NEMA数据输出功能，其输出数据应连接至科学探鱼仪系统，并与声学数据同步采集存储。6.6环境数据采集根据调查目的选择需要采集的温度、浮游动物、叶绿素等理化生物环境数据。采集方法参照SL167有关要求执行。6.7观测记录调查过程中值守人员应填写观测记录（见附录），内容包括船舶行程信息、声学仪器工作信息、网具采样信息、站位、风浪、气象、现场渔业生产船动态以及其它可供映像分析参考的相关信息等，并签字确认和归档。7数据处理7.1声学数据预处理7.1.1声学数据处理文件声学数据处理文件的大小可根据电脑的性能和分析需要而定，一般按照断面或时间段建立声学数据处理文件。7.1.2声学数据校准根据目标种类所处的水深，计算该水层的平均声速和吸收衰减系数等参数。建立数据校准文件，对原始数据进行校准。若存在多个频率的换能器数据，应进行时间同步。7.1.3噪声消除9DB41/T1594—20187.1.3.1劣质数据区域将偶尔出现的非生物来源回波信号，如气泡、不规则水底及来自其它仪器的干扰信号等定义为劣质映像数据,在分析过程中扣除此部分数据。7.1.3.2背景噪声利用声学数据后处理软件的相应功能，扣除回声数据中的背景噪声。7.1.4积分水层设定7.1.4.1积分起始水层积分起始水层应低于表面盲区，同时应考虑航行船底气泡层的影响及目标种类所处水深等因素。常用120kHz换能器科学探鱼仪系统的积分起始水层一般设置为3m。7.1.4.2积分终止水层积分终止水层应位于底层死区以上。常用120kHz换能器科学探鱼仪系统的底层死区一般设置为0.5m。7.1.5基本积分航程7.1.5.1水平间隔一般可以使用500m间隔，但当调查水域较为狭窄，每条调查断面可以按1个基本积分航程水平间隔；当水域较为宽阔，可以将一个调查断面分为2～4个水平间隔，以便有效描述河道中鱼类资源的水平分布。7.1.5.2垂直间隔基本积分航程的垂直间隔根据已知或观测的生物水平分层设置，尽可能使每间隔内生物种类较少。在生物种类分布未知的情况下，一般根据水深等间隔设置为10m至20m。7.1.6积分阈设定7.1.6.1目标离散分布根据评估目标种类集群密度、目标强度、分布水层等因素进行设定积分阈。当目标离散分布时（Nv<0.1），根据式（12）计算积分阈。Sv,threshold=TSthreshlod-20logR-Ψ-10log(cτ/2)................................................(12)式中：Sv,threshold——积分阈，单位为分贝（dB）；TSthreshold——评估目标种类的最小目标强度，单位为分贝（dBR——目标与换能器表面的距离，单位为米（mΨ——等效波束立体角的分贝表示，单位为分贝（dBc——声速，单位为米/秒（m/s）；τ——脉冲时间，单位为秒（s）。7.1.6.2目标集群分布DB41/T1594—2018当目标集群分布时，调节积分阈值并观察回波映像的变化。当回波映像中非目标种类较少时，据此设定为积分阈。7.2生物学数据预处理统计和计算各网次渔获物中除底栖种类之外的所有鱼种的尾数、体长组成、平均体长、平均体重等数据，供积分值分配和资源密度计算之用。以评估渔业种类的种群结构为调查目的时，应同时统计评估种类的年龄组成数据。7.3生物组成分析以基本积分航程为单位进行积分值输出和生物组成映像分析。映像分析主要以该基本积分航程附近的生物学取样和映像特征为参考，进行生物种类组成分析，辅以生物种类在不同频率换能器下的回波映像差异进行判读。7.4回波映像生物组成分析以基本积分航程为单位进行回波映像生物组成分析。根据基本积分航程内或相邻断面内具有相似映像特征对应的生物学取样资料，或者某些种类明显区别于其它种类的回波特征，对基本积分航程内各水层的生物种类组成进行判读。7.5积分值分配依照回波映像分析结果，将各基本积分航程输出的积分值分配给对参与回声积分的每一种生物。积分值分配的计算公式为：式中：sai——第i种生物分配的积分值，单位为平方米/平方米（m2/m2）；sa——基本积分航程输出积分值，单位为平方米/平方米（m2/