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了解声纳技术
声纳(Sonar)-Sort for 声导航和测距-已远远超出其最初的军事潜艇探测应用,发展成为现代海洋学和海洋管理的基石,技术的运作是向水柱中发射声脉冲(平流),然后测量从物体或海底返回回声所需的时间,这些回声经过处理后,生成从广阔的珊瑚礁到单个鱼群的水下特征的详细图像。
现代声纳系统分为两大类: 活性声纳,它投射自己的声信号,以及[被动声纳[,它倾听海洋生物或船只发出的声音。
- 单束回声声器[ – 提供水柱的单垂直剖面,常用于鱼群评估.
- Split-束回声声器 –提供鱼靶强度(大小)和位置的精确估计,对于丰度计算至关重要.
- 多波束声纳[] – 以扇形图案表示多波束,生成高分辨率测深图,为栖息地测绘理想.
- Side-scan sonar – 拖在海底附近,它创造了底质和物体的详细图像,对考古遗址和海底生境分类很有价值.
- 合成孔径声纳(SAS) – 高级版本,使用平台运动实现极高分辨率,可用于探雷和深海勘测.
基于游泳膀胱形态学和校训行为区分物种的能力,结合声学反散分析[,使声纳成为海洋科学不可或缺的工具.
渔业管理中的应用
渔业管理依靠准确、及时的数据来确定可持续渔获量限制和保护产卵种群。
估计鱼类种群规模
使用分波束回声声声器的渔业声波测量已成为评估具有商业重要性的中上层物种生物量的金本位标准,例如[白令海的壁眼花粉囊[、大西洋 ⁇ [和太平洋海克]太平洋海克。声波信号被校准,将回声能量转化为鱼类密度估计,然后扩大至总种群规模。例如,NOA阿拉斯加渔业科学中心每年进行声波纹测量,覆盖50多万平方公里,为世界上最大的可持续渔业之一提供了支柱。
减少副渔获物
副渔获物——意外捕获非目标物种——是对海洋生物多样性的主要威胁。 配备声纳的渔船可以使用特定物种的声学特征来避免诸如海龟、海洋哺乳动物和幼鱼等脆弱物种的聚集[。实时显示可以让跳伞者改变净部署地点,大大减少不必要的捕获量。 创新系统,如 Exclear FLEX 利用声纳和相机数据组合自动触发逃生板,在一些捕虾拖网中将副渔获物削减高达90%。
寻找繁殖地和监测移徙情况
季节性产卵聚合对生殖成功至关重要。 机动声纳测量[帮助科学家准确地确定诸如大西洋鳕鱼[和蓝鳍金枪鱼[]等物种的位置,从而能够在脆弱时期进行空间封闭。 长距离声纳阵列可以通过河口和沿海走廊跟踪迁徙的鲑鱼,提供数据以优化孵化物释放并管理捕食者的影响。
对海洋养护的贡献
除了渔业之外,声纳已成为基于生态系统的养护努力的核心工具。 高分辨率声学数据使科学家、非政府组织和政府机构能够:
跟踪海洋哺乳动物
半导体声学监测阵列,往往与海洋滑翔机结合,可以全年探测鲸目动物,包括濒危北大西洋右鲸[和蓝鲸[[]. 研究人员可以识别物种,估计群大小,追踪数千公里以上的移动情况。这些数据直接告知船只速度限制和航道迁移以减少船只撞击。例如,NOA Right Whale Slow Zone[ 方案使用实时声学探测来发布动态管理警报。
生境绘图和关键生境
多束和侧扫描声纳[ 绘制测深和反散射图,揭示海底的复杂性和底物类型,这些地图对于确定关键生境,如冷水珊瑚礁、海草床和海绵场[]至关重要,在深海,光从未穿透,声纳是绘制生物热点图的唯一实用方法。全球海草测绘倡议[依靠声纳衍生的深度模型来估计碳储存潜力并指导恢复项目。
海洋保护区的设计和监测
有效的海洋保护区需要了解生境、物种分布和连通性。 声纳调查提供了界定海洋保护区界限所需的基线地图,并带有科学的严谨性。 设计后、反复的声波调查监测了鱼类生物量、海底完整性和入侵物种入侵的变化。 一个显著的成功是哈瓦伊的帕帕哈纳乌穆库哈凯亚海洋国家纪念碑,声纳测绘帮助了纪念碑管理团队在禁止捕鱼后追踪到最高掠食者的恢复。
环境关切和挑战
声纳的部署虽然带来巨大的好处,但并非没有争议。 最令人关切的是强烈的主动声纳对海洋哺乳动物和其他具有声学敏感性的物种的影响。
主动声纳对海洋生物的影响
高功率军用声纳(如235 dB re 1 μPa at 1 m)与喙鲸的质量搁浅和杀死鲸和海豚的行为干扰[有关,即使是低强度科学回声器也会导致暂时的听力阈值转移或避免行为,效果并不统一:具有特殊听力(如一些海豚)的物种比其他物种更容易受伤害. 自然科学报告的研究显示,反复接触会导致慢性压力,降低测距效率.
缓解措施和条例
为了减少伤害,诺阿、国际海事组织(海事组织)和国家海军等机构都通过了严格的缓解议定书:全功声纳运行前的坡道式升降程序、激活前的海洋哺乳动物视觉观察以及敏感生境周围的禁区。 新兴规章要求对大型声纳项目进行环境影响评估。 技术修正包括低频有效声纳减缓速度较慢但降低峰值压力,以及限制接触非目标区域的方向束。
未来方向和创新
下一代声纳技术旨在平衡对详细声学数据的需求与生态责任。
- 低强度被动声学系统 — — 这些声音不是放声,而是被动地听自然鱼和哺乳动物的声音,消除扰动的风险。 信号处理的进步现在允许被动系统估计生物量甚至物种组成。
- 具有优化声纳的自主水下飞行器[ – 配备微型回声器的小型AUV和滑翔机可以勘测偏僻或敏感区域,而不会受到母舰的噪音污染,其低速和小声学足迹可以减小影响.
- 机器学用于物种识别 – 接受过数千个声学回散剖面剖面培训的神经网络现在可以区分密切相关的鱼类物种,从而能够实时避免副渔获物,并进行更准确的种群评估.
- 多频和宽带声纳[] – 通过传输频率扫描,这些系统收集了更多关于目标形状和物质构成的信息,改善了物种歧视,同时使用了较低的整体能量.
- 与卫星和其他遥感数据结合 – 将声纳地图与海洋颜色,温度,叶绿素数据相结合,创造了动态生态系统模型,管理人员可以用来预测由于气候变化导致的鱼类分布变化.
国际海洋考察理事会(海考会)公布了关于渔业声学最佳做法的准则,其中纳入了这些技术,确保各国的一致性和可比性。
结论
声纳技术已经从军事秘密发展成为开放科学的工马,为渔业管理和海洋养护提供关键数据。 通过提供高分辨率的非采掘观测水下世界,声纳可以赋予科学家和决策者在人类收获与生态系统保护之间达成平衡的知情决定。 然而,揭示海洋秘密的声波也可以扰乱其居民。 负责任的使用 — — 以强有力的缓解措施为指导,持续创新更安静的系统,以及适应性管理 — — 是在最大限度地减少伤害的同时实现利益最大化的关键。
随着气候变化、过度捕捞和生境破坏对海洋的压力加剧,声纳的作用只会增加。 未来不在于放弃强大技术,而在于对其进行改进,使其更能揭示和更加尊重它所监测的生命。 持续地投资于研究和国际合作,声纳仍将是了解和保护我们未来世代的蓝色地球的重要工具。