浮游生物检测：声学和光学成像1.介绍2.物理学；物理现象2.1浮游动物声学检测2.2水下光学成像的原理3. 应用：关于系统关联实时检测3.1 检测浮游动物的声学系统3.1..A 单频系统3.1.B 多频系统3.1.C 宽带系统3.1.D 探讨浮游动物的实时声学监测3.2 浮游动物的光学成像3.2.A 视频浮游生物记录器3.2.B动物园可见系统3.2.C 水下视频分析系统3.2.D 3D浮游动物观测台3.2.E 探讨浮游动物实时成像3.3 浮游植物光学成像3.3.A 全息成像3.3.B 流动凸轮3.3.C FIDO-4. 声学和光学的结合5. 总结和结论1.介绍：浮游生物群体是普遍存在的，是多种多样的生物体的集合，浮游生物在海洋生态结构中扮演重要角色。

浮游植物的光合作用将在本书中的其他章节中讨论，它支撑着海洋食物网络和改变海洋中营养物质和二氧化碳的生物化学循环。

浮游动物作为单细胞浮游植物的主要产物和更高的营养级别如海洋鱼类之间的联系，它们中的许多被商业开发了。

环境和生物因素控制的海洋生物群落的种群数量是海洋学的中心目标。

明白有时空解析度增长的浮游生物有机体的数量、动态和相互作用的重要性已经促使了经过改进的观察和量化它们的传感器的发展和应用。

在本书中的有记录的有害藻类水华通过消耗营养物质，毒素和缺氧环境的产生来对海洋生态环境产生显著影响，这种影响是有害的。

精密装置和食物链如何变化是很有意义的。

在这里，我们考虑发展技术带着终极目的来研究和理解HABs可能减弱它们的影响。

就有害藻类水华和浮游动物而言，弄清楚有害藻类水华对浮游动物的影响和浮游动物对有害藻类水华的影响是有必要的。

尽管我们有很多东西要学习，但是Turner 等(2000) and Buskey(2003)在这个领域的早期工作已经帮助我们确定了浮游植物和浮游动物之间的关系，对于将来的工作也留下了很多问题。

在这个章节中所描述的一些技术对阐明这种生态系统有益的方面是很有用的。

这篇文章为读者提供声学技术的一种现代观点，声学技术已经为监测浮游动物而有了发展。

另外，提供了一项关于浮游动物和浮游植物水下成像的调查。

大纲首先提出了来自浮游动物反射回的声波的基本物理学观点。

随后介绍了光在海水中的传播和它与水下光学成像的特别关联。

为了使读者知道潜在的物理规则和环境原则提供了背景信息。

本文系统呈现了许多现代水下声学和光学系统的例子。

这些系统从常规商用的现成技术到独一无二的设备可能在某一天过渡成为常规的海洋设备。

正如在下一章中论述的，事实上没有观测海洋浮游动物完美的技术。

光学技术可产生最高的分辨率，同时提供易于被人工识别的数据，这基于我们视觉观测的大量的经验。

声学技术使得对更远距离内的这些动物成像成为可能，然而这种技术受到缺乏明确性，散射强度的直观基础和缺乏散射函数多维特性的知识的限制。

在最基本的水平上，已经应用了很多年的牵引网技术在物种鉴定方面提供了最高的观测精度，然而它也遇到了不可避免的问题，不能利用非侵扰的方式观测某一类动物，不能得到动物的尺寸和游速的差别。

总的说来，这三种技术是观察浮游动物的标准方法。

每种方法都有显著优点和显著缺点。

然而这些方法可以形成互补。

至于声学，由于它便于产生、记录和处理，检测浮游动物的声学技术已有广泛应用。

已经写出声波被海洋中的生物体散射的几种好的调查，这些调查使得监测浮游动物技术有了发展。

另外，已经有教科书包含了声学在渔业评估中的应用。

一本关于声学海洋学的书，用声学的基本物理原理和声波在海水中传播的基本物理原理阐述了渔业声学和浮游动物声学。

至于光学，曾经快速发展的先进的记录、处理和算法技术已经催生出新一代光学浮游动物观测装置。

最近的一本书和对浮游动物观测技术的回顾说明许多现代系统是可用的。

一些有意义的读物是指那些具有更多信息的文章，或者具有与其它文章不同的观点的读物。

2.物理现象在这一部分中，我们将回顾声音从生物体上反射过程的基本物理原理，着重介绍在检测浮游浮游动物方面的应用。

接下来回顾光线传播、散射的性质和水下成像的基本原理。

2.1浮游生物的声学检测的基础为了弄清楚在评估浮游动物的分布、丰度、行为时使用声纳的可能性，应该考虑现代声纳系统的一般原理。

在图一中所述的设备是由发射和接受声纳信号的电子装置组成的。

然后将这个设备连接到一个将电子信号转换成声波的转换器上。

然后这个声波传播到一种媒介上，这种媒介能将声波衰减和散射。

从有用的生物体反射回来的声波从压力波转换成了电信号，然后记录和分析。

图一： 用来记录来自浮游动物的反射波的声纳系统的基本组成考虑到声音的产生和接收，有些标准文本讨论了声纳系统和它们使用的基本物理原理。

简单的说，声纳装置是标准精确的工具，通过它能够确定动物的食物。

将反射回的声波强度（I rcvd ）和声功率联系在一起的单一频率的通用的计算公式如下，这个声功率是一个全方位声源以瓦特的形式向距离声源r 距离的单个目标传播的。

rcvd I =42r e W ar xmit -πσ4 （1） 在这里，a 是对特定频率的吸收系数（通常只认为是水的状态的函数），σ值的是声截面（单位是m 2）。

接收器上的压力大小可以通过强度和压力之间的关系来计算得到。

由于压力是随时间变化的量，压力（P rms ）是一个非常重要的变量，它通过下式和平均强度联系在一起。

<I>=cp rms ρ2 (2) 这时，压力单位是帕斯卡，媒介（水）的密度单位是kg-m 3- 。

c 是声音在媒介中传播的速度，单位是m-s 1-。

用一种简单的方式能够解释非全方位声源是可行的。

这个等式说明了大部分遥感系统的一般特征，已经产生的辐射是以指数形式衰减的（由于吸收），辐射是以球形扩散的（能量保存的结果）。

尽管等式（1）是非常直观的，但是大部分声纳工程师更喜欢把等式写成指数形式并且参考micropascals 声源级。

有益的读物是指描述细节的标准文本。

最重要的参数是目标强度（TS ）和声截面之间的关系。

关系如下式： TS = 10 πσ4log (3) 我们可以发现对TS 来说，这是一个指数形式。

我们也注意到目标强度和被目标散射部分的声音强度有关系，关系为下式： TS = 10 log inc refI I (4)I in 和 I refl 分别是声波的入射强度和反射强度。

一个非常重要而经常被忽略的细节是入射面是在生物体上的。

然而，反射面通常是在一米范围内的。

也许考虑TS 的最直观的方法是把从目标反射回的声波的部分能量写为对数的（以10为底）形式。

-60 dB 的目标能量意味着入射到目标上的106-的能量将被反射回来。

由于这个值是大型浮游动物的典型值，动物原位反射率特性描述会成为一个具有挑战性的尝试。

在许多情况下来自单个动物的反射不能被识别，声纳系统是在一种被称为回音集合（echo integration ）的模式下工作的。

在这种模式下，记录的能量是来自声纳束中各种生物体的反射的能量。

散射类型的多样性越高，数据解释就越复杂。

在最困难的情况下，可以建立经验关系将综合能量与动物数量联系在一起；然而他们的正确性需要通过辅助方法来确定，如牵引网。

更一般的方法是把散射函数β（用β是为了使其后边提到的光学理论相一致）看作是与入射和反射声波有关的目标的方向函数。

图2a 展示了在最一般的结构，这是一个4维函数。

因为这个函数太复杂，一些简单的类型可用来降低函数的维数。

在一个普通的模式中，声源和接收器是并列的，如图2b所示。

这被称为收发合置装置，这也是到目前为止用来测量来自动物的反向散射最为普通的方法。

假设声源和接收器并列，只留有两个剩余自由角度；动物的方位（iθ，ϕ）。

i图2：（a）四位散射函数β（iθ，iϕ，rθ，rϕ）的几何原点的说明。

角（iθ，iϕ）和（rθ，rϕ）分别是固定动物方位的并列框架之间的角度和入射角与反射角。

iθ和rϕ分别是极性角和方位角。

（a）所示为收发分置的装置，（b）所示为收发合置装置（iθ=rθ，iϕ=rϕ）。

浮游动物散射的最早的理论模型之一是充满流体的球体，是由Anderson于1950年创建的。

这个球形对称函数是作为等效球体半径r和入射声波的波数的函数来计算的，k=2π/λ。

然后，考虑到了所要研究的生物体的相关对称性和声学性质，声学反向散射越来越复杂的模型逐步形成。

因为浮游动物呈现出身体形态和组成部分有很大变化的特性，甚至一些典型的散射函数的测量都有很大的挑战性。

另外，弄清楚它们的gle-dependent scatter,hopefully in-situ也很复杂。

在某种意义上，由于这些事实，为浮游动物散射建模已经成为一种重要需求，我们希望这个模型能够填补测量的需要和统一任何给定的声学实验的需求之间的空白，这些声学实验是为了弄清楚考虑之中的物体的组成。

在一个已经有很多研究的领域中，来自瘦长的充满流体的物体的散射模型已经形成。

这些努力的主要目的在于弄清楚来自磷虾的散射。

在近十年的一系列文章中，Stanton和他的同行已经建立简单的或更复杂的模型，以此来弄清楚来自生物体的散射。

近期的一个回顾总结促使和展望了来自生物体散射的模型的建立。

举一个例子，图3所示为声学反向散射目标强度的图表，k=λπr 2（等价半径和波长的比值再乘上π2），变形不固定的圆柱体作为动物方位的函数。

这个图表是通过假设材料组成的两个重要参数得到的，这两个参数分别是：动物密度对比度（动物密度和周围水的密度的比值，g=1.06）和音速对比度（动物中的音速和周围水中的音速的比值，h=1.06）。

这些参数的乘积gh 称为声阻抗（类似于光学中的折射率）。

更大的声阻抗比差值导致了更高的反射率（类似于光学中的反射率）。

这些假定的参量值随后会被确认。

图3：反向散射目标强度（TS ）与Stanton 的由Demer 按照420khz 计算的变形圆柱模型这个图表清楚地显示了在陡峭区域的转变，在这个区域中，kr 方向上一个小的增长就会导致散射（大约和提高到第四能级的入射频率f 成正比）有一个很大的增长，对于一个更平缓的区域，在这个区域中，渐近线的斜率趋于20（由于基于多截面积）.。

前一个区域被称为Rayleigh 状态，更大的kr 区域被称为几何学的或几何学图形的散射状态。

零点或低反向散射的深层区域是由于身体不同部位的相互干扰造成的。

大部分系统设计者热衷于检测信号类型来试着调谐它们的波长，这就使得kr 大于或等于原来的值，这致使由于吸收而有最小值衰减的能量（看下边的对多光谱成像的讨论）得到有效利用。

同样的，kr=1的点经常成为系统设计的目标。

例如，考虑一个长为1.13mm 等价球形半径r=0.2的桡脚类动物，kr=1意味着应该使用波长λ=1.25nm 的波，或者频率（假设fλ=1500m/s ）为1.2Mhz的波。