1、本科毕业论文（20 届）海洋鱼类散射特性的研究所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录目 录摘要 .IAbstract.II1 绪论 海洋鱼类散射特性研究的意义 .31.1 海洋鱼类散射特性及影响 .31.2 国内外研究现状 .51.3 利用鱼类散射特性可以为鱼类探测提供理论上的支持 .62 理论建模分析 .72.1 鱼体建模简化 .72.1.1 鱼群声散射模型的国内外研究现状 .72.1.2 鱼体建模的必要性 .72.1.3 鱼体散射模型 .82.2 球形气泡散射机理分析 .82.3 共振模型计算 .112.3.1 运动方程 .112
2、.3.2 共振频率 .113 鱼体散射计算 .14小结 .18参考文献 .19中文翻译 .21外文原文 .35致谢 .44本科毕业论文 中文摘要I海洋鱼类散射特性的研究摘要十一世纪是海洋的世纪，而水声技术是海洋渔业最有效的方法。实际测量法和模型法是渔业声学应用中通常使用的两种主要方法，鱼群声散射模型则是渔业声学应用中的基础性环节。为了了解各种海洋生物的散射特性，利用声学方法对海洋鱼类进行探测，以帮助掌握鱼群信息，发现可供捕捞的渔场，同时帮助调整拖网及估计拖网进鱼量。本课题拟研究不同海洋鱼类对于声波的散射效应，从理论上为利用声学方法探测鱼类提供支持。在该课题中，主要通过对鱼体模型的简化、散射机理
3、的具体分析及研究、目标强度的推导计算以及数学建模等对不同海洋鱼类进行分析研究，此外，从国内外研究学者对此课题所得出的相关结论中提取有用信息，寻找突破口，结合具体的分析、设计和计算，最终得出不同海洋鱼类对于声波的散射效应。通过对该课题的研究和探讨，可以深化对散射特性的学习和把握，努力探求海洋鱼类的声学散射特性；通过对国内外海洋鱼类散射特性研究的历史与现状比较分析，总结并得出我国海洋鱼类散射特性的研究方法和改进措施；同时系统检验自己对所学知识的掌握情况，尤其是对声学领域的研究能力及实践能力。同时对我国的军事、民用以及经济都将起重大作用，对提高我国的综合国力、加快我国的海洋渔业资源进程有着重要意义。
4、关键词 散射特性 ；鱼体建模；声学测量本科毕业论文 英文摘要IResearch of Acoustic Scattering Characteristics of Marine FishAbstractThe 21st century is the century of ocean，While acoustic technology is the most effective method of Marine fishery.The method of actual measurement and the model is two main methods which commonly use
5、d in fishery acoustic application,Shoals sound scattering model is the basic link in fishery acoustics application.In order to understand various Marine biologicals scattering characteristics ,Using the method of acoustic to detection the Marine fish ,To help master shoals information ,find the fish
6、 farm which is available .Meanwhile help adjust trawlers and estimate trawlers into fish in quantity.This topic to study different fish in the ocean for sound scattering effects ,provide support for using acoustic method for detecting fish in theory.In this topic in,Mainly through simplified fish bo
7、dy model,Concrete analysis and research Scattering mechanism ,derivate and calculate the Target strength and Mathematical model and so on to analysis of different fish in the ocean .In addition, find some useful information from the conclusion which research by he domestic and foreign research schol
8、ar,Looking for breach,With specific analysis,design and calculate,get the sound scattering effects of different fish in finally.Through the research and discussion to this topic,Can deepen to study and grasp the scattering characteristics,Efforts to explore the acoustic scattering characteristics of
9、 ocean fish; By comparing and analysing history and status of Marine fish scattering properties at home and abroad ,summary and get the research methods and improvement measures of Chinas ocean fish scattering characteristics;At the same time,system test the knowledge we learned,Especially for acous
10、tic field research ability and practice ability.Meanwhile it will play a main role in Civilian ,military and economic,have the vital significance in improving Chinas comprehensive national strength,accelerating Chinas Marine fishery resources process.Key wordsScattering characteristics;Fish body mod
11、eling;Acoustical measurement本科毕业论文 海洋鱼类散射特性研究的意义21 绪论 海洋鱼类散射特性研究的意义1.1 海洋鱼类散射特性及影响声波在空间中传播时常常会遇到各种各样的“障碍物” 。例如大气中悬浮着的尘埃和水雾，大街上的树木和行人，液体中悬浮着气泡等等。这些障碍物都将会引起声波的散射，从而影响声波的传播，一些较大的障碍物甚至会完全挡住声波的传播。正如上所说，障碍物可以是千奇百怪的，不同形状的障碍物对声波的散射当然也是不同的 1。海洋是与陆地完全不一样的广大空间，生活在海水中的生物能强烈地散射声波。对于几千赫兹和几十千赫兹的声波，散射主要是由生物体尺寸不超过 1
12、015 厘米的小鱼和动物引起的。这些生物相对地集中在在某些确定的深度上，而不是按深度均匀分布的。在这些深度上，介质的物理性质（照度、温度、氧气的含量等等）对它们最适宜。这些密集区的生物集群称为声散射层。声散射层最为显著的特点是横向幅度大，并且实际上遍布于从一个大陆到另一大陆之间的所有海洋水域中。大部分声散射层在一昼夜内要移动两次：晚上，当黄昏来临时，它们上升到水面；而在早上大概黎明时分，通常又移到深度大于 300400 米的地方。声散射层的这种昼夜变化是动物本性的最重要证据之一。到现在尚未有人对这种本性提出过异议，而关于各种动物对于散射声场所起的作用问题，则长期没有得到解决，人们至今也没有彻底
13、弄清楚。在这方面，值得研究的是声散射层动物的某些特征尺寸、躯体结构、动物的密度等等，它们对声波的散射有很明显的影响 2。在早期，人们就已经了解到声散射层内的散射是由成群的小体积的海洋动物（鱼类、小虾、乌贼等等）所产生的。这使得水下散射的问题与海洋生物学的研究紧密联系起来了。在大量生物学方面的著作中既有研究散射层内动物的组成，也有研究对声散射层具有重要意义的某些问题，如关于鱼鳔的生理学问题。所有对总散射场有贡献的海洋动物，都具有相当复杂的躯体结构。除了在某程度上类似橡胶的软体组织（声阻抗与周围海水相差无几）之外，许多生物具有较硬的骨骼、鳞片或硬壳、气腔或脂肪腔，它们的形状有时很复杂。到目前为止，
14、计算由此类动物体产生的散射场还存在着无法克服的困难。因此，实验研究被提到首位，本科毕业论文 海洋鱼类散射特性研究的意义3其中，尤为重要的是，在打样中进行现场测量，大洋现场实验、实验室条件下的实验以及相应的理论估算，这三者揭示了含气的鱼鳔在 315KHz 频段内是主要的散射源；而在更高的频段上，动物的躯体组织起的作用显著增大。单条鱼和鱼群的声散射在渔业研究和海军国防应用中是个重要问题。一般情况下，单条鱼的散射很弱，除非在鱼鳔的谐振频点出，这个时候的返回信号相比其它镜像散射显著增强。鱼内的鱼鳔本质上只是个气泡，这个事实促使 Marshall 研究带充气鱼鳔鱼的散射时深度散射 层高强度声学体积混响原
15、因的可能性。现在普遍认为，鱼鳔鱼的谐振散射是在高达至少 10KHz 频率下海洋体积混响的主要原因 3。在一个池塘或者一个湖泊中，鱼往往能自行找到或通过其他鱼找到营养物质较多的地方，因而这篇水中营养物质最多的地方一般就是鱼类生存数量最多的地方。传统鱼群探测由于缺乏科学知识及经验，只能根据这个原理。此后随着科学的进步及人们对鱼类自身特点的研究人们一般通过简易声纳，即通过声音传播和接受的时间差来大致确定鱼群的距离和数目。而在渔业生产和调查中，水声技术是目前为止最为有效的方法。同时，海洋声学定位问题中的一个非常重要的因素就是水下生物的声散射。由于声线中这些生物散射体的存在会使得部分声音弯曲，偏离原来的
16、方向，一部分声音会返回声源所在地引起混响。由于散射使得能量向声线以外方向扩散，从而造成传输衰减。声学鱼群探测方法的理论基础就是声学散射理论，即通过对鱼类的研究，找到鱼体内起散射作用的主要器官，而当声波到达鱼类时则因鱼体散射会将声波反射回来。据此，依靠主动声纳接受来自鱼类的回声信号即可实现对鱼群的探测。比传统鱼类探测的方法更方便，更准确。鱼类资源评估是渔业资源开发的基础，准确、及时地评估鱼类资源的数量对渔业的管理和生产将具有重要意义。渔业声学调查方法对鱼类资源的探测具有快捷、直接、经济的特点，所以应用前景相当的广阔。其中鱼探仪作为水下生物资源研究的一个重要手段，广泛应用于鱼类资源评估、鱼类时空分
17、布以及鱼类行为学研究。该方法自 20 世纪 80 年代引进我国以来，已成为我国海洋渔业资源调查和研究的重要方法之一，它也越来越广泛地被应用于淡水渔业中。实际测量法和模型法是渔业声学应用中较为常用的两种主要方法，而鱼群声散射模型是渔业声学应用中的基础性环节。我国渔业科研部门近年来也开展了 RS 技术和 CPS 技术的研究与应用：研制成功带航迹显示的御用 GPS 和渔船航海工作电脑系统，在渔船导航系统的更新和渔船安全航行中起了非常重要的作用 4。本科毕业论文 海洋鱼类散射特性研究的意义41.2 国内外研究现状国际上，利用声学方法评估渔业资源已逐渐普及，例如日本水产学家大下诚二在 1994 年期间对
18、日本九州以西及以南水域的沙丁鱼产卵群体的数量进行了调查。捷克国家水生研究机构在 1992 年夏天到 1995、1996 年的春秋两季，对国内的四大淡水湖的渔业资源做了声学评估，主要评估了鲈鱼、鲤鱼和欧鳊等鱼种。加拿大国家海洋局和声学局于 1997 年 10 月运用常规的双波束和分裂波束探鱼仪对大西洋深海鱼类尤其是鲱鱼进行了评估。俄罗斯于 1996 年至 1999 年间运用传统的拖网和声学评估方法对勘察加半岛的狭鳕资源进行了评估 5。声学评估方法自 1984 年引入我国以来，曾成功应用于黄、东海鲵资源和太平洋狭鳕资源的调查，成为我国海洋渔业资源调查和研究的重要方法之一。而声波在人体组织和其他动物
19、体组织中传播的研究大都集中在超声频段，且绝大多数以医学研究为目的，对蛙人和海洋哺乳动物声散射的研究很少；国内目前尚没有对海豚或蛙人回波特性的研究，无法满足现代的防御需要。相关人员通过理论建模得到：(1) 对于 75kHz 的声波，海豚的目标强度约 -25.8dB，该实验结果跟 Au W.L.的实验结果大致相符；(2) 海豚的球壳散射模型对于频率在 75kHz 左右的声波是适用的。但是在几十 kHz 以下的相对低频不再适用，在此频段内，对海豚反向散射起主要作用的肺器官可能存在其他的声波散射机理，比如肺泡的共振，使得海豚的反向散射目标强度大大增强；当频率甚高时，外围的肌肉、脂肪和骨骼等组织将“屏蔽
20、”肺器官对回波的影响，球壳散射模型也不再适用。球壳散射模型适用频段范围约为几十kHz一百 kHz6。 国内对海水中浮游植物的光学特性的研究因实验设备的限制,大部分集中于对吸收、衰减实验数据的分析,散射实验的数据相对就比较缺乏,在理论计算方面的研究更是缺乏。在复杂弹性结构声散射问题中, 学者们也已做出了一定的探索。目前国内利用有限元与边界元结合的方法主要用于结构声辐射的研究中，而对水下弹性结构散射问题研究相对较少。在该课题中，主要通过对鱼体模型的简化、散射机理的具体分析及研究、目标强度的推导计算以及数学建模等对不同海洋鱼类进行分析研究，此外，在国内外研究学者对此课题所得出的相关结论中提取有用信息
21、，寻找突破口，结合具体的分析、本科毕业论文 海洋鱼类散射特性研究的意义5设计和计算，最终得出不同海洋鱼类对于声波的散射效应，从而在理论上为利用声学方法探测鱼类提供支持。1982 年 6 月到 1986 年 12 月期间，国家海洋局三所对海洋生物的散射特性以及它们在识别鱼群特性方面的应用进行了相关研究。主要工作为：鱼体解剖特性的高分辨率声学测量。设计并制作了聚焦换能器和测量系统，同时，对多种鱼类的声学特性进行了测量，从而得到高分辨率鱼体声散射模型。测量结果显示，鱼的反向散射和鱼的解剖特征密切相关。与此同时，他们还研究了鱼的解剖特征和鱼回拨幅值概率密度函数中跟鱼的种类有关的参数之间的关系。1.3
22、利用鱼类散射特性可以为鱼类探测提供理论上的支持用声学的方法，尤其是在大规模测量需要高分辨率数据的的情况下，来调查生物体就能够有效地避免出现此类问题。因为声学采样不能直接得到生物体的相关数据，所以为了从海洋生物的声学散射中提取生物信息，需要对那些生物体的散射机理有大致的了解和掌握 7。此外，采用声学方法快速测量具有生态价值和经济价值的海洋生物体也已经有很长一段时间了。这些方法被用来辅助传统的手段，比如直接下网取样等。虽然直接取样能够直接测量生物体的数量、生物体尺寸大小以及脆弱物种的捕捞和破坏情况等。由此可见，研究鱼类散射特性具有非常重要的意义，它在为探测鱼类提供理论依据的同时，对水产捕捞业及海洋
23、生物资源的调查研究也起到了非常重要的作用。2 理论建模分析2.1 鱼体建模简化鱼由于其形状（圆柱形或球体） 、变形（鱼体和鱼鳔的曲率）和组成（鱼肉、鱼骨和脂肪、鱼鳔等）而成为一个复杂的散射体。这些解剖特征和行为特征使得从声学数据计算鱼尺寸和水中生物体密度变得很复杂。经验声学测量和建模是研究鱼尺寸和反向散射之间的关系的两种常用方法 8。2.1.1 鱼群声散射模型的国内外研究现状国外有大量关于鱼声散射和建模的研究。现在已经有很多解析和数值散射模型用来预测反向散射。每个模型都局限于频率范围、表面类型、边界条件、形状的离心率和数值效率。这些模型通常只把鱼鳔作为其主要散射体。但是当包含其他部分散射时，模
24、型只能在散射主瓣附近的入射角时有效，所以模型在远离主瓣时可能低估了散射，因为其他器官也可能对回波有贡献。而且鱼鳔的模型参数通常直接确定或借助 X 射线得到。重要的是，好的散射模型必须使用能非常近似鱼内主要散射特征的散射形状。这个信息要求对鱼做高精度的形态测量。另一个重要指标是声学散射测量能在很宽的频率范围内进行。为了满足宽带声学测量和包含高分辨形态的先进散射模型的需要，D.Benjamin Reeder 提出了一种傅里叶匹配模型（FMM ）来解决此问题。 FMM 模型使用了 CT扫描图像，是一个灵活的模型。可以应用于很多形态，适用于所有角度和频率 9。2.1.2 鱼体建模的必要性鱼的反向散射测
25、量不是很复杂，测量大量不同长度鱼的反向散射幅度，并计算回归方程来应用到特定鱼种或群落时却有不足。而且简单测量具有复杂的变化性，鱼的方向、行为和鱼体及鱼鳔的变化都会影响反向散射的测量。在反向散射测量中可以使用概率密度函数（PDF）来估计鱼的活动程度。只有经验测量不能够对鱼的反向散射进行细致的研究。所以，建立鱼的散射模型就很有必要，以解释测量的变化性和从声学数据中更好地估计鱼尺寸和识别鱼种类 10。本科毕业论文 理论建模分析72.1.3 鱼体散射模型一个目标被平面散射波照射时，它的散射声压在距离目标 R 处可以测量得到。散射声压是：(2)(,)/ikRftscatmcPeS （2.1）其中 Pmc
26、 是入射声波在目标处的幅度， S 是目标的散射幅度。因为函数 S 具有长度单位，所以也称作散射长度。散射长度与频率 f 或波数 k=2/ 以及目标在波束中的相关位置有关。当需要说明时，S 的函数依赖性写为 S(ka)，S(L/)或 S(f)。散射长度的绝对值平方是反向散射截面：2hsS (2.2)目标强度 TS 是：10log/TL (2.3)其中 L0 是参考长度，通常为 1 米。在低频处，单条带鳔鱼的声散射主要来于充气鱼鳔，而且散射具有谐振特性。描述谐振散射最常用的模型是把鱼鳃看成嵌在粘性液体中的球形气泡，其中粘性液体用来模拟鱼肉。这么做有两个原因。一方面，球体是用来描述气体声散射的最简单
27、模型，另一方面，研究显示，球形的变化不会在很大程度上改变散射特性。尤其在 Ye 的论文中指出充气变形球体的谐振散射可以用类似于球形气泡的简单式子描述，即使对大轴长比的情况也是如此 11。2.2 球形气泡散射机理分析因为单条鱼的散射和单个气泡类似，鱼群问题显然和气泡群的散射有关。声波在水中的传播可能会被存在的气泡群显著改变。气泡群的行为被认为在海面混响研究中有重要价值。一个半径为 a 的球，其组成成分为流体 I，密度设为 ，声速为 c，球中心位于极坐标（r， ，）的原点。球周围包围着无限大流体 II，其声学特性不同于球，记为 和 c。角频率为 声压幅值为 p 的平面波沿平行于 z 轴方向入射到球上。这列波引起内部波 p和外部球面波 p。需要求的是远场处 p 的幅值 12。在球面边界 r=a 处，声压和粒子法向振速都是连续的。由此边界条件可以得到如下方程：对于声压 p 来说
