1.什麼是魚探？ 2.基本水產音響學 3.魚探計量理論 4. EK60軟體操作 5. 測驗 (Quiz)

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1 1.什麼是魚探？ 2.基本水產音響學 3.魚探計量理論 4. EK60軟體操作 5. 測驗 (Quiz)

2 Sonar: Sound Navigation and Ranging
Echosounder 魚探, 聲探 Fishfinder 魚探 Horizontal Sonar 水平式魚探 Sonar 聲納

3 Transducer (音鼓) + +

4 Basic acoustic system

5 Acoustic Data: amplitude, time
How do you identify targets?

6 Typical Echogram (回波圖判讀)

7 Typical Echogram (回波圖判讀)

8 1.什麼是魚探？ 2.基本水產音響學 3.魚探計量理論 4. EK60軟體操作 5. 測驗 (Quiz)

9 聲速、頻率、波長

10 聲波波長計算 c=λf λ=波長=音速/f Ex.c=1450～1550 m/s Ex. F=10KHz then λ=1500/10000

11 水中聲速

12 超音波 vs 可聽音

13 Frequency of Sound 介質中任意點之壓力(p)與周圍環境壓力隨sin(ωt)函數變化, t=時間,ω=聲波震盪之角頻率(Angle freq.) f=ω/2π,f=頻率(Hz, KHz)

14 魚探頻率(f) ω (角頻率)=2πf 魚探發射之聲波頻率在10KHz-400KHz之間： 頻率越高：探測範圍越窄、取樣水容積越小。
頻率越高：對size越小之生物敏感。 ω

15 聲波頻率與最大探測距離

16 不同海洋生物對不同音波頻率的反射強度特性
有鰾魚 翼足類 櫛水母 10kHz 1kHz 38 KHz 120 KHz 200 KHz 420 KHz 橈足類 To low 糠蝦

17 脈波、脈波長、發射間隔 魚探實際發射的聲波是脈衝波(Pulse)，即在很短暫的時間內發射聲波，大部份的時間沒有發射任何聲波，發射間隔(Pulse repeating frequency or ping interval)。 脈波延遲時間

18 脈波長計算

19 脈波長對魚探性能的影響 長脈波的好處：探測距離增加、生物層群體反射加強、頻寬變窄致雜音干擾降低
長脈波的壞處：距離分解能下降、海底附近魚體辨別困難、生物層細微訊息失真

20 最小辨別距離

21 請問哪一段所使用之脈波延遲(Pulse Duration)最長?
C A B

22 脈波長對頻寬的影響 一般所稱魚探機或聲納之頻率指中心頻率or共振頻率(resonant freq),具有一定頻寬,其頻寬與pulse duration(τ)有關: 頻寬(BW)=2τ-1 e.g. f0=10 KHz,τ=1ms 則 BW=2KHz f=9-11KHz

23 脈波長越短愈易受干擾 F=200KHz BW=40KHz

24 音壓與強度 pressure & intensity
音壓(p)指作用於單位面積之作用力,水中聲音常用之單位為μPa: 1 μPa=1 dyne/cm2 強度(intensity)為每秒鐘通過單位面積之能量,其與音壓之關係為: I=P2/ρc (=power/area) Ex. If p = 1 Pa ρ= 1 kg/m3 c = x m/s Then I= x W/m2 per sec

25 與電學之歐姆定律類似:W=A2R=V2/R 音能(音強度)I～電功率 W 音壓 P～電壓 V ρc(音阻)～電阻 R

26 分貝(decibels):音強度慣用單位
dB = 1/10 Bel =10 log (I/I0) =20 log (P/P0) 每增加10分貝,音強度(I)增加10倍 每增加20分貝,增加100倍 每增加30分貝則增加1000倍

27 dB為描述兩組音強度(Intensity)之比值關係,為一相對單位,與一般常用之cm, Kg, Km, sec等度量單位不同。
Decibel (dB)= 1/10 Bel = 10 log (I/ I0) = 10 log (W/W0) = 20 log(P/P0) = 20 log(V/V0)

28 Why decibels ? 分貝須交代參考值為何: e.g. 10 dB/re μpa (水中聲音常用,若不交代即是)
1 dB/re 1v 1 dB/re 1mv Why decibels ? 音波之損失,衰減,增益變化極大,將之轉換為dB,可縮小數值之變化,簡化數學運算,將乘除的運算簡化為加減之運算 以符合人類官感的認知，方便瞭解現象

29 NdB = 10 log (I2/I1) Source Level (音源強度或音波發射強度): 指距音鼓 1m處所測得之音壓,以該處測得音壓為1μPa時為0dB。例如測得之音壓為 Pa SL=10 log (200000/ )2 =20 log (200000/ ) =226 dB//1μPa (re 1μPa) =106 dB// Pa (re 1 Pa)

30 習 題 (1)230dB//μpa = dB//pa = Pa
習 題 (1)230dB//μpa = dB//pa = Pa 230dB// μpa = 10(230/20) μpa = 10(230/20)*10-6 pa = 20 log (10 (230/20)*10-6 ) dB//pa = 20 log(105.5) =110 dB//pa (2)120dB//kW = dB//W = W 120dB//kW=10 (120/10) kW = 10 (120/10)*10 3 W =10 log =10log 1015= 150 dB//W (3)90dB//μpa = μpa = dyne/cm2

31 聲波傳播損失 傳播損失 吸收損失

32 聲波傳播損失

33 傳播損失補正 TVG：Time Varied Gain (時間增益)，使Echogram符合實際

34 習 題 海水之吸收衰減係=10dB/km,則音波行進500m之傳播損失為?dB,若發射音源強度為200dB,則音波往返各500m後之音強度為? hint: log5=0.70 (1) TL = αR + 20 log R =10*(500/1000)+20 log 500 = 10*0.5+20*(2+log 5) = = 59 dB (2) EL = SL – 2TL = SL -2αR - 40 log R = 200 – 2*59 = 82 dB

35 音波的指向性 Directivity 音鼓震動為點波源陣列 信號相位差

36 3點波源(直線排列)波峰波谷加強效應及形成之方向性

37 一維陣列等音壓線圖 一維陣列音強度分佈

38 音鼓的音壓分佈實際方向性 (主波與副波)

39 等價音束角(Equivalent beam angle)
音束指向性損失因子 等價音束角(Equivalent beam angle) 10logΨ= dB 實測 10logΨ= dB 理論

40 補償指向性損失 (分割波束音鼓)

41 分割波束法(Split beam) Ir=σI0b2(θ,ψ)e-2βrr -4 σ=I0Ir-1b2(θ,ψ)e-2βrr -4
利用兩兩象限之回訊信號相位差計算θ,ψ

42 水中物體的聲波反射 (極端狀況) Large Target (Reflection) Small target (Scattering)

43 Target Strength (標物反射強度)的定義
水中物體的聲波反射 (一般狀況) Target Strength (標物反射強度)的定義 一般式 ts = Ir / Ii =σ/4π Ir : 離標的魚體1m所測得之反 　　射音強度 Ii :入射音強度 σ:等價截面積(equivalent cross-section;m2) or 背向散亂截面積 (back-scattering cross-section) σ= 4πIr / Ii 對數式TS = 10 ㏒ ( Ir / Ii ) 　 = 10 ㏒ (σ/4π)

44 影響TS之因素 除了體長以外,影響TS之因素有: 魚種因素 ---魚鰾,組織,體型…. 行為/生理因素
---姿勢(音波入之入射角度),垂直洄游(魚鰾體積),攝食(飽胃/空胃),性成熟度,肥滿度….

45 haddock黑線鱈 cod herring mackerel sandeel herring mackerel 箱網內TS實測

46 Single target 聲納方程式 EL= SL + TS + 20logb(θ,ψ)- 2αR-40log R
EL:echo level 回音強度 SL:source level 音源強度 TS:target strength 標物反射強度 =10log (σ/4π) 2αR+40log R: 往復傳播損失 20log (θ,ψ) :往復指向性函數 (以上各項之單位均為分貝dB)

47 習題 一尾鯖魚之TS為-46dB,距音鼓500m,聲探之音源強度為200dB//uPa,吸收係數為15dB/km,若魚體位於音軸上,則魚體反射音壓為(距離魚體1m處)?音鼓接收之音壓為? EL1= SL + TS + 10 log b(θ,ψ)-αR- 20 log R = x log500 = = 92.5dB//μPa = 42170μPa (=1092.5/20) EL2= SL + TS + 20 log b(θ,ψ)-2αR- 40 log R = EL1 - αR- 20 log R = = 31dB//μPa = 35.5μPa (1031/20)

48 習題 同上,若魚體位於(θ,ψ)上, b(θ,ψ)=0.5,音鼓接收之音壓為? EL= 31 – 20 log 0.5 = = 25dB//μPa = 17.8μPa (=1025/20) 若魚體出現之位置(θ,ψ)未知, directivity index 10logb=-15dB,則音鼓接收之音壓為? EL= 31-2*15 =1dB//μPa=1.12μPa (101/20)

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50 計量基礎：水體總反射=單體TS之加總

51 Multiple Target (考慮音鼓指向性)
b2 b2 b2 b2 b

52 聲納方程式(群體魚) multiple target I～(Σσjbj2)I0R-4 e-2BR 其中σj=第j條魚之散亂截面積
bj2 =bj2(θj,φj)=第j條魚之往復指向性函數值,在beam內之角度為(θj,φj) n=單位殼層(cτ/2)內之魚尾數 n 1 1

53 聲納方程式(群體魚) 單位殼層體積內之魚群密度為: ρ=n/[R2 Ψ cτ/2] 聲納方程式改寫為
I～ n I0σb2 R-4 e-2βR ～ I0 ρΨτσR-2 e-2βR EL=SL+10㏒ρ+TS+20㏒Ψ +10 ㏒τ-20 ㏒R-2αR

54 習題 TS為-46dB的鯖魚一群,密度為100尾/m3,距音鼓500m,聲探之音源強度為200dB//μPa,脈波延遲為10ms,20㏒Ψ=-26dB,吸收係數為15dB/km,則音鼓接收之音壓為? EL= SL+TS+10logρ+10log Cτ+20logΨ-2αR-20logR = x15x0.5-54 = 90.7dB//μPa 10 log Cτ=10 log(1500 * 0.01)=10*1.17

55 能量積分法(Echo Integration)
EL=SL+10㏒ρ+TS+20㏒b(θ,ψ)-2αR-20㏒R+10㏒cτ SV= 10㏒ρ+TS = EL-SL- 20㏒b(θ,ψ)+2αR+20㏒R-10㏒cτ

56 Elementary Sampling Distance Unit (ESDU=1 n.mi)
INTEGRATOR Integr. Per Trans. Transmissions R2 ECHO SOUNDER TVG Squarer mile Speed compensation GPS ：Volume Backscattering strength R 1 2 3 m

57 常用兩種指標代表水體中生物量情況 1 2 Sv: 水體總反射強度 Sa: 總反射截面積(m2/平方浬)，代表總量多寡
TS= Target strength (dB) σbs= 10 TS/10 r= depth to the target Ψ=equivalent beam angle (dB) Ψ= 10 dB.value/10 2 Sv: 水體總反射強度，可換算為密度 Sv=10 log D +TS D: 密度 (ind/m3) Sv: 水體總反射強度 Sv=10 log D +TS D: 密度 (ind/m3)

58 習 題 聲納程式中SL=220dB,τ=20ms, DI=-12dB,α=10dB/km,今水深100m處一群鯖魚群的回音強度為110dB,若鯖魚之平均TS為-40dB,則此魚群密度為若干？(10%) hint: log3=0.48 EL=SL+10㏒ρ+TS+20㏒b(θ,ψ)-2αR-20㏒R+10㏒Cτ 110= logρ *10*0.1-20log100+10log 0.02*1500 110= logρ 10logρ= ρ= fish/m3

59 習 題 若某魚群之平均TS=-60dB，當某一水層之體積散亂反射強度SV(Volume backscattering strength)=-80dB時，該水層之魚群密度為 ? 尾/m3,若魚群之平均TS=-50dB,則該水層之魚群密度成為 ? 尾/m3 SV = 10 log d + TS -80 = 10 log d - 60 d = 10-2 fish/m3 -80 = 10 log d – 50 d = 10-3 fish/m3

60 Example (Density Variation Info)
釣船集魚燈下魚群群集密度 (10 Hr)

61 Example (Cont.) Davg=0.059 魚群集密度計算

62 Example (TS distribution)

63 Example (Average TS)

64 Example (Sa distribution)

65 Example (Density for single species)
Fish/m3

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67 EK60系統組成 BI60 ER60 原廠軟體BR60/BI60 可滿足基本需要。
若需更多功能，則須EV或Sonar 5，但所費不貲，僅以原廠軟體教學。 BI60 EchoView Sonar 5 etc. ER60 後處理 軟體課堂提供 38 KHz 120 KHz

68 EK60系統的操作軟體ER60畫面組成 簡要操作課堂說明 PRF 38KHz 回波圖 單體 數值 偵測 顯示 單體TS分佈 海底 深度
航行資訊

69 OR2 EK60參數設定 Item 參數 說明 預設值 發射部分 Power
視水深需求機動調整，最高2000W，38KHz探到4000m深度不成問題。 由探測技士調控 Ping interval 系統之發射間隔會隨海底深淺自動調整，但脈波發射間隔經設定為定值後，即使水深變淺，發射間隔最快不會快過此值。 5/9秒(預設值) 若有特殊需求須告知探測技士 Pulse duration 脈波延遲時間之主要影響反射物的垂直鑑別率，短脈波較易獲得清晰之單體反射，長脈波可提升最大探測水深之範圍。 海底偵測部分 Minimum range 設定自動偵測的最淺水深。若DSL遮蔽了海底，可更改此值避開。 0 m(預設值) Maximum range 設定自動偵測的最深水深。超過此深度之海底會被忽略。 1000 m(預設值) 由探測技士調控至最佳狀態 Level 判斷海底反射的最小值，海底反射必須高於此值。海地反射強度太低時須調低此值。 -50 dB(預設值) 收錄部分 EK60的脈波原始檔(Raw file)收錄的最大水深範圍。 若要超過1000m，應告知探測技士更改設定。

70 EK60後處理操作軟體ER60畫面組成 簡要操作課堂說明 數值模式 區段 TS偵測數 選取區塊 TS/SA累計 水體SA 總計 SA累計
海底放大 區段 TS偵測數 SA累計 海底SA

71 簡要操作課堂說明 處理 與 輸出 選擇處理區塊 TS/Sa等數值輸出

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