王志超 湯勇 陳國寶 曾雷

摘要 超聲波遙測是研究海洋動物行為和生理的重要手段之一，目前已應用于魚類、頭足類、甲殼類以及一些哺乳類和爬行類動物的研究，并在水產(chǎn)增養(yǎng)殖和自然資源保護領域得到重視。介紹了超聲波遙測系統(tǒng)的組成和定位原理，回顧了超聲波遙測技術在國內(nèi)外海洋生物研究領域的應用進展，分析了其目前存在的問題并對未來的發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞 超聲波遙測；組成；定位原理；應用

中圖分類號 S951.4文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0020-04

Abstract Ultrasonic telemetry is an important method in the study of ethology and physiology of marine animals，it has been applied in the study of fishes， cephalopods， crustaceans， some mammals and reptiles， and widely used in aquaculture and natural resourcesprotection. This paper introduced the composition and location principle of ultrasonic telemetry， reviewed the research progress on the applications of ultrasonic telemetry technology in foreign and domestic fields of marine biology research，analyzed the existing problems at present and predicted the development foreground in future.

Key words Ultrasonic telemetry；Composition；Location principle；Application

生物遙測是一種能夠對自由生活狀態(tài)下的動物生理、行為和體能狀況實施遙測的技術，包括陸上、空間（如鳥類）及海洋生物遙測[1]。海洋生物遙測是生物遙測的一個分支，因為海洋生物的生存環(huán)境具有多樣性，其大多數(shù)活動是無法直接觀測的，所以生物遙測是研究海洋生物最有效的手段，因其具有原位觀察的優(yōu)勢，受到學者們的日益重視。海洋生物遙測與陸地、空間生物遙測的原理基本相同，但由于海洋環(huán)境復雜，在儀器設計、數(shù)據(jù)傳輸和檢測上都較其他遙測更加困難。

海洋生物遙測的主要方式有無線電遙測及聲學遙測。無線電遙測使用無線電波，由于海水導電率高，無線電波在海水中衰減極快，因而只適宜在海面上方的空氣介質(zhì)中傳播，中長波無線電信號甚至可以傳播數(shù)百乃至數(shù)千公里。因此，使用無線電波傳輸信號的方法適用于海洋哺乳動物和爬行動物研究，在生物浮出水面呼吸時發(fā)射電波，可以進行生物大尺度遷徙活動等方面的研究[2-3]。相對于無線電波，超聲波在水中傳播信號的優(yōu)勢尤為明顯，研究對象更為廣泛，適用于大多數(shù)水中生物的研究，對硬骨魚類、軟骨魚類以及其他水生生物行為和生態(tài)學方面都有涉及，近年來還被應用于改善人工增殖放流策略、評估魚道設計等研究中[4]。

作為海洋生物遙測最早的應用手段，超聲波遙測技術自20世紀50年代誕生以來，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在遙測設備和遙測手段上取得了較大進步。最初，受限于傳感器制作工藝和電池材料，超聲波標記牌的體積和質(zhì)量均較大，工作壽命也較短，且信號發(fā)射模式簡單[5]。20世紀80年代以后，隨著電子技術的迅速發(fā)展，超聲波標記牌的制作工藝有了較大提高，整合了微型陶瓷傳感器的微芯片使標記牌的質(zhì)量和體積大幅減小，并可以通過發(fā)射多種模式的信號提供編碼數(shù)據(jù)以及深度、溫度等環(huán)境信息，目前應用的最小標記牌長11 mm，水中質(zhì)量僅為0.24 g，可連續(xù)工作60 d左右，適用于幼魚生長史等方面的研究[6]。遙測手段也由最初的移動跟蹤發(fā)展到現(xiàn)在普遍采用的接收機列陣遙測，已經(jīng)實現(xiàn)了多目標大范圍遙測。

國外一些漁業(yè)技術發(fā)達國家的超聲波遙測技術已經(jīng)較為成熟，已被廣泛應用于各類水域的水生動物生態(tài)研究，在指導海洋捕撈和資源增殖與保護方面也廣泛涉及[7]，一些國家還建立了生物遙測數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡，在海洋生態(tài)保護領域具有重要意義。我國在超聲波遙測方面起步較晚，主要應用于對珍稀物種的生態(tài)行為研究，始于20世紀90年代對中華鱘產(chǎn)卵場的定位[8]，近年來在海洋生物遙測方面也開展了一些工作，但主要依賴于國外的遙測設備，所以利用超聲波遙測方法進行海洋生物生態(tài)的研究在國內(nèi)尚處于起步階段。筆者闡述了超聲波遙測系統(tǒng)的組成及定位原理，綜述了該技術在國內(nèi)外海洋生物研究領域的應用進展，并對其發(fā)展前景進行了展望。

1 超聲波遙測系統(tǒng)的組成及定位原理

1.1 超聲波遙測系統(tǒng)的組成

超聲波遙測系統(tǒng)主要由發(fā)射裝置和接收裝置2個部分組成。發(fā)射裝置即為植入生物體內(nèi)或懸掛在生物體外的標記牌；接收裝置是用于在有效范圍內(nèi)接收標記牌發(fā)射的帶有編碼信息的超聲波信號，以獲取標記牌的定位等相關信息的設備。

1.1.1 發(fā)射裝置。

標記牌的體積主要取決于傳感器的大小，為方便植入，標記牌的形制一般為圓柱體，也有一些標記牌設計為其他形制。自20世紀70年代末以來，得益于整合電路技術的發(fā)展，超聲波標記牌的規(guī)格實現(xiàn)了小型化，并可以通過整合傳感器記錄水深、水溫等環(huán)境參數(shù)[9]。超聲波標記牌的發(fā)射頻率一般在30～300 kHz，信號通過標記牌內(nèi)部的微型陶瓷傳感器驅動產(chǎn)生。超聲波標記牌發(fā)出簡單的聲脈沖，通過調(diào)節(jié)頻率或者脈沖重復速率對標記牌進行編碼。起步階段，標記牌發(fā)射的脈沖信號是連續(xù)固定的，這種不間斷的信號可以排除部分噪聲干擾，但不能同時跟蹤多個個體，且標記牌的使用壽命較短[10]。隨著技術的進一步發(fā)展，偽隨機編碼的信號發(fā)射方式被廣泛采用，解決了信號沖突問題，實現(xiàn)多目標識別跟蹤，一些標記牌也可以根據(jù)研究需要改變脈沖發(fā)射的時間間隔[11]。

選擇標記牌應考慮目標生物是否適宜，根據(jù)目標生物的大小與生活習性選擇標記牌的規(guī)格和標記方式。標記方式一般有體內(nèi)植入和體外懸掛2種，魚類的體外懸掛一般在脊背處，但長期標記有脫落的風險；體內(nèi)植入一般在腹腔內(nèi)，在魚腹部切2～3 cm的小口，足夠塞入標記牌即可，這種方法容易對魚產(chǎn)生較大傷害，最近一種注射植入式標記牌可以有效減輕這種傷害[12]；對一些大型魚類，也可采用肌肉植入等方法[13]；早期研究中也采用胃內(nèi)植入的方法，但經(jīng)過一段時間后，標記牌被魚排出的可能性較大，現(xiàn)在較少采用[14]。一般情況下，標志牌的質(zhì)量不宜超過目標生物的2%，在該范圍內(nèi)標志牌本身對魚的影響可以忽略，在一些短期研究中標記牌質(zhì)量占生物體重的6%以下是被允許的[15]，手術結束后需對目標生物進行觀察，在投放前確定其活動狀態(tài)正常。

選擇標記牌需要考慮研究本身需求以及客觀環(huán)境因素，影響標記牌信號傳播的因素很多，主要包括以下因素：

①標記牌的發(fā)射頻率。不同頻率的超聲波在水中的傳播損耗也不同，聲波在海水中的吸收比淡水大得多，在理想狀態(tài)下，32 kHz的標記牌可以傳播2.5 km，而300 kHz的標記牌只能傳播400 m，標記牌發(fā)射高頻聲波時識別度更高，但超過200 kHz的頻率不適宜在海洋中進行研究[16-18]。

②水深。水深是影響超聲波標記牌信號傳播的主要因素。標記牌發(fā)射球面聲波，到達海底或海表時發(fā)生反射，經(jīng)過多次反射后，造成聲波信號難以識別。

③環(huán)境背景噪聲。環(huán)境背景噪聲包括人為和自然產(chǎn)生的環(huán)境噪音。若環(huán)境噪音較高，會使標記牌的信號在傳播到一定距離后受到干擾或被覆蓋，使信號的有效傳播距離減小，同時環(huán)境中某些與標記牌發(fā)射頻率相同或接近的聲波會與標記牌信號混淆，盡管偽隨機編碼有效保證了信號的唯一性，但也不能完全避免這種情況的發(fā)生。

④海底地形。海底地形起伏，或有不同介質(zhì)的障礙物在標記牌附近時，會影響信號的傳播，可能造成信號被遮蔽等情況。

1.1.2 接收裝置。

接收裝置包括一些被動的超聲波檢測設備，信號接收的主要方法有移動檢測和固定檢測2種。

移動檢測系統(tǒng)是早期超聲波遙測的主要手段，通過船等水上移動載體，攜帶水聽器、接收機對目標進行實時跟蹤，這種方法存在研究人員勞動強度大、不能進行長時間跟蹤、定位精度較差、容易丟失目標等缺點，主要應用于河流和湖泊等范圍較小的區(qū)域中，不適宜在海洋中進行，但在大型海洋哺乳動物和大型魚類的研究中，移動檢測依然作為有效方法被廣泛采用[19-20]。

早期的固定檢測系統(tǒng)，將水聽器或水聽器列陣布置在近岸水域，通過線纜連接到岸上的檢測站接收信號，但檢測范圍受到線纜長度限制[21]。隨著技術的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了可以將聲信號轉換為無線電信號的浮標式聲吶，檢測范圍相較于纜線傳輸有了較大提升。目前的生物超聲波遙測主要使用固定的水下設置式接收機，整合水聽器和接收記錄儀，可以將接收到的數(shù)據(jù)進行存儲，待研究結束后讀取數(shù)據(jù)，有效節(jié)省了人力，一些設備中也同時整合壓力、溫度等傳感器，可以在檢測目標的同時獲取部分環(huán)境信息。水下設置式接收機的布置距離不宜太遠，通常在300 m以內(nèi)[22]，在海洋中可以根據(jù)需要設計布置接收機列陣。近年來，可以通過衛(wèi)星通訊傳遞數(shù)據(jù)的接收設備也在一些研究中得到應用，可以彌補水下設置式接收機無法實時獲取數(shù)據(jù)的缺陷且不影響檢測范圍。在使用固定檢測系統(tǒng)進行海洋生物遙測的同時，也可以使用移動檢測方法進行輔助研究。

1.2 超聲波遙測系統(tǒng)的定位原理

一般情況下，超聲波遙測接收裝置記錄的數(shù)據(jù)為標記牌發(fā)射信號的時間序列，接收機接收數(shù)據(jù)后，需對數(shù)據(jù)進行復雜的降噪和濾波處理，現(xiàn)在常用的固定檢測系統(tǒng)一般使用長基線測位法，這是一種空間的距離交會原理，接收機的設置間距需遠大于聲波的波長，根據(jù)聲波到達各個接收機的時間進行計算[23]。當最少有3個接收機同時接收到標記牌發(fā)射的同一次信號時，即可實現(xiàn)定位，首先要確定每個接收機的準確位置，設接收機的坐標為（xi，yi，zi）（i=1～n），標記牌的坐標為（xp，yp，zp），c為聲速值，Δti為信號到達每個接收機的單程傳播時間，按照以下公式計算cΔti：

在實際應用中，需經(jīng)過擬合計算推定標記牌的實際位置。一些接收裝置記錄的時間信息可以精確到百萬分之一秒，定位精度在1 m左右，而對移動速度較快的目標，定位精度要差一些。在進行定位時，需要首先確定接收機接收信號的同步時間，一般通過攜帶同步標記或同步開啟接收機實現(xiàn)。在一些研究中，還需要將參考標記放置于接收機列陣的中心位置，用以輔助定位及驗證定位結果的準確性，接收機列陣范圍大時，需設置多枚參考標記。

此外，一些攜帶深度、溫度等傳感器的超聲波標記，會根據(jù)環(huán)境變化發(fā)射特殊脈沖間隔的信號，這種信號只需被單個接收機接收，即可獲得標記牌所在深度及環(huán)境溫度等信息，一般根據(jù)標記牌提供的擬合參數(shù)計算，一些標記牌由于制作工藝原因，標記牌之間的擬合參數(shù)也有一定差異。

2 超聲波遙測在國外海洋生物研究領域的應用

超聲波遙測在國外起步較早。美國學者Trefethen[24]早在1956年就有應用超聲波遙測技術跟蹤個體魚類的報道。20世紀70年代超聲波遙測技術已經(jīng)成為魚類監(jiān)控的主要手段，并有了較為完整的理論體系，加拿大、日本以及許多歐洲國家都相繼開展了這方面工作，研究涉及鯊魚、蝠鲼、金槍魚等大型魚類[25-27]，也有鮭鱒、鯛魚、鯉魚等體型較小的魚類[28-30]，還包括海豹、海狗等海洋哺乳動物[31-32]。20世紀70年代末期，美國學者Brawn[33]已經(jīng)使用小型超聲波標記進行大西洋鮭的行為研究，標記長度48 mm，水中質(zhì)量9.1 g，并可以實現(xiàn)連續(xù)數(shù)月的長期工作。20世紀90年代，超聲波遙測關于海洋生物水平和垂直移動、洄游、季節(jié)移動、攝食等自然生態(tài)活動，發(fā)電站或堤壩的建設、對漁具的反應等人為活動對海洋生物的影響以及海洋生物的水溫選擇等生理活動的研究都取得了大量成果[34-36]。進入21世紀，超聲波遙測技術的理論和方法基本成型，但設備制造水平還在不斷提升，近年來，結合大量環(huán)境數(shù)據(jù)以及數(shù)字模擬技術等手段展開的研究，可以更全面準確地了解海洋生物的生態(tài)活動。

目前，在海洋生物遙測領域走在前沿的一些國家已經(jīng)建立了大規(guī)模的遙測網(wǎng)絡。美國處于領先地位，作為美國海洋綜合觀測系統(tǒng)（IOOS）的一部分內(nèi)容，其動物遙測網(wǎng)絡ATN（animal telemetry network）檢測站已經(jīng)覆蓋美國本土沿岸的大部分海域以及夏威夷群島周邊海域，主要為海洋漁業(yè)資源管理、保護及恢復海洋生態(tài)環(huán)境以及海洋珍稀物種的保護工作服務，主要使用衛(wèi)星遙測、存檔型遙測及超聲波遙測3種手段，其中超聲波遙測最為廣泛，衛(wèi)星遙測主要應用于海洋哺乳動物及爬行動物的研究，存檔型遙測用于一些有洄游規(guī)律的魚類，超聲波遙測則用于大多數(shù)魚類及其他水生生物，在部分海洋哺乳動物及爬行動物的研究中一般同時使用衛(wèi)星標記和超聲波標記[37]。加拿大的OTN（ocean tracking network）則使用超聲波遙測設備和海洋環(huán)境觀測設備，致力于建立對大陸架生態(tài)系統(tǒng)的認知，并為全球沿海和海洋生態(tài)系統(tǒng)的觀察做出貢獻，在全球范圍內(nèi)尋求合作，數(shù)據(jù)共享已經(jīng)覆蓋北美和西歐、北歐的大部分沿海以及中南美洲和非洲、西亞以及澳大利亞的部分沿海區(qū)域，自2010年起，OTN將研究方向設計為更好地了解海洋動態(tài)變化及其對海洋生態(tài)系統(tǒng)、動物生態(tài)和海洋資源的影響，并以解決資源管理中的關鍵問題以及海洋環(huán)境治理為目的，該計劃先已進入第二階段（2014年至今）[38]。澳大利亞的動物標記與觀測系統(tǒng)AATAMS（Australian Animal Tagging and Monitoring System）希望建立起國家級的超聲波遙測網(wǎng)絡，計劃在其沿海區(qū)域布置大規(guī)模的接收機列陣，促進研究者之間的合作，建立數(shù)據(jù)的開放共享平臺，實現(xiàn)海洋生物遙測的研究價值最大化，目前計劃正在逐步實施[39]。

3 超聲波遙測在國內(nèi)海洋生物研究領域的應用

國內(nèi)超聲波遙測起步較晚。20世紀80年代，傅仰大[40]、顧嗣明[41]介紹了國外超聲波遙測的經(jīng)驗和方法，將超聲波遙測法作為一種新型標志放流方法引入。國內(nèi)的超聲波遙測最早被用于1993年危起偉等[42]與美國專家合作進行的葛洲壩下中華鱘產(chǎn)卵場定位研究，研究使用了移動跟蹤的方法，1996年已經(jīng)取得中華鱘產(chǎn)卵場定位的初步結果。國內(nèi)的早期研究主要針對珍稀物種的保護，最近研究人員利用超聲波遙測技術開展了對許氏平鲉在不同棲息地活動特點的研究，對比了其在人工魚礁和天然礁體環(huán)境下的活動狀態(tài)差異，拓展了國內(nèi)超聲波遙測新的研究與應用方向[43]。近年來，國內(nèi)一些其他的海洋生物遙測研究也在陸續(xù)展開，超聲波遙測技術也越來越受到重視。

盡管國內(nèi)的研究手段與國外基本同步，但實際水平與國外還有較大差距，主要有以下原因：

①國內(nèi)超聲波遙測技術起步較晚，尚未形成完善的科研規(guī)劃和應用體系，科研人員無法獲得足夠的資金和技術支持。

②國內(nèi)的研究主要依賴于國外提供設備，迄今為止國內(nèi)還沒有廠商可以生產(chǎn)出與國外同等水平的包括標記牌和接收機在內(nèi)的超聲波遙測設備，導致研究成本較高。

③國外超聲波遙測已經(jīng)可應用于大面積海域，研究涉及漁業(yè)管理、生態(tài)保護等方面，而國內(nèi)的研究比較單一，大部分研究還處于實驗階段。同時，國外的數(shù)據(jù)采集比較全面，包括溫度、鹽度、海流等環(huán)境物理信息，國內(nèi)尚未形成完善的數(shù)據(jù)采集體系。

④與國外已經(jīng)基本成型的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡系統(tǒng)相比，國內(nèi)缺乏成熟的技術條件來建立超聲波遙測的數(shù)據(jù)共享平臺。

4 展望

隨著海洋生物研究的不斷深入，超聲波遙測已經(jīng)能與其他方法有效結合，拓展了新的研究領域，與遺傳學、生理學、行為學和其他標記方式（如傳統(tǒng)掛牌標記、PIT射頻標記等）等相結合，在魚類的生長史、棲息地選擇以及完整的洄游行為等研究方面取得了進展，對水產(chǎn)增養(yǎng)殖和資源保護提供了極大幫助[44]。目前，超聲波遙測在國內(nèi)海洋生物研究領域的應用還有很大的發(fā)展空間：

①隨著國內(nèi)水產(chǎn)品需求量的日益增加，充分了解經(jīng)濟魚類及其他水生動物的生長過程和行為習慣，制定科學高效的天然水域生態(tài)環(huán)境恢復辦法和提高水產(chǎn)增養(yǎng)殖經(jīng)濟效益已成為當今的工作重點，超聲波遙測在這一領域將發(fā)揮至關重要的作用。

②在現(xiàn)有海洋牧場建設和增殖放流效果評價方法的基礎上，將超聲波遙測方法納入到評價體系，并作為一種海洋牧場監(jiān)控管理的有效手段加以應用。

③現(xiàn)階段超聲波遙測的成本過高，投入與產(chǎn)出差距懸殊是限制該方法應用的最主要原因。如果國內(nèi)能形成良好的研究環(huán)境，具備一定的市場規(guī)模，吸引相關單位投入接收機和標記牌等超聲波遙測設備的制作研發(fā)，提供高質(zhì)量的國產(chǎn)設備，就可以大幅縮減研究成本，使超聲波遙測技術不再局限于實驗研究，真正成為一種可以被廣泛應用的標志放流方法。

電子技術的發(fā)展將推進標記牌的進一步小型化，功能更加多樣化，新電池材料的應用將延長標記牌的工作時間并減小標記牌的質(zhì)量，使超聲波遙測應用的領域更加廣泛。希望更多的科研人員通過超聲波遙測方法進行海洋及各類水生動物的生態(tài)、生理行為研究，能夠借助這種科學、高效的手段尋找保護和利用漁業(yè)及水生資源的合理方法。

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