NO340704B1 - Kontinuerlig kontinentalsokkelsmålestokkovervåkning av fiskebestander og atferd - Google Patents

Description

Fiskebestander er nedgående over hele verden, likevel er tilnærminger til å studere fisketallrikhet og atferd sterkt avhengig av unøyaktige lokale sonar og innfangning-trålfiskemålinger. Særskilt er fisk i kontinentalsokkelomgivelser blitt overvåket via linjetransektteknikker fra saktegående forskningsfartøyer, disse teknikkene under-sampler fiskebestander betydelig i tid og rom, og gir et ufullstendig tallrikhet og atferds-bilde. Konvensjonelle fiskefinnende sonar (CFFS) arbeider i 10-500 kHz området og måler den lokale dybdefordelingen av fisk ved hjelp av ekkolodding innenfor en smal, nedover rettet stråle langs linjetransekten til et saktegående forskningsfartøy. Typiske systemer kartlegger habitater ved hastigheter i nærheten av 0,2 km /time, hvilket er tilsvarende kartleggingshastigheten til innfangnings-trålefiskefartøyer. Kartlegnings-hastigheter kan økes med grovt sett en størrelsesorden med konvensjonell sidesøkende sonar, som kun utnytter loka, lineære, vannbårne utberedelsesveier. I motsetning er isolerte fiskestimer ofte vidt atskilt i rom og vanskelig å oppdage ved hjelp av konvensjonelle fremgangsmåter. Små stimer som strekker seg over hundrevis av meter i diameter er kjent å gjennomgå hurtig variasjon i størrelse og fasong. Store stimer strekker seg ofte over titalls til hundretalls av kvadratkilometer og kan også gjennomgå drastiske morfologiske endringer, inkluderende fragmentering og gruppedannelse, perioder på mindre enn 1 time.

Følgelig er måling av størrelse, romlig fordeling, og tidsmessig utvikling av fiskestimer generelt ikke gjennomførbart med konvensjonelle fremgangsmåter. Fisken er for vidt spredt og, i løpet av en måling ved hjelp av CFFS, vil deres romlige konsentrasjoner og fordelinger endres dramatisk.

De følgende publikasjonene beskriver relevant bakgrunnsteknikk.

RATELAL P. et al., Long range acoustic imaging of the continental shelf environment: The Acoustic Clutter Reconnaissance Experiment 2001, The Journal of the Acoustical Society of America, 2005.04, vol. 117, sidene 1977-1998.

US 4446542 A beskriver et akustisk, oseanisk måleinstrument som benytter lydintensitetsmålinger til å lokalisere og måle oseaniske anomaliteter.

RA1TLAL P. et al., Fish population dynamics revealed by instantaneous continentalshelf scale acoustic imaging, The Journal of the Acoustical Society of America, 2005.04, vol. 117, nr. 4, side 2382.

MAKRIS N. C. et al., Continuous wide area monitoring of fish shoaling behavior with acoustic waveguide snesing and bioclutter implications, The Journal of the Acoustical Society of America, 2004.05, vol. 115, nr. 5, side 2619.

ABROSIMOV D. I. et al., Tomographical reconstruction of oceanic inhomogeneities. 2. Applications of partially coherent acoustic wave structures to Fresnel diffraction and differential tomography, 'Challenges of Our Changing Global Environment'. Conference Proceedings. OCEANS '95 MTS/IEEE, 1995.10.09, vol. 3, sidene 1476-1482.

MASAfJJKO F., DESIGNING QUANTITATTVE ECHO SOUNDERS, The Journal of the Acoustical Society of America, 1991.07.01, vol. 1, sidene 26-36.

Den foreliggende oppfinnelse tillater kontinuerlig overvåkning av områdebestandtetthet og detaljert atferd av fisketimer og deres samvirkning ved korte (for eksempel et minutt) intervaller over kontinentalsokkelmålestokkområder som spenner over tusenvis av kvadratkilometer ved hjelp av havakustisk bølgelederfjernføling. Dette er mulig fordi den foreliggende oppfinnelse avhenger på egenskapen til gitte geofysiske omgivelser, slik som kontinentalsokler, øyer, etc. til å opptre som akustiske bølgeledere hvor lyd forplantes over lange rekkevidder via fangede modus som kun gjennomgår sylindrisk spredningstap, i motsetning til det sfæriske tapet undergått i CFFS overføring. Oppfinnelsen kan også brukes i dypt vann bort fra kontinentalsokkeler ved å stole på variasjoner i vannkolonnelydhastigheten til å danne en bølgeleder.

For å danne et øyeblikkelig bilde i overensstemmelse med oppfinnelsen, kan bølge-ledermoduser eksiteres uniformt i asimut ved hjelp av en vertikal kildegruppe som anvender en pulsert, fortrinnsvis kort bredbåndoverføring. Spredte returer fra omgivelsestrekk mottas deretter kontinuerlig ved hjelp av en horisontal linjegruppe og kartlagt i avstand og retning (for eksempel ved hjelp av tidstilpasset filtrering og stråleforming). Det resulterende bildet er et momentant øyeblikksbilde av havmiljøet over de toveis reisetidene av signalreturene. Oppfinnelsen er nyttig i å lokalisere og karakterisere fisk med eller uten svømmeblærer, og kan anvendes til å oppdage, avbilde og lokalisere andre marine skapninger slik som krill.

Følgelig, i et første aspekt fremviser oppfinnelsen en fremgangsmåte for å karakterisere en fiskebestand. Fremgangsmåten innbefatter å danne, innenfor et akvatisk miljø, horisontalt rettede akustiske signaler via fangede modus hvorved signalene med tiden gjennomgår sylindrisk spredningstap, hvor de akustiske signalene har frekvenser under 10 kHz som får en fisk til å spre de akustiske signalene hovedsakelig omnidireksjonalt, å motta tilbaksendingsakustiske signaler stimulert eller eksitert ved hjelp av de dannede akustiske signalene, og å tolke returakustiske signalene slik at fiskebestanden detekteres og karakteriseres, hvori tolkningen omfatter å bestemme en målt spredt intensitet av de returakustiske signalene i et oppløsningsfotavtrykk, etablere en fiskemålstyrke og, basert på dette, identifisere retursignaler som indikerer en fiskepopulasjon, hvori fiskemålstyrken er basert på en totalspredningsareal av fisk innenfor resolusjonsfotavtrykket bestemt ved å dividere kilde og transmisjonsfaktorene fra kvadratet av absoluttverdien av den målte spredde intensiteten.

I noen utførelser er de akustiske signalene pulset. Fortrinnsvis er de dannede akustiske signalene asimutisk uniforme og utbres innenfor avgrensende geofysiske trekk som fungerer som en bølgeleder, slik som havbunnen og havatmosfæreoverflaten. Bølgelederen kan også opptre fra variasjoner i vannkolonnelydhastigheten.

Fortolkningstrinnet innbefatter fortrinnsvis tidstilpasset filtrering og stråleforming, denne tilnærmingen kartlegger tilbakemeldingsakustiske signalintensiteter til den horisontalt romlige posisjonen til spredningstrekket som returnerte dem, hvorved et bilde av tilbakesendingsakustiske intensiteter dannes. Trinnet kan også inkludere å kompensere for toveis bølgelederoverføringstap, oppløsningsfotavtrykk, fiskemålstyrke, og kildeeffekt. I noen utførelser innbefatter fortolkningstrinnet å opprette en fiskemålstyrke og, basert derpå, å identifisere tilbakesendingssignaler som angir fiskebestander. Dette kan innebære å fastsette målstyrker av ulike fiskearter og skille blant ulike fiskebesetninger basert på de fastsatte målstyrkene, og å fastsette områdebestands-tetthet av fiskegruppene. I noen utførelser kan fortolkningstrinnet også innebære log-transformering av tilbaksendingsakustiske signalintensitetene for å omforme retursignalavhengig prikkstøy (fra engelsk speckle noise) til retursignaluavhengig tilleggsstøy, hvorved mønstergjenkjenning av fiskemålstyrke eller besetningsfordelinger optimaliseres.

Karakteriseringen opptrer typisk (selv om ikke nødvendigvis) over en region som har et areal større enn 25 km<2>. De dannede akustiske signalene utbres, og returakustiske signalene spender, fortrinnsvis over 360° i asimut. De kan dannes fra en vertikal innrettet gruppe av akustiske kilder utplassert innenfor det akvatiske miljøet. En horisontal spalte i kildegruppen kan brukes til å rette de dannede akustiske signalene mot gitte foretrukne asimut i noen utførelser.

Trinn kan tas for å optimalisere bølgelengden av de akustiske signalene. For eksempel kan den optimaliserte bølgelengden være stor nok slik at returakustiske signalene uttrykker produktet av (i) en faktor som representerer overføring til en fisk, (ii) en faktor som representerer spredning fra fisken, og (iii) en faktor som representerer overføring fra fisken. Den optimaliserte bølgelengden kan være slik at fjernveltrekkevidden til de akustiske signalene er kortere enn en middelavstand mellom fisken som skal karakteriseres. I noen utførelser er den optimaliserte bølgelengden slik at skyggelengden fra fisk som skal karakteriseres er mindre enn middelavstanden mellom fisken. Den optimaliserte bølgelengden kan velges slik at returakustiske signalene er uavhengige av aspektet til enhver individuell fisk. Den optimaliserte bølgelengden kan velges slik at den totale akustiske dempningen forårsaket av bølgelederspredning (mange innfallsvinkler inn og ut) fra fisk eller fiskegrupper er mindre enn 1 dB. (CFFS systemer drives typisk ved mye høyere frekvens og kan ha betydelig dempning i utberedelsen selv gjennom veldig små fiskestimer, hvilket fører til betydelige feil i bestandberegning). Den optimaliserte bølgelengden og akustiske signaleffektnivået kan velges slik at returakustiske signaler fra fisk overstiger et omgivelsesstøynivå ved et maksimalt deteksjonsområde ved i det minste 5 dB. Det maksimale deteksjonsområdet kan overstige titalls kilometer eller mer. Den optimaliserte akustiske bølgelengden kan velges slik at spredning fra fiskegrupper eller andre marine skapninger overstiger havbunnsspredning ved den maksimale deteksjonsrekkevidden.

Foranstaltninger kan tas for å optimalisere bølgeledermodusene stimulert av kildegruppen for å maksimalisere returakustiske signaler fra fisk og til å minimalisere returakustiske signaler fra havbunnen. I noen utførelser kan etterfølgende bilder av returnert akustisk signalintensitet, fiskemålstyrke eller områdebestandtetthet, om ønskelig sammenkjedes i en film.

Oppfinnelsen kan karakterisere et totalområde opptatt av en oppdaget fiskegruppe, og identifisere et bestandsentrum i fiskegruppen. Dette kan igjen brukes til å oppdage hastigheten til fiskegruppen ved tidsdifferensiering av det identifiserte bestandsenteret. Hastighetsvektorer til hele feltet med fisk kan også bestemmes ved hjelp av tid og romdifferensiering etterfølgende massens bevaring, og omgivelsens trykk på fisken som forårsaker dem å bevege seg kan også kvantifiseres etterfølgende momentbevaring. Alternativt kan hastigheten til en fiskegruppe beregnes basert på Dopplerfrekvensskift på returakustiske signalene.

I et annet aspekt kjennetegnes oppfinnelsen av en anordning for å karakterisere en fiskebestand. Anordningen innbefatter en overføringsinnretning for å danne, i et akvatisk miljø, horisontalt rettede akustiske signaler via fangede modus hvorved signalene gjennomgår sylindrisk spredningstap, hvori de akustiske signalene har frekvenser under 10kHz som får en fisk til å spre de akustiske signalene hovedsakelig omnidireksjonalt, en mottager for å motta returakustiske signaler stimulert av de dannede akustiske signalene, og en analysemodul for å fortolke de returakustiske signalene slik at fiskebestanden detekteres og karakteriseres, hvori tolkningen omfatter å bestemme en målt spredt intensitet av de returakustiske signalene i et oppløsningsfotavtrykk, etablere en fiskemålstyrke og, basert på dette, identifisere retursignaler som indikerer en fiskepopulasjon, hvori fiskemålstyrken er basert på en totalspredningsareal av fisk innenfor resolusjonsfotavtrykket bestemt ved å dividere kilde og transmisjonsfaktorene fra kvadratet av absoluttverdien av den målte spredde intensiteten.

Dette kan oppnås i sanntid eller ved etterfølgende analyse. Denne innretningen danner fortrinnsvis asimutisk uniforme akustiske signaler, som ideelt utbres 360° i asimut, og som kan være pulset. I noen utførelser, fortolker analysemodulen de returakustiske signalene ved hjelp av tidstilpasset filtrering og stråleforming. Overføringsinnretningen kan, for eksempel innbefatte en vertikalt orientert gruppe med akustiske kilder. Kildegruppen kan sende et romlig filtrert signal for å optimalisere returakustiske signaler fra fisk eller marine skapninger og minimalisere returakustiske signaler fra havbunnen. Ønskelig har de dannede signalene en bølgelengde og effektnivå felles optimalisert slik at returakustiske signaler fra fisk overstiger et omgivelsesstøynivå ved en maksimal deteksjonsrekkevidde med i det minste 5dB.

Analysemodulen kan være konfigurert til å kompensere for toveisbølgeleder-overføringstap, oppløsningsfotavtrykk, fiskemålstyrke, signalavhengig støy og kildeeffekt. I noen utførelser er analysemodulen konfigurert til å fastsette en fiskemålstyrke og, basert derpå, identifisere retursignaler som angir fiskebestander. I dette henseende kan analysemodulen være ytterligere konfigurert til å fastsette målstyrker av ulike arter fisk og å skille blant ulike fiskebestander basert på de fastsatte målstyrkene, og å fastsette områdebestandtetthet av fiskegruppene. I noen utførelser er analysemodulen konfigurert til å optimalisere en bølgelengde av de akustiske signaler som beskrevet ovenfor.

Analysemodulen kan være konfigurert til å karakterisere den totale bestanden av fisk i et gitt område og variasjonene av denne bestanden over tid. Analysemodulen kan være konfigurert til å karakterisere et totalt område besatt av en detektert fiskegruppe og, om ønskelig, et bestandsenter av fiskegruppen. Analysemodulen kan ytterligere være konfigurert til å detektere hastigheten til en fiskegruppe ved hjelp av tidsdifferensiering av det identifiserte bestandsenteret. Analysemodulen kan ytterligere være konfigurert til å bestemme hastighetsvektorer av et helt fiskefelt ved hjelp av tid og romdifferensiering etterfølgende massebevaring, så vels om omgivelsens press på fisken som forårsaker den å bevege seg ved å bruke momentbevaring. Alternativt kan analysemodulen estimere hastigheten av en fiskegruppe basert på Dopplerfrekvensskift av de returakustiske signalene.

Anordningen kan også inkludere bildebehandlingsmodul for å danne bilder av en fiskebestand basert på de returakustiske signalene. Bildebehandlingsmodulen kan konfigureres til å opprette et romlig spektrum av fiskebestanden. Billedbehandlings-modulen kan, om ønskelig, være konfigurert til å sammenkjede etterfølgende bilder til en film. Bildebehandlingsmodulen kan, om ønskelig, være konfigurert til å beregne tidsserier av fiskebestand, fiskegruppeområde, fiskehoved og underakser innenfor et gitt område, så vel som spekteret og korrelasjonslengder av disse tidsseriene.

Den foregående beskrivelsen vil letter forstås fra den følgende detaljerte beskrivelsen av oppfinnelsen når sett i forbindelse med de vedlagte tegninger, hvori: Fig. 1 skjematisk illustrerer avbildningsfeltet til et system i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse, i kontrast med et CFFS spor.

Fig. 2 illustrerer skjematisk en anvendelse av den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 3 illustrerer skjematisk et databehandlingssystem i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse.

Grunntilnærming

I en eksempelvis realisering er posisjonen til kilden og mottageren kjent, og tidspunktet for kildeoverføring er kjent. Spredte returer fra omgivelsestrekk slik som fisk mottas deretter kontinuerlig av en horisontal linjegruppe og kartlegges i horisontal rekkevidde og retning, fortrinnsvis ved hjelp av tidstilpasset filtrering og stråleforming ved å bruke de kjente utberedelseshastighetene for akustiske modus i havet (feks. som bestemt fra lokal lyshastighetsmålinger). Det resulterende bildet er et øyeblikksbilde av hav omgivelsen over de toveis reisetidene for signalreturene som favner 360° i asimut. Hver piksel i et slikt råbilde har enheter av lydtrykknivå i desibel relativt til et referansetrykk. Rekkeviddeoppløsningen er fast ved den midlere lyshastigheten, c=1475 m/s, delt med to ganger signalbåndbredden. Asimutisk oppløsning i radianer varierer med den akustiske bølgelengden X delt med den projiserte gruppelengdenLcosØ, der L er den fulle gruppelengden og asimutvinkelen 9 er null ved bredsiden, hvilket er normalt på gruppeaksen. Ved frontflate (fra engelsk endfire), parallelt på gruppeaksen, blir

oppløsningen grovt J— radianer. Fig. 1 gir en horisontal visning av oppløsningen og

VL

jevnfører dette med en CFFS linjetransekt. Som vist i fig. 1 har gruppen ikke en venstre høyre tvetydighet om sin akse fordi gruppen har noe apertur normal på sin lengdeakse for å gi to-dimensjonalitet til aperturen og derved eliminere denne tvetydigheten, for eksempel, som i en kardiogruppe eller taue to flerlinjegrupper. For en enlinjegruppe, med ingen aparture normal på gruppens akse, kan tvetydigheten løses både ved å endre mottagergruppens posisjon og orientering. Kontakflatestrålen i retning av tauingen er noen ganger ikke nyttig for omgivelsesavbilding ettersom den noen ganger er forurenset med støy fra taueskipet.

Et utvalgt av kildebølgeformen kan brukes, inkluderende lineær frekvensmodulert (lfm), hyperbolsk frekvensmodulert (hfm), og sinusformet eller konstant bølget (cw) sekvenser av pulser. De frekvensmodulerte bølgeformene, slik som lfms og hfms, er fordelaktige fordi de muliggjør pulskomprimering eller tilpasset filterteknikker å bli brukt som forbedret rekkeviddeoppløsning, signal-til-støyforhold, og singal-til-bakgrunsresonansforhold.

Overføringsgjentagelsesfrekvensen setter en grense på rekkeviddedekningen. En 50-sekdun gjentagelsesfrekvens tilsvarer omtrent 30 km radiusdekning for hvert øyeblikkelig bilde, mens en 100 sekunds gjentagelsesfrekvens tilsvarer omtrent 60 km radiusdekning, hvilket etterlater noe ikke-registreringstid mellom den forrige mot-tagelsen og den neste overføringen for å oppnå optimal innsamling. Både 50 og 100 sekund gjentagelseshastigheter er blitt brukt til fordel,

Utstyr

En typisk realisering er vist i fig. 2. En moret, tauet eller drivende kildegruppe 210 utnytter en eller flere vertikale lineære grupper 215 som hver inneholder en eller flere undervannsakustiske kilder, sender lyd ut over 360° i horisontal asimut. Bølgeleder- modus eksiteres ved hjelp av vertikal gruppekilde 215, som er opphengt, for eksempel 35-70 m under tauefartøyet. Kildegruppen anvender et romlig vindu for å stimulere modus som vil maksimere retur fra fisk og minimalisere retur fra havbunnen. En moret, tauet eller drivende mottagergruppe 220 inkluderer en eller flere horisontale lineære mottagende grupper 225 av hydrofoner (hver gruppe fortrinnsvis inneholdende flere hydrofoner for å muliggjøre å bestemme retningen av undervannsakustiske bølger). I eksempler vist i fig. 2, er denne opphengt for eksempel, 24-55 m under og 115-230 m bak et annet forskningsfartøy. Spredte returer mottas ved hjelp av en horisontal mottagergruppe 225. Generelt sett kan kilder og mottagere taues fra forskningsfartøy i bevegelse eller de kan være moret til havbunnen. Typiske havbunnsdybder er i området fra 70 m til 150 m i dette eksempel.

Anvendbare grupper av akustiske kilder eller mottagere kan ta en hvilket som helst egnet form som velkjent i faget. En typisk gruppe inkluderer en flytepakke, en til-koblingsline eller kabel, en kabelutløser, en dybdesensor, og en trykkapsling som huser kildene eller mottagerne, så vel som tilhørende styringselektronikk. Flytepakken kan, for eksempel, innbefatte en bøye eller flottør som fungerer til å støtte gruppen i en oppreist vertikal eller horisontal orientering. Det anvendes typisk flere dybdesensorer, men hvis en enkelthet brukes er den vanligvis posisjonert nær gruppen og, i tilfellet mottagergruppen, også elektrisk koblet til styringssystemet slik at dybdeinformasjon viderebringes for analyse sammen med akustiske signaler.

Med henvisning til fig. 3, et system 300 for å behandle signaler fra mottagergruppen 225 i overensstemmelse med oppfinnelsen begrepsmessig organisert som en serie av funksjonelle moduler inkluderende en signalbehandling og filtreringsmodul 310, som i overensstemmelse med konvensjonell praksis, reduserer støy og forbedrer undervannsakustiske data, en dataanalysemodul 320, som analyserer behandlede, digitaliserte signaler for å danne bilder i rekkevidden ved hjelp av tidstilpasset filtrering og i asimut ved hjelp av planbølgestråleforming, og, om ønskelig, en billedbehandlingsmodul 330 for å sammenstille eller ytterligere behandle bildene utmatet fra dataanalysemodulen 320. Bildene kan fremvises på et datamaskindisplay 340. Den foreliggende oppfinnelse anvender mindre sterk lyd enn CFFS, typisk med mer enn tre størrelsesordener. Den

c

oppnåelige rekkeviddeoppløsningen er Ar= — der c er middel havlydhastigheten i

2B

løpet av eksperimentet, og det er båndvidden av sendte signaler.

Moduler 320, 330 kan i helhet eller delvis realiseres som en del av en programvare som bruker et hvilken som helst egnet programmeringsspråk eller flere språk (C++, C#, java, FORTRAN, LISP, BASIC, PERL, etc.) og/eller som en maskinvareinnretning (for eksempel, ASIC, FPGA, prosessor, minner, lager og tilsvarende). Funksjonene utført av modulene 320, 330 beskrives i ytterligere detalj nedenfor.

Modusfiltrering med kilde gruppe

Den vertikale kildegruppen kan utformes til å filtrere modusene stimulert og utberedt inn i bølgelederen. Dette gjøres ved å nyansere amplituden og fasen for hvert individuelt element i kildegruppen i løpet av signaloverføring. Typisk er det fordelaktig å stimulere lavere ordensmodus i vannkolonnen med kildegruppen, ettersom disse har bølge-nummervektorer med mer horisontal orientering og således samvirker mindre, eller er innkommende med lavere vinkler på havbunnen og havoverflaten, hvorved returer fra havbunnen og havoverflateinhomogeniteter og trekk minimaliseres. Disse lavere modus fyller fortsatt vannkolonnen og gir sterke returer fra fiskebestander.

Lavere ordensmodus kan også stimuleres ved hjelp av fordelaktig posisjonering av kildegruppen i en omgivelse med kjent batymetri. Plassering av kildegruppen i grunnere dybder kan noen ganger være fordelaktig ettersom færre modus eksiteres, og disser er ved den nedre enden. Som et resultat, når disse modusene beveger seg inn i dypere vann, vil inngangsvinklene på havoverflaten og havbunnen være grunnere enn om kilden hadde blitt posisjonert i dypere vann, slik at returer fra havbunnen og havoverflaten igjen vil minimaliseres.

Utlede målstyrke av et enhetsområde og bestandtetthet

Den typiske utmatningen fra dataanalysemodul 320 er typisk en eller flere bilder av målstyrken til et enhetsområde i havomgivelsen, inkluderende fiskestimer og annet akvatisk liv. Disse bestemmes ved å kompensere de mottatte lydtrykknivåene for (i) toveis overføringstap i den rekkeviddeavhengige kontinentalsokkelbølgelederen (ved å bruke for eksempel parabolsk ligningsmodulering som beskrevet, for eksempel i Makris et al., Science 311:660-663 (2006) inkluderende det støttende onlinematerialet)), (ii) det romlig varierende oppløsningsfotavtrykket til OARS kildemottagersystemet, (iii) fiskemålstyrke, og (iv) kildeeffekt.

Havakustisk bølgelederspredningsmodell for et generelt mål

For illustrerende formål beskriver vi en normal modusformulering for det spredte feltet fra et generelt mål i en lagdelt havbølgeleder. La origoet i koordinatsystemet være posisjonert ved luft-vann grenseflaten med den positive z-aksen pekende nedover. La kildekooridnatene være definert av r0= (x0, yQ, z0), mottagerkoordinatene av r = (x, y, z), og koordinatene til målets massesentrum av rt= (xt, yt, zt). Romlige sylindriske ( p, ( p, z) og sfæriske systemer ( r, 6, <p) er definert av x = r sin 6 cos <p, y = r sin 6 sin <p, z = r

2 2 2

cos 6 ogp =x + y. Det akustiske bølgetallet k er gitt av vinkelfrekvensen co = Irf dividert med lydhastigheten c.

Det tidsharmoniske spredte feltet målt av en mottager ved r for en kilde ro fra et vilkårlig mål i en lagdelt havbølgeleder med målsenter ved ri gitt av

hvor An (rt - ro) og B„( it - ro) er amplitudene av ned- og oppgående modalplanbølge-komponenter som treffer inhomogeniteten ved rt, Am (r - rt) og Bm (r - rt)

er amplitudene av de opp- og nedgående modalkomponentene spredt fra inhomogeniteten, ^rt ^ n ~ a* * ^ >a>»fitøi> ^ er spredningsfunksj onen for obj ektet

sentrert ved rt, P(( p,( Pt) = ( p- sin"<1>^ ———sin (#>t - ( p) } er mottagerens asimut fra

I P ~ Pt I

målet, P(( pt,( po) er adimut for målet fra kilden, a„ er modal hevningsvinklende, ogMmaxer modustallet ved hvilket modalsummeringene kan avkortes og fortsatt nøyaktig representere feltet, som i P. Ratilal og N. C. Makris, J. Acoust. Soc. Am. 118:3532-3559

(2005). En ekvivalent formulering i hensyn av bølgetallintegraler finnes i N. C. Makris, F. Ingenito, og W. A. Kuperman, "Detection of a submerged object insonified by surface noise in an ocean waveguide," J. Acoust. Soc. Am. 96:1703-1724 (1994). Målstyrket til et object er TS = 10 logio|5VÅ:|2 i dB med hensyn til 1 m for k mål i l/m.

For ethvert gitt objekt i en havbølgeleder kobler objektspredningsfunksjonen de inn-foldende og spredte bølgeledermodusene, slik at utberedelse og spredning sammen-hengende konvolveres som sett lign. 1. Denne koblingen mellom utberedelse og spredning kan være særskilt signifikant for sterkt rettede objekter, slik som de store sammenlignet med den akustiske bølgelengden, ettersom disse vil koble innfallende og spredte modus forksjellig avhengig av deres ekvivalente planbølgeretninger ved objektet. For sterkt rettede objekter gjør denne koblingen det utfordrende å nøyaktig beregne spredningsfunksjonen eller målstyrken fra målte returakustiske signaler i en havbølgeleder, som anmerket i P. Ratilal, Y. Lai, og N.C. Makris, J. Acoust. Soc. Am. 112:1797-1816 (2002). Dette er et problem for CFFS arbeidsfrekvenser som er i området over omtrent 10 kHz, hvor individuelle fisk er tilbøyelige til å bli høyt rettede spredere. Ved disse frekvensene er det også en betydelig avskygning fra en fisk til den neste og betydelig flerspredning i tette fiskestimer. Dette gjør også beregning av fiske-bestandstettheter utfordrende ved CFFS frekvenser, ettersom effektene av avskygning og flerspredning også må tas med i beregningen i analysen av returakustiske signaler for å beregne fiskemålstyrke og bestand.

Ved de lavere akustiske frekvensene under 10 kHz, blir de fleste fisk akustisk kompakte, små sammenlignet med den akustiske bølgelengden. Spredningsfunksjonen for disse fiskene blir isotrope for både svømmeblæren så vel som fiskens kropp. Spredningsfunksjonen i lign. 1 kan deretter uttrykkes som en konstant, uavhengig retningen av de innfallende og rette modalplanbølgende slik at SrM- VmtPøt^ M^ PWM)<*>S0( rtlf) kan trekkes fra summeringene. Som vist i P. Ratilal, Y. Lai, og N. C. Makris, JAcoust. Soc. Am. 112:1797-1816 (2002) forenkles det spredte feltet til

der bølgelederutberedelse bestemt av Greens funksjon G til å fra sprederen blir faktoriserbar og følgelig atskillelig fra redningsfunksjonen som avhenger av målegenskapene.

Forventet spredningsintensitet fra fisk innenfor oppløsningsavtrvkket

La q( t) være kildesignalet med Fourier tranformasjon eller spektrum Q( f). Den gitte fordeling av N fisk med innenfor sonar oppløsningsfotavtrykket som sentrert ved horisontal posisjon rt, hvor hver fisk er nummerert med /, kan frekvensspekteret av de spredte felt fra de N fiskene uttrykkes som summen av de fra hver fisk,

En havbølgeleder er tidsmessig og romlig tilfeldig på grunn av tilstedeværelsen av vannkolonneinterne bølgeflutuasjoner og andre inhomogeniteter og variasjoner i mediet og bølgeledergrensene. Den tilfeldige bølgelederen fører til tidsmessig og romlige fluktuasjoner i den flermodale akustiske feltutberedelsen og følgelig tilfeldighet i den målte akustiske intensiteten. Fisk innehold i oppløsningsfotavtrykket ifølge den foreliggende oppfinnelse vil også være tilfeldig fordelt i større, fasong, romlig tetthet, og andre fysiske egenskaper, så vel som deres posisjon innenfor sonaroppløsnings-fotavtrykket. Den målte spredte intensiteten innenfor sonaroppløsningsfotavtrykket vil deretter være tilfeldig på grunn av både bølgelederfluktuasjoner og tilfeldighet i fiske-fordeling. En statistisk tilnærming er derfor nødvendig for å analysere de målte akustiske data.

Det midlere spredte feltet innenfor sonaroppløsningsfotavtrykket finnes ved å ta den forventede verdien av lign. 3.

hvor bølgeleder Green-funksjonene G(r; | vq, J), G(r | ii, J) posisjonen r; av den /te fisken, og spredningsfunksjonen So (r;,/) for den /te fisken alle er tilfeldige variabler, som kan være antallet fisk innenfor oppløsningsfotavtrykket til systemet over tid. Ettersom spredningsfunksjonen av fisken er uavhengig av bølgelederens Greens funksjon, er forventningen i den høyrehåndssiden av lign. 4 fakturerbar for disse leddene. Den forventede kvadrerte størrelsen av det spredte feltspekteret innenfor sonaroppløsningsfotavtrykket, proporsjonal til intensitet, er fra lign. 3. Den forventede kvadrerte størrelsen av det spredte feltspektret kan også skrives i form av kvadratet av middelverdien, et koherent ledd, og variansen til det spredte feltspekteret, et inkoherent ledd,

Det midlere spredte feltspekteret er effektivt null, basert på både teori og eksperimentering, ettersom sonaroppløsningsfotavtrykket har dimensjoner som er store sammenlignet med den akustiske bølgelengden og fordelingen av fisk innenfor opp-løsningsfotavtrykket er tilfeldig. Så det koherente leddet forsvinner.

Den forventede kvadrerte størrelsen av det spredte feltspekteret innenfor sonaroppløsningsfotavtrykket er da:

Tilfeldighet i fiskespredningsegenskapene er effektivt uavhengig av havoverførings-fuktuasjoner i Green-funksj onene. Den forventede kvadrerte størrelsen av det spredte feltspekteret kan da skrives som:

hvor den første parentetiske faktoren på høyre side beskriver den kjente kildeeffekten til det foreliggende systemet, den andre faktoren i forventningsverdien beskriver over-føring til og fra fisk som kan beregnes fra kjent batemtry og lydhastighetsmålinger, og den tredje faktoren i den siste forventningsverdien beskriver det totale sprednings-tverrstnittet av fisk innenfor oppløsningsfotavtrykket, lOlogioav hvilket er målstyrken av fisk innenfor oppløsningsfotavtrykket. Ofte er foroverveien og returveien ukorrelerte, spesielt i bistatiske geometrier, hvilket gjør forventningen av produktet av størrelse kvadrert Green-funksj oner likt produktet av forventningen av de størrelse kvadrerte Green-funksj onene. Lign. 8 er typisk implementert ved å bruke den parabolske ligning for å bestemme Green-funksj onen i en områdeavhengig bølgeleder som kobler ethvert to punkt i bølgelederen ved den gitte frekvensen.

Den totale spredningstverrsnittet av fisken innenfor oppløsningsfotavtrykket kan deretter oppnås ved å dividere disse kilde og overføringsfaktorene fra målinger av størrelsen kvadrert av det spredte feltet. Hvis det forventede spredningstverrsnittet av en tilfeldig valgt individuell fisk i gruppen er kjent, kan det totale antallet fisk N beregnes ved å subtrahere dette forventede tverrsnittet for et individ fra det totale tverrsnittet av oppløsningsfotavtrykket.

Den forventede verdien av størrelse kvadrert av Green-funksj onene er typisk en veldig sakte varierende funksjon over dybde og rekkevidde i sammenligning med fiskegruppe-fordelinger, spesielt i kontinentalsokkelomgivelser. Den forventede verdien av størrelsen kvadrert av Green-funksj onene kan beregnes ved å bruke et antall fremgangsmåter inkluderende, for eksempel, Monte-Carlo simulering med den parabolske ligningen for rekkeviddeuavhengig fluktuerende hav, så vel som fremgangsmåtene i P. Ratilal, N.C. Makris, "Mean and covariance of the forward field propagated through a stratified ocean waveguide with three-dimensional random inhomogeneities", J. Acoust. Soc. Am. 118:3532-3559 (2005), og T. Chen, P. Ratilal, og N. C. Makris "Mean and variance of the forward field propagated through three-dimensional internal waves in a continental-shelf wavegued", J. Acoust, Soc, Am. 118:3560-3574 (2005). (I mange kontinentalsokkelomgivelser er det også mulig å ganske enkelt beregne den forventede verdien av størrelsen kvadrert av Green-funksj onen ved å danne middelverdi av størrelsen kvadrert av den deterministiske Green-funksj onen ved hensyn på dybde, beregnet ved hjelp av den parabolske ligningen eller annen utberedelsesmodell i området sonar oppløsningsfotavtrykket. Dette fungerer typisk bra fordi randomisering ikke betydelig endrer den totale effekten sendt gjennom bølgelederen, mens i stedet ofte blander og sprer den effekten relativt uniformt i dybde). Også, endelige båndkilde-signaler brukes ofte slik at integrasjon av lign. 7 eller 8 over kildefrekvensbåndet på egenhånd betydelig kan glatte variasjoner i den forventede størrelse kvadrert av Green-funksj onen i rekkevidde og dybde.

Forventet spredt intensitet fra generelle omgivelsesinhomogeniteter

Vi beskriver en tilnærming som kan brukes til å modellere spredningen fra volumetriske inhomogeniteter i havet, inkluderende fisk, og av bunden. Dette kan brukes fordelaktig til å optimalisere deteksjon av fisk og minimalisere resonanser fra havbunnen i opp-løsningsfotavtrykket ved å justere styrbare parametere slik som kildefrekvens, kilde-mottagerposisjon, og kildegruppe romlig vindu/modus-filtrering.

Vurder et volum V i det avbildede mediet ved horisontal posisjon pt innenfor sitt opp-løsningsfotavtrykk. Gitt inhomogenitetene ved posisjon rt innenfor volumet med tetthet dtog lydhastighet ct som er ulikt fra det omgivende mediet med omgivelsestetthet d og lydhastighet c, kan feltet spredt fra inhomogenitetene moduleres ved å bruke en første-ordens Rayleigh-Born tilnærming til Greens teorem som

hvor k = dc er kompressibiliteten, er fraksjonsdifferansen i kompressibilitet,

r =4^

og<a>> er fraksjonsdifferansen i tettheten til inhomogenitetene relativt til bakgrunnsmediet.

Ettersom inhomogenitetene er tilfeldig fordelt i sine fysiske og akustiske sprednings-egenskaper, er en statistisk tilnærming ønskelig. Den forventede kvadrerte størrelsen av det spredte feltspekteret fra de volumetriske inhomogenitetene kan skrives, som i lign. 6, som summen av et koherent og et inkoherent ledd. Det koherente leddet er kvadratet av det midlere spredte feltet. Det midlere spredte feltet er gitt av,

Som med spredning fra fisk innenfor oppløsningsfotavtrykket, er det koherente leddet ubetydelig lite for spredning fra havbunnen. Middelkvadratverdiene av * r og ^rf er typisk mye mindre (med to størrelsesordener) enn deres varianter og kovarianter. De sistnevnte parametrene oppnås ved direkte måling, akustisk inversjon eller interferens. Den forventede kvadrerte størrelsen av det spredte feltspekteret innenfor det sonare oppløsningsfotavtrykket gis deretter av det innkovalente leddet som er variansen av det spredte feltet som

(Lign. 11)

hvor Vcer det koherent volumet for 3D tilfeldig inhomogenitetene.

Lign. 11 er typisk komplimentert ved å bruke den parabolske ligning for å bestemme Green-funksj onen i en områdeavhengig bølgeleder som kobler ethvert to punkt i bølgelederen ved den gitte frekvensen.

Spredningsfunksjoner for fisk og luftfylte bobler

Her beskriver vi noen typiske spenningsfunksjoner som kan brukes til å modulere det spredte feltet fra fisk med lign. 7 eller 8 eller bobler i havet.

For fisk med svømmeblærer er den dominerende kilden for spredning ofte det luftfylte organet. Når akustisk kompakt kan deres spredningsfunksjon eller målstryke modeleres ved å bruke målstyrkeformuleringen for en ekvivalent boble med samme volum

hvor a er svømmeblæreradiusen,^ er resonansfrekvensen til svømmeblæren, og å er den totale dempningskonstanten innbefattende termiske, stråling og viskositets-dempningseffekter. Resonansfrekvensen til svømmeblæren er en funksjon av ned-senkningsdybden D til fisken, hvor D og a er i meter, og gitt ved,

Med disse ligningene kan resonansfrekvensen, eller ekvivalent fiskedybden, så vel som bobleradius og total dempningskonstant bestemmes ved hjelp av direkte akustiske målinger av spektraltoppen i fiskespredningen over frekvens, fiskemålstyrke, spredningen av resonanstopp over frekvens. De kan også bestemmes fra tidligere kunnskap, eller fra andre egnede måter slik som lokal innfangningsstråledata.

For fisk uten svømmeblærer er fiskens kropp hovedkilden for spredning som en volumetrisk inhomogenitet. Rayleigh-Born spredningsmodellen beskrevet tidligere kan også anvendes for å analysere spredning fra slik fisk. De fleste fisk av interesse ved frekvenser tiltenkt heri har kroppsstørrelser som er små sammenlignet med den akustiske bølgelengden. Lign. 9 kan anvendes for å utlede en spredningsfunksjon av en inhomogen fiskekropp av volum Vq som,

k, k

hvor k er prikkproduktet av innfallende og rettebølgevektorer. Denne spredningsfunksjonen kan brukes i lign. 7 og 8 for å tilveiebringe det spredte felt-intensitetsspekteret for fisk på grunn av spredning fra kroppene deres, gitt tettheten og kompressibilitetskontrasten av fisk relativt til vann. Typisk er tettheten og kompressibilitetsforhold for fisk velkjent a priori, hvilket gjør fiskevolumet primær-variabelen, hvilket kan bestemmes fra akustisk målstyrkemålinger.

Maksimalisering av fisketilbakesendinger og minimalisering avtilbakesendinger fra grenseresonanser.

Tilbakesendinger innenfor oppløsningsfotavtrykket fra fisk modellert via lign. 7-8 og lign. 12-14 kan maksimaliseres, og de andre omgivelsesspredere slik som havbunnen inhomogeniteter modulert via lign. 11 kan minimaliseres, ved å justere styrbare parametere slik som kildefrekvens, kilde-mottakerposisjon, og kildegruppe romlig vindusteknikk. For eksempel har spredning fra havbunnen en tendens til å øke saktere med frekvens enn resonerende spredning fra fisk med svømmeblærer, under resonans-toppen, som kan sluttes fra lign. 11-14. Derfor kan valg av arbeidsfrekvens nær fiske-resonans maksimalisere fisketilbakesvømninger og minimalisere de fra havbunnsspredning. Også ettersom havbunnspredning er svært avhengig av dybden av betydelig gjennomtrengning av lyd i havbunne, som sett i volumintegralet i lign. 11 over inhomogenitetene som forårsaker spredningen, kan være fordelaktig å minimalisere havbunnsspredning ved å stimulere lavere ordensmodus som fortsatt fyller vannkolonnen, men gjør det ved relativt grunne streifevinkler og således ikke trenger så dypt inn i havbunnen. Dette kan oppnås ved skillegruppe romlig vindusteknikk og plassering av kilder i grunnere batymetriposisjoner for eksempel. Minimalisering av tilbake-sending fra sjøoverflateujevnheter kan analogt håndteres med de samme ligningene. Slike tilbakesendinger er typisk ikke betydelige bortsett fra ved veldig høy sjøtilstander hvor sjøgående forskningsfartøyer typisk ikke er i drift.

Frekvensoptimalisering

En bredt område av overføringsfrekvenser kan brukes, i området fra veldig lave frekvenser fra flere Hz til veldig høye frekvenser over titalls av kHz. Langt-rekkeviddene lydutberedelse i havet dempes mindre ved lavere frekvenser og er mindre følsomme for oseanografiske fluktuasjoner. Resonans fra havbunnen har også en tendens til å være lavere ved lavere frekvenser. Endelig er frekvensområdet fra 100 Hz til 3 kHz særskilt optimal for den foreliggende oppfinnelse ettersom den omslutter svømmeblæreresonansen for mange fiskearter, hvor målstyrkene er høye.

I praksis vil den optimale frekvensen eller frekvensbåndet dikteres av flere faktorer. For det første er spredning fra enhver fisk effektivt rundt strålene. I overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelsen kan en individuell fisk sees fra enhver retning (eller mange retninger samtidig) og ha den samme målstyrken. Det er ingen fluktuasjoner i spredning på grunn av endringer i fiskeorientering som i CFFS. Særskilt vil fisken i allmennhet være større enn bølgelengdene brukt i CFFS, og forholdsavhengige fluktuasjoner forårsaker følgelig feil i fiskedeteksjon og tallrikhetsberegning. (Små spredere sammenlignet med den akustiske bølgelengen er kjent som "akustisk kompakte" spredere.)

Den optimale bølgelengden er ønskelig stor nok til at det mottatte akustiske feltet spredt fra enhver gitt fisk kan uttrykkes som produktet av tre faktorer - en for overføring til den gitte fisken, en for spredning fra fisken, og en for overføring fra fisken. Ved CFFS bølgelengder er denne faktoriseringen typisk ikke mulig i et bølgelederfjernfølende system fordi utberedelse og spredningseffekter er viklet sammen. Standard CFFS fremgangsmåte for å fjerne overføringseffekter kan derfor forårsake betydelige feil når bruk for fjernføling i en bølgeleder ved CFFS frekvenser. Årsaken er at det i en bølge-leder ikke er noen enkle innfals og spredte retninger som i fritt rom, men i stedet mange slike retninger i hevningsvinkel. Disse opptrer fra flerveis eller flermodusnaturen til bølgelederutberedelsen. Hvis sprederen er stor sammenlignet med bølgelengden vil den ha et retningsspredningsmønster med mange sløyfer. Disse kan stimulere modusene forskjellig, hvilket leder til sammenflettet spredning og utberedelse, som er sant ved fleste CFFS frekvenser. Hvis objektet sprer rundtstrålende over hevningsvinklene omfattet av modusene som i den foreliggende oppfinnelse, kan spredningen faktoriseres fra utberedelsen.

Ved bølgelengdene unyttet heri, og igjen i motsetning til typiske CFFS systemer, er akustisk dempning på grunn av utberedelse gjennom fisken neglisjerbar selv over lange rekkevidder. Dette er fordi slokning per enhetsvolum på grunn av spredning fra fisk er veldig liten ved slike bølgelengder. Dette er ofte ikke sant for CFFS, hvor kortere bølgelengder fører til dempning gjennom fiskestimer som kan være betydelig og forårsake avmatning og skygging for fjerntliggende stimer eller fjerntliggende deler av stimer i foroverretningen. Dette kan igjen føre til betydelige feil i deteksjon og tallrikhetsberegninger.

Den optimale akustiske bølgelengden A. er også valgt slik at fjernfeltrekkevidden ( L2/ k') er kortere enn middelavstanden mellom fisk, hvor L er lengdemålesokken av den dominerende sprederen i en fisk, hvilket kan være hele fisken eller kun svømmeblæren. Dette er ofte ikke sant i CFFS frekvenser, hvilket kan føre til flerspredningseffekter som forringer inversjon for fiskebestandstetthet.

Den optimale bølgelengden vil også være stor nok slik at skyggelengden fra enhver individuell fisk eller gruppe av fisk er mindre enn middelavstanden mellom fisken. Dette behøver ikke være sant ved CFFS frekvenser og kan føre til betydelige flere-spredningseffekter som forringer nøyaktig deteksjon av fisk og inversjon for fiskebestandstetthet. Igjen, i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelsen, faller lyd inn på en gitt fisk fra mange hevningsvinkler samtidig, og utbres tilbake til mottageren etter spredning i mange hevningsvinkler samtidig. Denne typen skyggelegging forårsaket av tette grupper med fisk i direkte vei CFFS reduseres således betydelig av bølgelederutbredelsen beregnet heri. Dessuten økes attenuering fra absorpsjon og spredning i vannet og havbunne fra ikke-fisk relaterte egenskaper ved mediet, med økende frekvens. Ved overføringsfrekvensen egnet for den foreliggende oppfinnelse, hvilket omfatter både den optimale frekvensen for lang rekkevidde bølgeleder utberedelse så vel som den optimale frekvensen for fjernbølgelederavbildning av fisk, er disse demningseffektene i stor grad redusert i sammenligning med CFFS frekvenser. I tillegg har spredning fra havbunnen og havoverflaten en tendens til å øke med økende frekvens, hvilket kan maskere fjerne tilbakesendinger fra fisk etter hvert som frekvens øker inn i CFFS regimer, dette er ikke et problem over frekvensområdet betraktet heri.

En annen begrensning på overføringsbølgelengde er behovet for å støtte modus-utberedelse. Hvis den valgte bølgelengden er for stor, kan bølgelederen ikke lenger støtte modus utberedelse, slik at fjernføling blir inneffektiv. I tillegg vil fiskesprednings- nivåer reduseres, men så også ofte interferens fra uønskede havbunn og havoverflatespredere.

Kildeeffekten er også viktig å ta hensyn til, og velges fortrinnsvis slik at fiskespredning ligger over omgivelsesstøynivå i bølgelederen med 5 dB ved den maksimale rekkevidden av deteksjon for den gitte bølgelengden.

Variansstabilisering ved hjelp av loddtransformasjon for optimal bildefremvisning og mønstergjenkjenning og reduksjon av fluktuasjoner på grunn av tilfeldig spredning og utberedelsesfunkling .

Spredning fra tilfeldige overflater og volumer fører til tilfeldighet i det mottatte feltet, slik også utberedelse gjennom det fluktuerende havet. Begge disse former for tilfeldighet fører til, i omgang, til fluktuasjoner i de mottatte akustiske spredte tilbakesendinger fra fiskestimene. Det øyeblikkelige mottatte akustiske feltet returnert fra en gruppe med fisk, eller havbunnen eller havoverflaten, er en sirkulær kompleks Gausisk tilfeldig variabel, det er også feltet sendt gjennom en fluktuerende havbølgeleder. Dette er en konsekvens av det sentrale grenseteoremet gitt i mange tilfeldige bidrag til feltet fra fisk, havbunnen eller havoverflatespredere, eller utberedelsen gjennom det tilfeldige havet. Størrelsen kvadrert av det øyeblikkelige returnerte akustiske feltet, proporsjonalt med øyeblikkelig intensitet og for enkelhetsskyld her definert som øyeblikkelig intensitet, følger deretter en negativ eksponentiell fordeling. Etterfølgende lydsignal fremstiller statistisk uavhengige sampler av de returnerte akustiske feltene fra en gruppe med fisk innenfor oppløsningsfotavtrykket til systemet. Å ta gjennomsnittet av uavhengige sampler med øyeblikkelig intensitet fører til den gjennomsnittlige intensiteten, hvilket følger gamma fordelingen. Både øyeblikkelig intensitet og gjennomsnittlig intensitet har standardavvik proporsjonalt med den forventede eller gjennomsnittlige intensiteten. Dette betyr at et intensitetsbilde av omgivelsen har signal - avhengig støy slik at standardavviket eller feilen i intensitet ved enhver piksel er proporsjonal med gjennomsnittet, og er således større når gjennomsnittet er større og mindre når gjennomsnittet er mindre. Det ikke-uniforme standardavviket gjennom bildet er kjent som prikkstøy.

Det er generelt sett ikke optimalt å søke etter fiskemønstere i et bilde med signalavhengig støy fordi fremgangsmåter som fjerner støy typisk også fjerner informasjon om signalet (ettersom støyen er avhengig av signalet). Log-transformasjonen av gjennomsnittlig intensitet tas for å løse dette problemet. Log-transformasjonen trans- formerer homomorfisk signalavhengig støy til signaluavhengig støy slik at standardavviket ved hver piksel i bildet er konstant og uavhengig av gjennomsnittet av den log-tranformerte gjennomsnittlige intensiteten. Variansen er deretter stabilisert gjennom bildet slik at standardavviket eller feilen ved hver piksel er uniform gjennom det log-tranformerte bildet, og er uavhengig av signalnivået (i dB) ved hver piksel. Standard korrelasjon eller tilpasset filtrering er deretter optimal for å finne mønstere av fiske-fordelinger innenfor det log-transformerte bildet. Gjennomsnittet i intensitet tas før log-transformasjonen for å redusere og effektivt fjerne skjevhet knyttet til log-transformasjonen.

Standardavviket ved enhver piksel i et gjennomsnittsintensitetsbilde reduseres med

fra den øyenlikkelige intensiteten (N = 1 tilfellet) ved hver piksel, hvor N er

y/N

antallet uavhengige sampler i gjennomsnittet. Gjennomsnittsintensiteten vil variere gjennom bildet, for å fremstille et syn, det vil også standardavviket til gjennomsnittlig intensitet. Standardavviket til det log-transformerte bildet i dB, er imidlertid grovt

43

konstanten -^=for N > 2 for hver piksel i bildet. Ved å ta gjennomsnitt av både

y/N

tilliggende områdebinger og etterfølgende bilder, ved, for eksempel, en lik tid, oppnås et standardavvik på grovt 1,36 dB, hvilket oversettes til et standardavvik på omtrent 37 % av den sanne bestandtettheten ved den gitte pikselen. Denne prosentfeilen reduseres ytterligere når den totale bestanden beregnes som angitt nedenfor.

Artsidentifikasjon ved hjelp av frekvensanalyse

Ulike fiskearter kan ha unike akustiske målstyrker. Frekvensavhengigheten av disse målstyrkene kan brukes til å fjernidentifisere arter i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse. Dette kan oppnås, for eksempel, ved å sende en overføring over et særskilt frekvensbånd, hvilket danner et vedområdebilde av målstyrken per enhetsområde for denne overføringen, og gjenta prosessen umiddelbart over et annet frekvensbånd. De atskilte overføringene kan sendes innenfor sekunder av hverandre eller samtidig hvis frekvensinnholdet er ikke-overlappende. Forskjellen i målstyrke per enhetsområde ved hjelp av en piksel-til-piksel subtraksjon av enhver to bilde tatt omtrent ved samme tidspunkt vil gi et romlig bilde av forskjellen i fiskemålstyrke per enhetsområde for de ulike frekvensbåndene til de to overføringene. Sammenligning av forskjellene, så vel som absolutte nivåer, brukes til å skjelne mellom fiskearter ved ulike posisjoner i bredområdebilder.

Samfunnsgrupper av fisk, slik som stimer og svermer, kan detekteres og lokaliseres automatisk i bilder innhentet som beskrevet heri basert på lydtrykksnivå, målstyrke eller bestandstetthet. Dette kan oppnås ved å identifisere alle piksler i bildet over en spesifisert terskelverdi med hensyn til bakgrunnsnivået og streke opp konturene av disse høynivåområdene. Omrissene oppdeler fiskebestander som områder med lokale høylydtrykknivå, målstyrke eller fiskebestandstetthet i et gitt bilde. Faktisk kan bildebehandlingsmodulen 330 danne bredområdefilmer over utviklingen av fiskebestander som en sammenkjedet frekvens med bilder. Bildene kan være basert på lydtrykksnivå, spredningsstyrke og/eller områdefiskebestandtetthet. Filmene gjør det mulig å kvantitativt studere sanntidsatferden til fiskebestander, og mulig identifisere arter fra den observerte atferden.

Områdefiskebestandtetthet , romlige spektra , og tidsserier av bestand og tidsspektra og korrelasjonsskalaer .

Idet den representative eller middelmålstyrken til en individuell fisk er blitt identifisert ved en gitt posisjon (fra frekvensanalysen beskrevet ovenfor, ved direkte trålesampling eller CFFS, eller ved hjelp av tidligere kunnskap), kan et bilde av områdebestand-tettheten til fisken bestemmes fra bildet av målstyrken ved hver piksel. Dette oppnås ved å subtrahere middelmålstyrken hver individuell fisk i den posisjonen fra hver piksel hvor middelmålstyrken ble bestemt å være representativ i bildet.

Todimensjonale bilder av det romlige spekteret av fiskebestandtetthet kan deretter oppnås ved å ta den todimenasjonale fouriertransformasjonen av et bilde av områdefiskebestandtetthet. Standardavviket ved hver piksel i spektralbildene kan reduseres ved å ta et gjennomsnitt av statistisk uavhengige spektralbilder fra etterfølgende lydsignaler. Log-tranformasjon kan brukes for å stabilisere variansen og for å bestemme hvorvidt potenslover finnes i spekteret som kan brukes for karakterisering og forutsigelse av romlige fordelinger.

Den totale fiskebestanden i et gitt fiskebestandstetthetsbilde kan oppnås ved å summere verdiene av hver piksel og multiplisere med pikselarealet. Tidsserier av fiskebestandtetthet dannes deretter ved å beregne den totale fiskebestanden for en tidssekvens av bilder. I tillegg til den totale fiskebestanden er det mulig å bestemme fiskebestander innenfor et særskilt områdetetthetsområde, eller fiskebestand innenfor gitt segmentert fiskestim eller romlig område, ved å kun summere de relevante pikslene.

Ettersom bidrag fra millioner av fisk fra hundrevis av uavhengige piksler legges sammen i disse bestandestimatene, vil fluktuasjoner fra utberedelsesfunkling og variasjoner i fiskespredningstverrsnitt føre til feil på mindre enn 1 % av den estimerte verdien for enhver gitt tidsbestandsampel. (Dette er en konsekvens av "store tallslov". Det prosentvise standardavviket til den totale bestanden er forholdet mellom standardavviket og gjennomsnittlig bestandtetthet ved en enkelt piksel i et bilde-gjennomsnitt dividert med kvadratroten av antallet uavhengige piksler summert for å oppnå den totale bestanden.)

7. Tidsserier av fiskestimområde , bestandsenter og morfologi

Dataanalysemodul 320 kan karakterisere det totale området besatt av en detektert og segmentert fiskestim ved å bestemme antallet piksler i en segmentert stim og multiplisere med pikselområdet. Bestandsenteret til den segmenterte stimen i et fiskebestandstetthetsbilde kan bestemmes ved å finne det første momentet av den horisontale posisjonsvektoren med hensyn til den romlige varierende fiskebestandstettheten innenfor stimen. Hovedaksen og av fiskestimens utstrekning og dens retning kan bestemmes fra det andre sentrale momentet til den horisontale posisjonsvektoren innenfor stimen. Disse hovedaksene karakteriserer kvantitativt stimens morfologi. Alternativt kan den normaliserte todimensjonale autokorrelasjonsfunksjonen for et bilde av fiskebestandtetthet brukes for å bestemme koherensområdet til et bestandssenter, hvor dette koherensområdet kan defineres ved hjelp av den nærmeste konturen til topp-korrelasjonen ved 0 forsinkelse som har falt til en gitt verdi, slik som den konvensjonelle l/e. Tidsserier av fiskestimområdet, bestandsenter og morfologi dannes ved å beregne disse verdiene for en tidssekvens av bilder.

Fiskehastighetsberegning ved hjelp av differensiel bevegelse , massebevaring , omgivelsestrvkk beregnet ved hjelp av momentbevaring

De absolutte hastighetsvektorene for et fullstendig fiskefelt kan også beregnes ved å tidsdifferensiere bestandtettheten og romdifferensiere massestrømmen som betinget av bevaring av masse og, for eksempel, minimalisering av bevegelsesenergi i fiskestrøm-feltet ifølge Fermats prinsipp om siste handling. Omgivelsestrykkene på fisken som forårsaker dem å bevege seg kan deretter også kvantifiseres ved å bruke ligningen om bevaring av moment og å bruke det beregnede hastighetsfeltet og det målte bestand- tetthetsfeltet. Lavpassfiltrering av de romlige bestandtetthetsdata kan brukes for å beregne høyere hastigheter i strømfeltet.

De absolutte hastighetene for fiskegrupper kan også bestemmes ved å tidsdifferensiere massesenteret eller romlig gradient for den gitte stimen med hensyn til kartlagte returer fra et mål av stasjonær og kjent posisjon. De relative hastighetene for fiskemasse-sentrene kan bestemmes ved å tidsdifferensiere posisjonene til massesentrene.

Øyeblikkelig fiskestimhastighetsberegning ved hjelp av Doppler

For bunnforankrede kilder og mottagere som er godt festet til havbunnen, kan den midlere øyeblikkelige hastigheten til en fiskestim innenfor oppløsningsfotavtrykket til systemet og dens variant bestemmes ved å undersøke middelet og variansen i Doppler-frekvensskifte til de spredte returene. Egnede bølgeformer for å bestemme Dopplerskift inkluderer vindu m-sekvenser, ettersom disse tilveiebringer både høy rekkevidde-oppløsning og høy Doppleroppløsning for lav-mak-tall mål som fisk. For en enkel kilde og mottager er kun den radielle hastighetskomponenten bestembar. For flerstatiske tilfeller med flere mottagere og/eller kilder er begge horisontale hastighetskomponenter bestembare. Langrekkeviddefiskehastighetsberegning fra bevegende kildemottagersystemet er vanskeligere fordi bevegelse av plattformen kan baskere Dopplersignalet fra fisken.

Eksempelvise resultater

Et system i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse ble brukt for å under-søke østkystkontinentalsokkelen i De forente Stater 200 km sør for Long Island, New York, nær sokkelkanten i mai 2003 samtidig med linjetransektmålinger utført ved hjelp av CFFS. Høy romlig og tidskorrelasjon ble funnet mellom det Eulariske systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse og det Lagranske CFFS systemet i å detektere, avbilde og kartlegge både store og små fiskestimer. Mens CFFS systemet har en 10-m diameter horisontal oppløsningsfotavtrykk, har systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse en oppløsning på 15 m langs CFFS transekten og grovt 2 grader i asimut over den, for eksempel 350 m tverrekkeviddeoppløsning ved 10 km.

Mange av fiskestimene samregistrert i tid og rom ved hjelp av de to systemene vedvarte over tid i bredområdebilder før og etter CFFS transeksjon. Denne observerte varigheten ble også uttrykt i en rent romlig sams varighet i deteksjon, avbildning og kartlegge fiske stimer ved hjelp av de to systemene. Etter statistisk analyse ble det funnet at posisjoner hvor det foreliggende systemet avbildet trekk markante nok til å overgå bakgrunns-intensiteten med i det minste en størrelsesorden, med en tidsrepeterbarhet hyppighet overstigende 25 % over den gitte dagen, detekterte CFFS alltid høyt konsentrerte fiske-lag med i det minste en 0,4 fisk/m<3>områdetetthet. Dette tilsvarer til veldig store og tett befolkede fiskestimer. Ingen korrelasjon ble funnet mellom trekk i bildet dannet i overensstemmelse herved og de ved havbunnen etter grundig granskning og havbunntrekk ved sokkelen manglet typisk tilstrekkelig relieff for å forårsake merkbare returer.

Fiskebestandtettheter ble kontinuerlig beregnet over vide områder fra bilder dannet i overensstemmelse hermed. Områdebestandtetthetene er i overensstemmelse med de oppnådd fra CFFS over det samme tidsrommet. Våre bestandtetthetsberegninger avhenger på den forventede spredningstverrsnittet av hver individuell fisk, hvilket vi har funnet å ha en tilsvarende målstryke på -45 dB i 390-440 Hz båndet til vårt eksperiment. Dette følger fra en kombinasjon av statistisk modellering og empirisk bevis samlet over arter ved hjelp av trålesampler tidligere oppnådd i den samme posisjonen og lokale samtidige CFFS målinger av både volumetrisk og områdefiskebestandtetthet. Fangst besto av en variabel komponent av atlantisk sild, skupp, lysing, havabbor, pigghå, og makrell som alle har målstyrker innenfor en størrelsesorden av hverandre i 390-440 Hz båndet, hvilket er nær eller rett under svømmeblæreresonansen for mange av disse artene. Et standardavvik på mindre enn 1 dB per piksel samsvarer med en feil på mindre enn 25 % i et hvert intensitet eller bestandtetthetsestimat for den gitte pikselen. Variasjoner i spredningstverrsnitt for individuell fisk forventes å innføre et standardavvik på mindre enn en dB for enhver piksel samsvarende en fiskestim, ettersom et veldig stort antall fisk summeres i et samsvarende oppløsningsfotavtrykk ifølge den foreliggende oppfinnelse. Overføringsfunkling fra tilfeldighet i havmediet på grunn av slike effekter som interne bølger og turbulens innfører til syvende og sist relativt liten usikkerhet i oppnådde bilder ettersom standardavviket på grovt 1 dB per piksel er forventet etter å ha tatt gjennomsnittet av fire etterfølgende øyeblikkelige bilder og to naborekkeviddebinger per bilde.

Tidsserier av fiskebestander ble dannet ved å sample ved 50-sekundsintervaller. De dekket den totale fiskebestanden så vel som bestanden over eller under ulike signifikante områdetetthetsterskelverdier. Bestandbidragene fra moderat-til-lav tetthet (nA < 0,2 fisk/m<2>), samsvarer tydeligvis til små spredte fiskegrupper, og utkantene av store fiskestimer, var relativt stabile gjennom dagen og sto for omtrent 1/5 til 1/3 av den totale fiskebestanden, og omtrent 90 % av det totale området. En dramatisk reduksjon i moderat-til-høy tetthetsbestander nA > 0,2 fisk/m ) fra omtrent 4/5 til 1/2 av totalen opptrådte i omtrent timelange hendelser ved to atskilte tilfeller. Fragmenteringen i det siste tilfellet var betydelig. En reduksjon i området opptatt av moderat-til-høy fisketettheter opptrådte med en tilsvarende økning i området opptatt av moderat-til-lav tetthetsbestander ble observert. Tapet av bestand er enten på grunn av fisk som forlater undersøkelsesområdet eller spredning av fisk til under 0,01 fisk per m2 tetthet hvor havbunnsspredningsmekanismer dominerer. Det sistnevnte maskerer tilsynelatende fiskereturer over maksimum 30 % av det undersøkte området. Denne ikke-biologiske mekanismen bidrar fortsatt til områdetetthetsbildet i alle andre regioner men er ikke inkludert i bestand tidsserier. Ekstreme høytetthetsområder, med konsentrasjoner større en 0,5 fisk per m 2 ståor for mindre enn 16 % av den totale fiskebestanden og mindre enn 1 % av det totale arealet. Ettersom bidrag fra millioner av fisk fra hundrevis av uavhengige piksler ble summert i disse bestandestimatene, skal fluktuasjoner fra utberedelsesfunkling og variasjoner i fiskespredningstverrsnitt føre til feil på mindre enn 1 % av den beregnede verdien for enhver gitt tidsbestandsampel.

Tilgjengeligheten av tidskontinuerlige bilder gjør det også mulig å kvantitativt analysere oppførselen og samvirkningen av både store og små fiskegrupper over store områder på en uovertruffen måte. Dataanalysemodulen 320 kan utnytte en automatisert prosedyre for å oppdele, spore og beregne bestanden og arealet av hver av de individuelle fiskegruppene funnet i en serie av bilder. Dette muliggjør studie av utviklingen og fragmentering av fiskestimer. Først identifiserer individuelle stimer og oppdeles for moderat-til-høye fisketettheter (nA > 0,2 fisk/m ). Tidsserier av bestand, areal og bestandsentrum dannes deretter for disse gruppene.

Den relative hastigheten for fiskegruppen kan også fjernbestemmes fra bilder oppnådd i overensstemmelse hermed. Et histogram over den differensielle hastigheten mellom bestandsenteret kan dannes for analyseformål. I våre eksperimenter ble en middel atskillelses hyppighet på -0,30 m/s og et standardavvik på 3,0 m/s oppnådd, og disse er i samsvar med hastigheter forventet for individuell fisk. Ekstreme verdier i histogrammet, opptil ±15 m/s, er imidlertid sannsynlige tilsynelatende hastigheter resulterende fra brå fisketetthets endringer som utbres som bølger over en stim.

En med kunnskap i faget vil forstå at oppfinnelsen kan utføres i andre spesifikke former uten å forlate tanken eller essensielle karakteristikker derav. De foregående utførelser skal derfor i alle henseende anses som illustrerende fremfor begrensende ifølge opp finnelsen beskrevet heri. Omfanget av oppfinnelsen angis således av de vedlagte krav, fremfor den foregående beskrivelsen, og alle endringer som kan komme innenfor meningen og ekvivalensområdet av kravene er derfor tiltenkt å omfavnes deri.

Claims (39)

1. Fremgangsmåte for å karakterisere en fiskebestand, hvor fremgangsmåten innbefatter trinnene: a. å danne, innenfor et akvatisk miljø, horisontalt rettede akustiske signaler via fangede modus hvorved signalene gjennomgår sylindrisk spredningstap, hvor de akustiske signalene har frekvenser under 10 kHz som får en fisk til å spre de akustiske signalene hovedsakelig omnidireksjonalt, b. å motta returakustiske signaler stimulert av de dannede akustiske signalene, og c. tolke de returakustiske signalene for å detektere og karakterisere fiskebestanden, hvori tolkningen omfatter å bestemme en målt spredt intensitet av de returakustiske signalene i et oppløsningsfotavtrykk, etablere en fiskemålstyrke og, basert på dette, identifisere retursignaler som indikerer en fiskepopulasjon, hvori fiskemålstyrken er basert på en totalspredningsareal av fisk innenfor resolusjonsfotavtrykket bestemt ved å dividere kilde og transmisjonsfaktorene fra kvadratet av absoluttverdien av den målte spredde intensiteten.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori tolkningen videre innebærer identifikasjon av fiskearter utfra en frekvens som er avhengig av målstyrken.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori de dannede akustiske signalene utbres innenfor avgrensende geofysiske trekk som fungerer som en bølgeleder.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori de genererte akustiske signalene propagerer i en bølgeleder dannet av variasjoner i vannkolonnelydhastigheten.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori karakteriseringen inntreffer over et område som har et areal overstigende 25 km<2>på ett minutt.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori de dannede akustiske signalene utbres, og de returakustiske signalene spenner over, 360° i asimut.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori de akustiske signalene dannes fra en vertikalt rettet gruppe akustiske kilder utlagt innenfor det akvatiske miljøet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori de dannede akustiske signalene er asimutisk uniforme.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori de akustiske signalene pulseres.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori tolkningstrinnet innbefatter tidstilpasset filtrering og stråleforming.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori tolkningstrinnet innbefatter å kompensere for i det minste en av toveis bølgelederoverføringstap, oppløsningsfotavtrykk, fiskemålstyrke, kildeeffekt, og statistiske fluktuasjoner av bølgelederutberedelse og spredning.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori tolkningstrinnet innbefatter (i) å opprette målstyrker for ulike fiskearter og (ii) skille mellom ulike fiskebestander basert på de opprettede målstyrkene.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori den ytterligere innbefatter trinnet å velge en optimalisert bølgelengde fra de dannede akustiske signalene.

14. Fremgangsmåte eller anordning ifølge krav 13, hvori den optimaliserte bølgelengden er bølgelengde som er utvalgt til å være stor nok slik at de returakustiske signalene kan uttrykkes som produkter av (i) en faktor som representerer bølgelederoverføring til en fisk, (ii) en faktor som representerer spredning fra fisken, og (iii) en faktor som representerer bølgelederoverføring fra fisken.

15. Fremgangsmåte eller anordning ifølge krav 13, hvori den optimaliserte bølgelengden, X, er valgt slik at fjernfeltrekkevidden til de dannede akustiske signalene, L / X. hvor L er lengdeskalaen til den dominerende spredningen for en fisk, som kan være hele fisken eller fiskens svømmeblære, er er kortere enn en middelavstand mellom fiskene som skal karakteriseres.

16. Fremgangsmåte eller anordning ifølge krav 13, hvori de akustiske signalene er dannet med en optimalisert bølgelengden og et effektnivå slik at returakustiske signalene fra fisken overstiger et omgivelsesstøynivå ved et maksimum deteksjonsområde med i det minste 5 dB.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 1, som ytterligere innbefatter trinnet å danne bilder av en fiskebestand basert på de returakustiske signalene.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, hvor steget med å danne bilder ytterligere innbefatter trinnet å sammenkjede etterfølgende bilder til en film.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 17, som ytterligere innbefatter trinnet å karakterisere et totalområde opptatt av den detekterte fiskebestanden ved å bestemme antallet piksler i et bilde og multiplisere med pikselområdet.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 19, som ytterligere innbefatter å identifisere et senter av den detekterte fiskebestanden ved å finne det første momentet av den horisontale posisjonsvektoren med hensyn til den romlige varierende fiskebestandstettheten innenfor den detekterte fiskebestanden.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 20, som videre innbefatter å detektere en hastighet av fiskebestanden ved å tidsdifferensiere det identifiserte bestandsenteret.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 20, som videre innbefatter å bestemme hastighetsvektorer for et fiskefelt ved hjelp av tid og romdifferensiering etterfølgende bevaring av masse.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 20, som videre innbefatter å kvantifisere omgivelsestrykk på fisk som forårsaker at de beveger seg etterfølgende bevaring av moment.

24. Fremgangsmåten ifølge krav 19, som videre innbefatter karakterisering av en total fiskebestand innenfor et område.

25. Fremgangsmåte ifølge krav 17, hvori tolkningstrinnet innbefatter å utføre log-tranformasjon av intensiteter av de returakustiske signalene for å omforme retur-signalavhengig prikkstøy til retur-signalavhengig tilleggsstøy, og filtrere de transformerte intensitetene ved korrelasjon eller tilpasset filtrering for å identifisere mønstre av fiskemålstyrke eller bestandfordelinger.

26. Fremgangsmåte ifølge krav 13, hvori den optimaliserte bølgelengden er valgt slik at den totale akustiske dempningen forårsaket av bølgelederspredning fra fisk eller fiskegrupper er mindre enn 1 dB.

27. Fremgangsmåte ifølge krav 1, som innbefatter trinnet å beregne en hastighet av en fiskestim basert på et Dopplerfrekvensskift i de returakustiske signalene.

28. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori dannelsen av de akustiske signalene omfatter stimulering av bølgelengdemodiene for å maksimere de returakustiske signalene fra fisken og å minimere de returakustiske signalene fra sjøbunnen.

29. Anordning for å karakterisere en fiskebestand, hvor apparatet omfatter: a. en overførings innretning (215) for å danne, innenfor et akvatisk miljø, horisontalt rettede akustiske signaler via fangede modi hvorved signalene gjennomgår sylindrisk spredningstap, hvori de akustiske signalene har frekvenser under lOkHz som får en fisk til å spre de akustiske signalene hovedsakelig omnidireksjonalt; b. en mottager (225) for å motta returakustiske signaler stimulert av de dannede akustiske signalene; og c. en analysemodul (320) for å tolke de returakustiske signalene for slik å detektere og karakterisere fiskebestanden, hvori tolkningen omfatter å bestemme en målt spredt intensitet av de returakustiske signalene i et oppløsningsfotavtrykk, etablere en fiskemålstyrke og, basert på dette, identifisere retursignaler som indikerer en fiskepopulasjon, hvori fiskemålstyrken er basert på en totalspredningsareal av fisk innenfor resolusjonsfotavtrykket bestemt ved å dividere kilde og transmisjonsfaktorene fra kvadratet av absoluttverdien av den målte spredde intensiteten.

30. Apparatet ifølge krav 29, hvori overføringsinnretningen (215) er konfigurert til å danne de aksustiske signalene i henhold til fremgangsmåten i et hvilket som helst av kravene 8, 9, 13-16, 26 og 28.

31. Apparatet ifølge krav 29, hvori analysemodulen (320) er konfigurert til å tolke de returakustiske signalene i henhold til fremgangsmåten i et hvilket som helst av kravene 2, 10-12, 19-21,24, 25 og 27.

32. Apparatet ifølge krav 29, som videre omfatter en bildeprosesseringsmodul (330) konfigurert til å generere bilder i henhold til fremgangsmåten i krav 17 eller 18.

33. Apparatet ifølge krav 29, hvori overføringsinnretningen (215) danner akustiske signaler som utbres 360° i asimut.

34. Apparatet ifølge krav 29, hvori overføringsinnretningen (215) omfatter en vertikal innrettet gruppe av akustiske kilder.

35. Apparatet ifølge krav 29, hvori analysemodulen (320) er konfigurert til å karakterisere en total fiskebestand i et gitt område og variansen av den karakteriserte bestanden med tid som tidsserier av fiskebestand innenfor et områdebestandtetthetsområde.

36. Apparatet ifølge krav 29, hvori analysemodulen (320) er konfigurert til å karakterisere et tidsspektrum av fiskebestand tidsserier og en autokorrelasjon tidsskala av bestandfluktuasj oner.

37. Apparatet ifølge krav 32, hvori bildeprosesseringsmodulen (330) er konfigurert til å opprette et todimensjonalt romlig spektrum av fiskebestand og romlig korrelasjonsskala av et fiskebestandsenter.

38. Apparatet ifølge krav 32, hvori bildeprosesseringsmodulen (330) er konfigurert til å bestemme tidsserier av morfologien av en fiskegruppe ved å bestemme hoved og underaksene derav.

39. Apparatet ifølge krav 32, hvori bildeprosesseringsmodulen (330) er konfigurert til å redusere en varians ved hver piksel ved å ta gjennomsnitt av uavhengig tids- eller romlige sampler av en intensitet av de mottatte akustiske signalene i forhold til antallet sampler i gjennomsnittet.