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0 引言
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近年来，核电厂取水口堵塞事件频繁发生，其中水母是一种常见的致灾堵塞物。在我国红沿河核电站，就曾发生几次大量海月水母涌入，堵塞机组循环水过滤系统（CFI）取水口，引起机组降功率、停堆等事件，对核电厂安全相关系统造成影响[1]。由于声学探测技术不受光照、水域浑浊度等的限制，而且高效快捷、对海洋环境损害较小，逐渐成为水母灾害监测预警的一种技术手段[2-3]。国外 MUTLU 等[4]采用双频鱼探仪对黑海的海月水母 （Aurelia aurita）进行了目标强度测定，建立了海月水母（120 kHz 及 200 kHz）的目标强度与伞径或湿重之间的关系模型； HIROSE 等对沙海蜇 （Nemopilema nomurai）水母的单体声学散射特征进行了研究，建立了沙海蜇目标强度与生物学特征之间的关系模型[5]；KANG 等使用双频鱼探仪 （38 kHz 和 120 kHz）对韩国水域内沙海蜇进行了目标强度的测定，建立了沙海蜇伞径与目标强度之间的关系模型[6]；ROBERTIS 等对咖啡金黄水母 （Chrysaora melanaster）进行了声学目标强度的测定，分析了其在 38 kHz 和 120 kHz 这 2 种频率下的声学目标强度[7]。国内王梓等在红沿河核电站取水口附近利用 EK60 鱼探仪对水母进行了监测，获得了水母的资源密度 [8]；张剑飞采用高分辨率多波束仪对水母进行探测，获取其回声特性，分析了其在敏感海域的分布密度及体散射强度特征[9]；付媛媛等在红沿河核电站附近海域利用 EK60 鱼探仪进行垂直断面走航水母资源声学调查，并结合潮流数据计算了水母通过调查断面的通量[1]。从这些研究中可以看到：国外关于各类水母的目标强度测量已经有不少的成果，包括水池和海上测量；国内关于水母目标强度的基础测量工作却相对较少，常常借鉴或直接运用国外的一些模型和测量结果[1-2]。由于水母不同种类间，相同种类但不同大小个体间，甚至不同的测量方法均有可能导致目标强度测量结果存在一定的差异[2]，如果不结合探测设备、频率条件等，直接利用国外的测量结果，对探测的水母数量进行回波积分/计数法统计，或是对水母的分类进行统计时，可能会造成较大的偏差。因此，有必要结合声学设备对不同频率条件下水母目标强度进行测量。
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海月水母在我国大连、青岛等地沿海均有分布，海流稳定的温带浅海海域是其最适合和最主要的分布区域[10]，是我国黄海和东海经常爆发的大型水母种类之一[11]，也是我国近海危害较大的水母种类之一[12]。本文将在水池条件下，利用同一鱼探仪（EK80），开展单频（120 kHz）和宽频信号 （90 kHz~170 kHz）回波探测实验，对这种典型致灾水母种类——海月水母进行目标强度测量，从而获得不同频率条件下，相同伞径海月水母的目标强度测量值和回波信号。并将目标强度测量结果与国外已有的关于海月水母的 2 种目标强度模型进行比对和分析。另外，还将对单频和宽频条件下，海月水母的探测回波进行比对分析。
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1 材料与方法
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1.1 实验材料
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本实验选择的海月水母均为黄海海域野生水母，伞径基本一致，约为 10 cm。实验前，水母被放置在含有氧气的塑料袋中，袋口扎紧，直至数小时内置于实验水池中，使其保持活性。实验过程中使用细鱼线，避免产生附加散射。
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1.2 实验仪器和环境
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实验所用鱼探仪为宽频分裂波束 EK-80 科学鱼探仪，由挪威 SIMRAD 公司生产。单频发射时，为矩形脉冲信号（CW），频率为 120 kHz；宽频发射时，为线性调频信号（LFM），频率为 90 kHz~170 kHz。其中鱼探仪换能器的增益、发射功率、发射频率、脉宽长度、脉冲间隔等详细参数如表1 所示。水池为非消声海水池，长 3.5 m，宽 3.3 m，深 1.4 m；换能器的布放深度为 0.6 m。同时布放水下摄像头进行观测。如图1 所示。
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1.3 实验方法
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1.3.1 声速测量与参数选择
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首先运用水分析仪（YSI ProPlus）对海水的温度、盐度等进行测量，获得海水的吸收系数和海水的声速。其次，鱼探仪换能器采用水平布放，水母布放在换能器远场区，水平距离大于 1 m，深度与换能器一致，为 0.6 m。发射信号的脉冲宽度选择至少包含 10 个以上的波，同时要具有高分辨率，选定单频信号的脉冲宽度为 0.128 ms，宽频信号的脉冲宽度为 0.512 ms。另外，需要强调的是，由于水池深度只有 1.4 m，容易产生一定水面和池底的混响，所以选择的功率不能太大，选定的功率为 75 W。
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图1 水池尺寸和实验设备布放
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Fig.1 Pool dimensions and deployment of experimental equipment
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1.3.2 标准球校准
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选用直径为 23 mm 的标准铜球，选择好布放点，运用标准球法对 EK80 鱼探仪进行校准。校准后，得到校准参数、校准偏差及校准文件。校准后的参数如表2 所示，其中校准后均方根误差 RMS 为 0.12 dB，满足校准要求。输入符合要求的校准文件，完成对 EK80 鱼探仪的校准。
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1.3.3 探测面和背景噪声阈值的设定
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首先避开水池内一些固定较强混响，选择合适的水平距离。再根据 EK80 换能器的水平和纵向波束角，求得对应的水平距离上探测面大小，为放置水母做准备。另外，可初步设置探测阈值为–90 dB。测量出水母的大致目标强度后，再根据水母的最小目标强度进行调整，对水池噪声做进一步的降噪处理。
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1.3.4 水母姿态角的调整
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布放水母时，将其从充氧袋取出，快速放入海水池中，并在水面下进行穿线，在水母下方配上适当重物，如图1 所示，实现用三根细鱼线对水母姿态角的控制。选择合适的水平距离，寻找到探测面，并将水母放入探测面内。利用水下摄像头进行监测，改变细线位置，从而调整姿态角。水母在自然漂浮状态时，其姿态角计为 0°，水母的伞部对准换能器时，其姿态角计为 90°。对水母进行大面积资源调查时，一般采用走航垂直观测方式，这时水母伞背部相对换能器的姿态角处在 90°位置附近，设水母伞背部偏离轴向±30°，则姿态角为 60°~120°。本实验测量期间，姿态角控制在 60°~120°。
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1.4 数据处理方法
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鱼探仪为主动声呐，根据主动声呐方程，可以获得鱼探仪轴向上探测物的目标强度（TS）为
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式中：EL 为回波强度；SL 为声源级；TL 为传播损失。依据该基本原理，以及 Echoview 9. 0 声学数据处理软件中对目标强度数据处理说明，可以得到点声学目标强度测量值为
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式中，Pr 和 Pt 为换能器的接收和发射功率；R 为距离，α 为吸收系数，G0 为换能器增益，λ 为波长。将得到多次测量不同水平距离各点声学目标强度，而水母的声学目标强度为点声学目标强度中的最大值。再通过提取多次测量的水母的声学目标强度，确定目标强度的频数分布，获得平均目标强度值。其中平均目标强度值，可以直接根据测量得到的目标强度进行计算；或者根据测量得到的目标强度和频度分布结果，以及目标强度和频度的关系，如公式（3）所示，求得平均目标强度值。
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式中：TSPJ 为测量得到的平均目标强度；P 为频度概率；N 为分布的频次。
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1.5 理论模型
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文献[13]给出了海洋生物声散射特性研究的简单模型——高通液球模型，其原理是将海洋生物的形状简化为球形，再依据其声学属性对目标强度进行估计。另外，MUTLU 等[4]在海上测量的基础上，总结了海月水母的伞径与目标强度的关系式模型。将这 2 种模型介绍如下。
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高通液球模型的关系表达式为[13]
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式中：σ为反向声散射截面；a 是液球半径，m；k 是波数；α为瑞利散射系数，它表示为
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式中：g=ρ1/ρ是密度比；h=c1/c 是声速比这里ρ1 和 c1 是液球的密度和声速，ρ和 c 是液球周围介质的密度和声速。参考文献[5]取 g= 0.989，h=1.000 1，代入公式（4）、（5）、（6）可求得海月水母目标强度。
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Mutlu 等总结出伞径和目标强度的关系式为[4]
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式中：TS 为目标强度；d 为伞径大小，cm。
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2 结果与讨论
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2.1 单频条件下测量结果
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当发射信号为单频声波，频率为 120 kHz，且海月水母的伞径（水母水平放置时的直径）为 10 cm 时，测量得到水母 01 样本在 EK80 软件下探测面内的位置，目标强度的频度分布直方图以及水平距离。对其截图后如图2 所示。
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单频条件下，应用 Echoview 9.0 声学数据处理软件，获得多次不同水平距离各点声学目标强度，如图3（a）所示；经软件提取最大值，并计算后，可获得水母的声学目标强度及频度分布，如图3（b）–3（c）所示。
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从表3 看出，单频条件下，伞径约为 10 cm 时，海月水母的平均目标强度范围主要分布在–66~–63 dB 之间。
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单频条件下，对 6 个样本水母进行多次测量，可以得到它们的目标强度。再依据公式 3，进一步计算得到不同样本的平均目标强度，如图3（d） 所示。详细的情况如表3 所示。
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图2 目标所在位置、目标强度频度分布和水平距离
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Fig.2 Target location，frequency distribution of Target Strength and horizontal distance
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图3 单频条件下目标强度测量结果
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Fig.3 Measurement results for Target Strength at single frequency
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2.2 单频条件下测量结果与理论结果的比对
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设高通液球模型计算得到的目标强度为理论值 1，Mutlu 伞径模型计算得到的目标强度值为理论值 2，则依据公式 4–7，可分别获得伞径为 10 cm 的海月水母目标强度理论值 1 为–64.5 dB，理论值2 为–59.9 dB。多个样本水池的实测结果与理论模型计算结果如图3（d）所示。从图3（d）中，可以看到，单频条件下相同伞径海月水母的单体目标强度结果更接近理论值 1，即更接近于高通液球模型。
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再分别将单频条件下目标强度测量结果的最小值和最大值分别与理论模型进行比较，可以进一步得到它们的误差值，如表4 所示。
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从表4 也可以看出，单频条件下，目标强度实测值与理论值 1 的平均误差小于 3 dB，与理论值 2 的平均误差大于 3 dB。
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2.3 宽频条件下测量结果
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宽频条件下，频率为 90~170 kHz，对相同海月水母在相同姿态角时，进行单目标探测，得到水母 01 样本在探测面内的位置，目标强度的频度分布以及水平距离如图4 所示。
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宽频条件下，与单频条件的处理方式一样，得到多次不同水平距离各点声学目标强度如图5（a） 所示；水母的声学目标强度，如图5（b）所示； 其频度分布，如图5（c）所示。
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对相同的 6 个样本水母进行多次测量，分别得到它们的目标强度，依据公式 3，进一步计算得到宽频条件下，不同样本的平均目标强度，如图5（d） 所示。详细的情况如表5 所示。
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图4 目标所在位置、目标强度频度分布和水平距离
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Fig.4 Target location，frequency distribution of target strength and horizontal distance
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图5 宽频条件下目标强度测量结果
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Fig.5 Measurement results for target strength at broadband frequency
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从表5 看出，宽频条件下，伞径约为 10 cm 时，海月水母的平均目标强度范围主要分布在 61~–59 dB 之间。
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2.4 宽频条件下测量结果与理论结果的比对
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从图5（d）中，可以看到，宽频条件下相同伞径海月水母的目标强度测量均值更接近理论值 2，即更接近于 Mutlu 伞径模型。同样，将宽频条件下目标强度测量结果中的最小值和最大值与理论值进行比较，分别得到它们的误差值，如表6 所示。
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从表6 也可以看出，在宽频条件下，目标强度实测均值与理论值 2 的平均误差小于 3 dB，与理论值 1 的平均误差大于 3 dB。
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2.5 分析与讨论
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2.5.1 不同频率条件下目标强度测量值差异分析
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不同海洋生物对不同频率信号回波响应有可能不同，依据 DEROBERTIS 等的研究结果[14]，海月水母在 120 kHz、200 kHz 这 2 种频率对应的以伞盖（cm）面积为基准的目标强度（RTS）之间有频差，范围在 0~3 dB 之间。可见，海月水母对不同频率或频段信号会产生不同的声学响应特性。这也是本实验中，单频（120 kHz）和宽频（90 kHz~170 kHz）之间所测量的目标强度也存在差别的根本原因。利用该特性可运用于水下在线监测过程中对水母的分类。如 2019 年 YOON 等[15]运用 38 kHz、 120 kHz 共 2 种频率目标强度之间的频差对水母进行了分类。
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2.5.2 不同频率条件下设备探测性能差异
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水母目标强度测量，与运用的设备密切相关。 EK80 科学鱼探仪属于分裂波束鱼探仪，在接收过程中由换能器的 4 个部分进行。无论是单频还是宽频条件下，4 个波束的回波基本相近。取出单频和宽频条件下的单个波束回波，如图6 所示。
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从图6 可以看出，水池条件下，单频和宽频条件下的回波波形、回波脉宽可以清楚的获得，且信噪比高。EK80 鱼探仪在单目标探测中，对于单频和宽频回波信号的处理算法不同，使得探测的距离分辨率不同。单频条件下，分辨率与回波脉宽成反比，宽频条件下，分辨率与频宽成反比[17]。在图3 （c）和图4（c）中，可以看出，宽频条件下，距离分辨率更高。
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图6 单频和宽频条件下单个波束的回波
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Fig.6 Echo of single beam at single and broadband frequency conditions
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同样，分别将单频和宽频条件下 2 个接收回波波束进行相关性分析，可以得到它们的相关系数，如图7 所示。
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从图7 可以看出，单频条件和宽频条件下，相同采样点数时，对应相关系数形状不同，但它们的延迟基本相同。对于分裂波束换能器来说，不同接收部分的回波延迟是计算目标方位的关键。从图2 （a）和图4（a）也可以看出，不同频率条件下，相同位置的水母测量出的目标方位基本一致，对目标强度的测量影响不大。
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总的来说，设备的不同频率的探测性能对水母目标强度的测量会产生一定的影响，一般来说，宽频信号相比传统的窄带单频信号，在单体识别和性能上有进一步的提高[16-17]。但在水池条件下，通过增大水平距离，可以减少和忽略它们对目标强度测量的影响。
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图7 单频和宽频条件下回波的相关关系
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Fig.7 Correlation of echoes at single and broadband conditions
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2.5.3 应用分析
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在核电厂冷源致灾生物探测预警中，声学设备一般布放在浅海，水面和海底会产生一定混响和背景噪声干扰。本文在水池条件下，探测面的选择就很关键，当水平距离为 2 m 时，根据换能器的最大波束角为 7°，计算出探测面的直径约为 0.24 m。当水母处在该探测面时，才能获得正确的测量结果。除了选好探测面外，对于均值为 10 cm 伞径海月水母，单频 120 kHz 发射时，背景噪声阈值设置为–80 dB；宽频 90 kHz~120 kHz 发射时，背景噪声阈值设置为–78 dB，分别如表3 和表5 所示，才能去除混响和背景噪声，获得良好的探测结果。在实际应用中，一般采用走航垂直探测，一方面要考虑探测范围，避开混响，另一方面需要根据海月水母对不同频率条件声学响应特性不同，设置不同的背景噪声阈值，才能获得更好的探测效果。
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3 结束语
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通过对海月水母单体目标强度测量的水池实验，综合上述实验结果和分析，可以得出以下结论：
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1）对于伞径为 10 cm 的海月水母，海月水母的姿态角在 60°~90°之间时，在单频和宽频条件下，测量得到的目标强度值与理论模型较为相符，但宽频条件下测量得到的目标强度值高于单频条件下测量值。单频条件下，测量得到的目标强度值为 –66~–63 dB，接近高通液球模型；宽频条件下，测量得到的目标强度值–61~–59 dB，接近 Multu 伞径模型。
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2）相同伞径的水母，在单频和宽频条件下，目标强度测量值出现差异原因主要与水母对不同频率的声学响应有关。
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今后的研究中，将进一步运用 EK80 鱼探仪对海月水母进行更高及更宽频率测量，从而获得更多不同频率条件下的目标强度值，为我国进一步应用声学技术开展海月水母资源调查和监测提供理论基础和科学依据。
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摘要
为获得海月水母不同频率下声学特征，在水池条件下，运用鱼探仪对海月水母开展目标强度（TS） 测量实验。结果表明：伞径约为 10 cm 海月水母，姿态角在 60°~ 90°时，单频（120 kHz）条件下，目标强度测量值为–66 ~ –63 dB，接近高通液球模型；宽频（90 kHz~170 kHz）条件下，目标强度测量值为–61 ~ –59 dB，接近 Mutlu 目标强度和伞径的关系式模型。并进一步分析了相同伞径水母目标强度测量值产生差异的原因，研究结果将为核电站冷源致灾生物的浅海宽频探测提供参考。
Abstract
In order to obtain the acoustic characteristics of jellyfish（Aurelia aurita）at different frequencies， the Target Strength（TS）measurement experiment is carried out on the jellyfish with an echosounder in the pool. The results show that for the jellyfish with about 10 cm umbrella diameter and 60° ~ 90° attitude angle，the measured value of the TS is –66 ~ –63 dB at a single frequency（120 kHz），which is close to the high flux liquid sphere model， and the measured value of the TS is –61 ~ –59 dB at the broadband （90 kHz ~ 170 kHz）condition，which is close to the Mutlu relational model between TS and umbrella diameter. In addition，the reasons for the differences in the measured TS of the jellyfishes with the same umbrella diameter are analyzed. The conclusion of this thesis will provide a reference for nuclear power plants to conduct the detection of cold source disaster-causing organisms in shallow sea with a broadband echosounder.
Keywords
jellyfish（Aurelia aurita） ； target strength（TS） ； frequency ； echosounder
