2010年12月20日東京海洋大学 先端科学技術研究センタ 研究発表会東京海洋大学 先端科学技術研究センター 研究発表会

海洋生物 音響海洋生物 音響観測観測海洋生物の音響海洋生物の音響観測観測～基礎研究から先端研究まで～～基礎研究から先端研究まで～

先端科学技術研究センタ 助教先端科学技術研究センター・助教

甘糟 和男（あまかす かずお）甘糟 和男（あま す ずお）品川キャンパス 1号館406，amakasu@kaiyodai.ac.jp

本 は 海鷹丸南極調査 向かうため欠席とさ ただきま た本日は，海鷹丸南極調査へ向かうため欠席とさせていただきました。

本資料から少しでも私の研究に興味を持っていただければ幸いです。

自己紹介自己紹介自己紹介自己紹介甘糟 和男（ ）甘糟 和男（AMAKASU Kazuo）

1977年10月 静岡県沼津市に生まれる1977年10月 静岡県沼津市に生まれる。

2005年3月 東京水産大学大学院 博士（水産学）取得2005年3月 東京水産大学大学院 博士（水産学）取得

2005年4月 東京海洋大学大学院 特別研究員

2006年4月 (独)水産総合研究センタ 水産工学研究所2006年4月 (独)水産総合研究センター 水産工学研究所

研究等支援職員

2006年12月 東京海洋大学 助手⇒助教（2007年4月より）

現在に至る。

専門分野 ：プランクトン音響学，水産音響学

所属学会 ：海洋音響学会，日本水産学会

はじめにはじめにはじめにはじめに• 海洋生物（魚類，動物プランクトンなど）の観測手法には，

ネット手法，光学手法，音響手法などがあります。法，光 法，音響 法 あり す。

• 音響手法の利点は，空間分解能が高く，サンプリング体積が大きい点などにあり，欠かせない観測手法の一つです。大きい点などにあり，欠かせない観測手法の つです。

• また，使用する音波には，以下のような特長があります。

音波の特長

海洋生物の音響観測手法海洋生物の音響観測手法海洋生物の音響観測手法海洋生物の音響観測手法生物学的情報の抽出・密度（inds./m3）・ 体長・体長・行動（遊泳速度，姿勢）・分類群

など

ネット手法が生物そのものを採集して分析するのに対し，音響手法とは音波を出し，生物から反射した音波を採集（収録）し そ生物から反射した音波を採集（収録）し，それを解析することによって生物学的情報を抽出（推定）する手法です。

しかし，音響手法だけで良い観測は行えません。ネット手法などと互いに協力して調査が行われますが行われます。

音響観測手法の適用先音響観測手法の適用先音響観測手法の適用先音響観測手法の適用先

音響観測手法（海洋生物に的を絞 ています）

海洋生物の音響観測手法は，左図のように様々な調査・研究に適用されています。

（海洋生物に的を絞っています）

歴史的には，魚群探知機を水産資源調査に応用したことに始まります。

水産資源調査 海洋生物調査

現在では，水産資源調査のみならず，動物プランクトンやマイクロネクトンなどの海洋生物調査にも適用されています。

近年では，動物プランクトンを対象とした音響観測手法が乱流微細構造や内部波といった海洋物理調査にも応用されるようになってき

漁労技術

海洋物理調査 も応用されるよう な てきました。

一方，科学的な分野で培われた多くの技術が，漁労技術へフィードバックされています

海洋物理調査乱流微細構造，内部波

• 海洋生態系の把握，生物多様性の維持• 海洋生態系と地球・海洋環境との相互作用の解明• 水産資源の管理および変動予測

漁労技術へフィードバックされています。

音響観測手法は，左に列挙した研究などへ貢献し，さらにその先には，人類への安定した食

• 食料資源として重要な海洋生物の確保• 安定した食糧供給の実現

糧供給に貢献する技術であると考えています。

研究テ マ研究テ マ研究テーマ研究テーマ

• 海洋生物の音波散乱特性に関する研究

各種推定手法に関する研究• 各種推定手法に関する研究

• 音響手法を適用した海洋生物の観測

広帯域信号を使 た観 手法 関する 究• 広帯域信号を使用した観測手法に関する研究

海洋生物の音波散乱特性に関する研究海洋生物の音波散乱特性に関する研究海洋生物の音波散乱特性に関する研究海洋生物の音波散乱特性に関する研究

音響手法の第一の目的は，生物の密度推定です。右下の図に示したように，SVと音響手法の第 の目的は，生物の密度推定です。右下の図に示したように，SVとTSという音波散乱強度を用います。

体積後方散 強度 群れ 散SVとは，体積後方散乱強度（Volume backscattering strength）と言い，群れの散乱強度を表します。この値は，生物１個体の散乱強度であるTS（ターゲットストレングス，Target strength）と密度nの積で表せます。したがって，SVをTSで割ればnが求まg gるという理屈です。

TSは，密度推定において非常に重要なTSは，密度推定において非常に重要な

スケールファクターであるとともに，様々な推定手法に応用されます。

このような重要性から，海洋生物の音波散乱特性について，実測と理論の両面から研究を実施しています面から研究を実施しています。

これまでに研究した生物変数を表すため，イタリック表記と添え字を使っています。カタクチイワシ，ナンキョクオキアミ，

トドハダカ，ミナミマグロなど

カタクチイワシ（カタクチイワシ（EngraulisEngraulis japonicusjaponicus）の）のTSTS研究研究カタクチイワシ（カタクチイワシ（EngraulisEngraulis japonicusjaponicus）の）のTSTS研究研究

甘糟和男, 貞安一廣, 安部幸樹, 高尾芳三, 澤田浩一, 石井 憲, “カタクチイワシ（Engraulis japonicus）の鰾形状お よびターゲットストレングスと体長の関係,” 海洋音響学会誌 37, 46‐59 (2010).

ナンキョクオキアミ（ナンキョクオキアミ（EuphausiaEuphausia superbasuperba）の）のTSTS研究研究ナンキョクオキアミ（ナンキョクオキアミ（EuphausiaEuphausia superbasuperba）の）のTSTS研究研究

Amakasu K Ono A Moteki M and Ishimaru T “Sexual dimorphism in body shape of Antarctic krill (Euphausia superba) and its influence on targetAmakasu, K., Ono, A., Moteki, M., and Ishimaru, T.,  Sexual dimorphism in body shape of Antarctic krill (Euphausia superba) and its influence on target strength,” Polar Science, submitted.

Amakasu, K. and Furusawa, M., “The target strength of Antarctic krill (Euphausia superba) measured by the split‐ beam method in a small tank at 70 kHz,” ICES Journal of Marine Science 63, 36‐45 (2006). 海洋音響学会2006年度論文賞受賞

各種推定各種推定手法に関する研究手法に関する研究各種推定各種推定手法に関する研究手法に関する研究

現在の音響手法の一番の弱点は，音響手法のみでは種や体長がわからな響手法のみでは種や体長がわからないことです。

そのため，調査ではネット手法などの協力を仰いでいます。しかし，ネット手協力を仰 ます。し し，ネッ 手法などの実施が困難な場合もあります。

そこで，収録した音響信号から，種の識別に資すると考えられる体長 行動識別に資すると考えられる体長，行動（遊泳速度，姿勢）という情報を推定する手法について研究しています。？？

行動推定ができる行動推定ができる行動推定行動推定エコートレース解析法に関する研究エコートレース解析法に関する研究

Ping No.200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250

38

39

Ping No.

θ

x

y39

40

41nge (m

)iθy

v42

43

Ran

推定sθ

TS 生物１個体のエコーの連なり（単体のエコートレース）

v

対象生物の位置を測定し，エコートレースの形状を解析することにより，

zs （単体の コ トレ ス）

対象 物 位置を測定し， 形状を解析する より，遊泳速度v，姿勢θs などが推定できます。さらに発展させるとTSの最大値から体長も推定できます。

Furusawa, M., and Amakusu, K., “The analysis of echotrace obtained by a split‐beam echosounder to observe the tilt‐angle dependence of fish target strength in situ,” ICES Journal of Marine Science 67, 215–230 (2010).

サイズ別密度が推定できるサイズ別密度が推定できるサイズ別密度が推定できるサイズ別密度が推定できる多周波インバース法に関する多周波インバース法に関する研究研究

甘糟和男, 小川誠記, 内川和久, 澤田浩一, “多周波インバース法における解析パラメータ決定のためのシミュレーションによる検討,” 海洋音響学会講演論文集, 11‐14 (2009)  日本海洋工学会JAMSTEC中西賞受賞

音響手法を適用した海洋生物の観測音響手法を適用した海洋生物の観測音響手法を適用した海洋生物の観測音響手法を適用した海洋生物の観測

各 推音波散乱特性，各種推定手法に関する研究成果を実際の調査に適用し，特に生物と環境との関係に注目した観測を行 ています行っています。

2007/08 南極海の海鷹丸から撮影

海鷹丸に搭載されている計量魚群探知機によって観測された約10 kmにわたるナンキョクオキアミの群れ

2007/08 2007/08 UmitakaUmitaka‐‐marumaru cruisecruise//Collaborative East Antarctic Marine Census projectCollaborative East Antarctic Marine Census project

海鷹丸をベ に実施された日本 オ トラリ ラ による国際共同調査に参加し海鷹丸をベースに実施された日本，オーストラリア，フランスによる国際共同調査に参加し，ナンキョクオキアミの密度分布および水温構造との関連について明らかにしました。

水温構造との関連性

密度分布密度分布

Amakasu, K., Ono, A., Hirano, D., Moteki, M., and Ishimaru, T., “Distribution and density of Antarctic krill (Euphausia superba) and ice krill (E. crystallorophias) off Adélie Land in austral summer 2008 estimated by acoustical methods,” Polar Science, submitted.

甘糟和男, 戸田亮二, 小野敦史, 田中祐志, 萩田隆一, 宮本佳則, “相模湾で観測されたパッチエコー,” 日本水産学会秋季大会,京都, 2010年9月.

琵琶湖における生物 物理環境調査琵琶湖における生物 物理環境調査琵琶湖における生物・物理環境調査琵琶湖における生物・物理環境調査

Yamazaki, H., Honma, H., Nagai, T., Doubell, M.J., Amakasu, K., and Kumagai, M.,  “Multilayer biological structure and mixing in the upper water column of Lake Biwa during summer 2008,” Limnology 11, 63–70 (2010).

広帯域信号を使用した観測手法に関する研究広帯域信号を使用した観測手法に関する研究広帯域信号を使用した観測手法に関する研究広帯域信号を使用した観測手法に関する研究

海洋生物 調査 は 般的 計量魚群探知機と う機器が使用され ますが海洋生物の調査には，一般的に計量魚群探知機という機器が使用されていますが，使用されている音波は，38，120 kHzなどを中心周波数とした狭帯域（ナローバンド）の信号です。

少し前にインターネットの世界でブロードバンド（広帯域）という言葉が流行りましたが 海洋生物を対象とした音響観測手法の分野でもブロ ドバンド化が世界的に進が，海洋生物を対象とした音響観測手法の分野でもブロードバンド化が世界的に進みつつあります。

イルカやクジラの鳴音広帯域信号の利点は，「距離分解能の向上」，「信号対雑音比の向上」，「広帯域音波散乱特性が測定可能」などにあり，従来の弱点を克服した新たな音響観測手法になると期待され

も広帯域信号です。

従来の弱点を克服した新たな音響観測手法になると期待されています。

そこで 広帯域信号が扱える送受波器の開発に取り組んでいそこで，広帯域信号が扱える送受波器の開発に取り組んでいます。

＊送受波器とは 音波を送波または受波できるセンサ で＊送受波器とは，音波を送波または受波できるセンサーです。

積層圧電アクチ タを使用した積層圧電アクチ タを使用した積層圧電アクチュエータを使用した積層圧電アクチュエータを使用した広帯域送受波器広帯域送受波器広帯域送受波器広帯域送受波器

音波を送波または受波できる圧電素子というものがあり 様々な水中音響機器に使用音波を送波または受波できる圧電素子というものがあり，様々な水中音響機器に使用されています。

デ従来の圧電素子では広帯域化が困難でしたが，デジタルカメラの手ぶれ補正やオートフォーカスなどに使用されている積層圧電アクチュエータを使用することにより，送受波器の広帯域化を実現しました。

右の写真は試作機した直径11 cmの広帯域送受波器です。試作機なので，まだ線が飛び機 飛出ています。

緑色の四角（10 mm×10 mm）のものが素子で緑色の四角（10 mm×10 mm）のものが素子で

す。複数配列することにより，ビームを形成しています。

性能評価性能評価性能評価性能評価送受感度 受波感度

160

170

180

Vrms)

180

‐170

‐160

/μPa)

送受感度 受波感度

140

150

160

波感

度(dB re

 μPa/V

‐200

‐190

‐180

波感度

(dB re

 Vrm

s/

← 従来は，この程度の特性だった。

120

130

0 20 40 60 80 100 120 140 160

送波

‐220

‐210

0 20 40 60 80 100 120 140 160

受波

周波数 (kHz)

0 0 0 60 80 00 0 0 60

周波数 (kHz)

3

従来の送受波器よりもはるかに広帯域な性能を有することがわかりました また 設計ど

送受波器のビームパターン

‐15‐12‐9‐6‐30

(dB)

能を有することがわかりました。また，設計どおりのビームパターンも実現しています。

受波感度がやや悪いので 今後 工夫して平

‐33‐30‐27‐24‐21‐18

指向

性

実測値

理論値

受波感度がやや悪いので，今後，工夫して平坦な特性となるようにし，現場で使用可能な送受波器にしていく予定です。

‐39‐36

‐90 ‐75 ‐60 ‐45 ‐30 ‐15 0 15 30 45 60 75 90

θ (deg)

また，この能力を生かした観測手法を開発していきます。

おわりにおわりにおわりにおわりに最後までお読みいただきありがとうございました最後までお読みいただきありがとうございました。

簡単ではありますが，これまでの研究成果の一部を紹介させていただきました。

不明な点も多々あったかと思います。

質問などございましたら，amakasu@kaiyodai.ac.jp  までご連絡ください。

研究成果の多くは学内外の研究者との共同研究によるものです研究成果の多くは学内外の研究者との共同研究によるものです。

サポートいただいた方々に感謝申し上げます。

参考図書参考図書参考図書参考図書

Chapter 6 Acoustical methodsK.G. Foote and T.K. Stanton