Детектор летучих мышей
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( декабрь 2008 г. ) |
Детектор летучих мышей — это устройство, используемое для обнаружения присутствия летучих мышей путем преобразования их эхолокационных ультразвуковых сигналов, излучаемых летучими мышами, в слышимые частоты , обычно от 120 Гц до 15 кГц. Существуют и другие типы детекторов , которые записывают звонки летучих мышей, чтобы их можно было впоследствии проанализировать, но они чаще называются по их конкретной функции.
Летучие мыши издают звуки в диапазоне от 12 до 160 кГц, но верхние частоты в этом диапазоне быстро поглощаются воздухом. Многие детекторы летучих мышей ограничены в лучшем случае диапазоном от 15 до 125 кГц. Детекторы летучих мышей доступны в продаже, а также могут быть изготовлены самостоятельно.
Использование детекторов летучих мышей
[ редактировать ]Детекторы летучих мышей используются для обнаружения присутствия летучих мышей, а также помогают сделать выводы об их виде. [1] Некоторые крики летучих мышей отчетливы и их легко распознать, например, крики подковообразных летучих мышей ; другие крики менее различимы между сходными видами. Хотя летучие мыши могут менять свои звуки во время полета и охоты, ухо можно научить распознавать виды в соответствии с частотными диапазонами и частотой повторения эхолокационных сигналов. Летучие мыши также издают социальные сигналы (неэхолокационные вызовы) на ультразвуковых частотах.
Основным ограничением акустических детекторов летучих мышей является их дальность действия, которая ограничена поглощением ультразвука в воздухе. На средних частотах около 50 кГц максимальная дальность составляет всего лишь около 25–30 метров в средних атмосферных условиях, когда летучие мыши летают. Оно уменьшается с увеличением частоты. Некоторые звуки летучих мышей содержат компоненты около 20 кГц или даже ниже, а иногда их можно обнаружить на расстоянии, в 2 или 3 раза превышающем обычный диапазон. Однако на расстоянии будут обнаружены только низкочастотные компоненты. Полезный диапазон детекторов летучих мышей уменьшается с увеличением влажности, а в туманных условиях максимальный диапазон может быть очень низким.
Важно распознавать три типа эхолокационного сигнала летучих мышей: частотная модуляция (FM), постоянная частота (CF) (иногда называемая амплитудной модуляцией ) и составные сигналы с компонентами FM и CF. Ниже показана летучая мышь, выполняющая вызов типа FM, за которой следует летучая мышь, использующая вызов типа CF:
Вызов FM слышен как быстрые сухие щелчки, а вызов CF — как писки. Они различаются по частоте из-за эффекта Доплера , когда летучая мышь пролетает мимо. Гетеродинный детектор летучих мышей усиливает эффект Доплера. Когда летучая мышь, издающая сигналы CF, летит к детектору, высота звука падает.
Некоторые виды летучих мышей используют составной вызов FM и CF, начиная с быстро падающего вызова FM, который в конце замедляется и превращается в вызов CF, придавая графику форму «хоккейной клюшки». Из-за этого звонок на детекторе летучих мышей звучит по-другому:
Это дает гораздо более влажный звук, чем чистый FM-вызов. Нетопыри обычно используют призыв хоккейной клюшки для общей эхолокации, но иногда используют только FM-часть. Конечные частоты для обыкновенного нетопыря и сопрано-нетопыря составляют около 45 кГц и 55 кГц соответственно, но эти частоты могут сильно различаться.
Обычно используются три типа аудиодетекторов летучих мышей «реального времени»: гетеродин, частотное разделение и временное расширение. Некоторые детекторы летучих мышей сочетают в себе два или все три типа.
Типы детекторов летучих мышей
[ редактировать ]Гетеродин
[ редактировать ]
Чаще всего используются гетеродинные детекторы, и большинство самодельных детекторов относятся к этому типу. Гетеродинная функция часто встроена и в детекторы других типов. Гетеродинный детектор летучих мышей просто сдвигает все ультразвуковые частоты вниз на фиксированную величину, чтобы мы могли их услышать.
«Гетеродин» — это частота ударов, которую можно услышать, когда играют две близкие музыкальные ноты вместе. Гетеродинный детектор летучих мышей объединяет звук летучей мыши с постоянной внутренней частотой, так что генерируются суммарная и разностная частоты. Например, крик летучей мыши на частоте 45 кГц и внутренней частоте 43 кГц дает выходные частоты 2 кГц и 88 кГц. Частота 88 кГц не слышна и отфильтровывается, а частота 2 кГц подается на громкоговоритель или наушники. Внутренняя частота отображается на циферблате или на дисплее.
Более качественная версия гетеродинного детектора летучих мышей прямого преобразования — это супергетеродинный детектор. В этом случае сигнал летучей мыши смешивается с высокочастотным генератором, обычно около 450–600 кГц. Разностная частота затем усиливается и фильтруется на «промежуточной частоте» или в усилителе перед повторным преобразованием обратно в слышимые частоты. Эта конструкция, основанная на стандартной конструкции радиоприемника, обеспечивает улучшенную избирательность частоты и позволяет избежать проблем, связанных с помехами от гетеродина.
В более поздних детекторах на основе DSP гетеродинное преобразование может выполняться полностью в цифровом виде.
Также можно использовать генератор «гребенчатого спектра» в качестве гетеродина, чтобы детектор эффективно настраивался одновременно на множество частот с разницей в 10 кГц.
В некоторых первых детекторах летучих мышей использовались низкочастотные радиоприемники бывшего ВМФ, просто заменявшие антенну микрофоном и предварительным усилителем. Также можно модифицировать портативное длинноволновое радио в детектор летучих мышей, отрегулировав частоты настройки и заменив антенну с ферритовым стержнем микрофоном и предварительным усилителем.
Как это используется
[ редактировать ]Оператор угадывает вероятный вид присутствующего вида и соответствующим образом настраивает частоту. Многие пользователи начнут слушать около 45 кГц. Если видна летучая мышь или слышен крик, похожий на летучую мышь, частота настраивается вверх и вниз до тех пор, пока не будет слышен самый чистый звук.
Такие виды, как нетопыри, которые заканчивают свой крик компонентом CF «хоккейной клюшки», можно распознать по самой низкой частоте, которая дает наиболее чистый «хлопающий» звук. Подковоносы издают пищащий звук с частотой, зависящей от их вида. Все FM-вызовы, как правило, звучат как щелчки, но начальная и конечная частоты, а также характер повторения вызовов могут дать подсказку относительно их вида.
Плюсы и минусы
[ редактировать ]Преимущества гетеродинного детектора летучих мышей заключаются в том, что он работает в режиме реального времени, преувеличивает изменения частоты криков летучих мышей, прост в использовании и наименее дорог. в криках CF летучих мышей легко распознать Доплеровский сдвиг по скорости их полета. Стереопрослушивание и запись возможны с помощью таких моделей, как стереогетеродинный детектор CSE, и это может помочь отслеживать летучих мышей в условиях плохой видимости.
Недостатком гетеродинного детектора летучих мышей является то, что он может преобразовывать только узкую полосу частот, обычно 5 кГц, его необходимо постоянно перенастраивать, и он может легко пропустить виды за пределами текущего настроенного диапазона.
Частотное разделение
[ редактировать ]
Детекторы летучих мышей с частотным разделением (FD) синтезируют звук, который составляет часть частоты крика летучей мыши, обычно 1/10. Это делается путем преобразования вызова в прямоугольную волну , иначе называемую сигналом пересечения нуля. Эта прямоугольная волна затем делится с помощью электронного счетчика на 10, чтобы получить еще одну прямоугольную волну. Прямоугольные волны звучат резко и содержат гармоники , которые могут вызвать проблемы при анализе, поэтому они по возможности отфильтровываются. Некоторые современные полностью цифровые детекторы могут синтезировать синусоидальную волну вместо прямоугольной. Одним из примеров детектора, который синтезирует синусоидальный выходной сигнал FD, является Griffin.
Некоторые детекторы FD выдают этот сигнал постоянного уровня, который воспроизводит фоновый шум и крики летучих мышей на одном и том же высоком уровне. Это вызывает проблемы как с прослушиванием, так и с анализом. Более сложные детекторы FD, такие как Batbox Duet, измеряют уровень входящей громкости, ограничивая шумовой порог, и используют это для восстановления изменений выходного уровня. Этот и другие сложные детекторы FD также включают в себя гетеродинный детектор и имеют выходной разъем, позволяющий записывать независимые выходные сигналы для последующего анализа.
Как это используется
[ редактировать ]При использовании детекторов FD с двумя выходами наушники можно использовать для одновременного мониторинга обоих выходов или использовать громкоговоритель с функцией гетеродина, а выход FD можно записать и проанализировать позже. В качестве альтернативы, прослушивание вывода FD дает звуковой рендеринг вызова летучей мыши на частоте 1/10. Примером двойного детектора является Ciel CDB301.
Двойные FD/гетеродинные детекторы полезны для трансектов по пересеченной местности, особенно когда имеется функция записи голосовых заметок, таких как время, местоположение и распознанные сигналы летучих мышей. Выходные данные или выходные данные записываются на кассету, минидиск или твердотельные записывающие устройства, загружаются на компьютер и анализируются с использованием специального программного обеспечения. Вызовы, пропущенные функцией гетеродина, если они есть, можно увидеть и измерить при анализе.
Плюсы и минусы
[ редактировать ]Преимущества. Как и гетеродинный детектор, FD-детектор работает в режиме реального времени с функцией гетеродина или без нее. Крики летучих мышей можно услышать полностью во всем диапазоне, а не в ограниченном диапазоне частот. Перенастройка с помощью детектора FD не требуется, хотя она выполняется с помощью двойного типа с гетеродином. Анализируя запись позже, можно измерить весь диапазон частот звонков и характер звонков.
Серьезным недостатком прослушивания в реальном времени является то, что скорость крика летучей мыши остается высокой, часто слишком высокой для того, чтобы можно было распознать вид. Изменения частоты вызовов CF не преувеличены, как у гетеродинного детектора, и поэтому менее заметны. Также у некоторых видов, таких как малая подковоносная летучая мышь с частотой голоса около 110 кГц, результирующая частота все еще довольно высока, хотя ее можно записать. Синтезирование вызова означает, что одновременно может быть воспроизведен только один вызов летучей мыши, а одновременные вызовы вызывают путаницу. Удивительно, но это не является большим недостатком при последующем анализе записи.
Расширение времени
[ редактировать ]
Детекторы временного расширения (TE) работают путем оцифровки сигналов летучих мышей с высокой частотой дискретизации с использованием аналого-цифрового преобразователя и сохранения оцифрованного сигнала во встроенной памяти.
Детекторы TE представляют собой устройства «реального времени», поскольку их можно контролировать во время записи, но существует неизбежная задержка, пока высокоскоростной фрагмент выборки замедляется и воспроизводится повторно.
Как это используется
[ редактировать ]В режиме реального времени, с соответствующим гетеродинным или FD-детектором или без него, замедленные звонки можно услышать как протяжный крик летучей мыши на слышимых частотах. Таким образом, быстрые FM-вызовы можно услышать как нисходящую ноту, а не как щелчок. Таким образом, можно услышать разницу между FM-вызовами, которые звучат как щелчки на детекторах других типов.
После загрузки аудиозаписи на компьютер исходные вызовы анализируются так, как если бы они все еще сохраняли исходную нерасширенную скорость.
Плюсы и минусы
[ редактировать ]Выходной сигнал может быть записан с помощью аудиорекордера, как в случае с детекторами FD, или в более поздних устройствах сигнал может быть записан непосредственно во внутреннюю цифровую память, например, на компактную флэш-карту. Вся форма сигнала записывается с сохранением всего диапазона вызова, а не 1/10 формы сигнала, как в детекторе FD. Поскольку в записанном звонке сохраняется информация как о частоте, так и об амплитуде, для видового анализа доступно больше данных.
Ранние устройства были оснащены небольшой памятью, что ограничивало время, которое можно было оцифровать. Как только память заполнялась (обычно максимум на несколько секунд), устройство воспроизводило запись с более медленной скоростью, обычно от 1/10 до 1/32 скорости исходной записи. Пока записанный семпл воспроизводится медленно, ничего не записывается, поэтому вызовы летучих мышей семплируются с перерывами. Например, когда 1-секундный вызов воспроизводится со скоростью 1/32, 32-секундные вызовы не записываются.
В более поздних устройствах записи с расширением времени используется флэш-память большого объема (например, съемные компакт-флэш-карты) и запись непосредственно на карту с высокой пропускной способностью, что обеспечивает непрерывную запись в реальном времени с полной полосой пропускания. Такие устройства могут вести непрерывную запись в течение многих часов, сохраняя при этом максимум информации в сигнале.
Некоторые устройства также оснащены функцией автоматической записи, и их можно оставлять в поле на многие дни.
Некоторые устройства также включают функцию предварительной буферизации для регистрации событий, произошедших незадолго до нажатия кнопки «запись», что может быть полезно для ручных съемок.
Детекторы TE обычно используются для профессиональной и исследовательской работы, поскольку они позволяют позднее полностью проанализировать крики летучих мышей.
Частота дискретизации для цифровых/TE-детекторов
[ редактировать ]Исследования 2010 года показали, что частоты, используемые летучими мышами, могут достигать 250 кГц. [2] ). Теорема выборки Найквиста -Шеннона гласит, что минимальная частота дискретизации, необходимая для успешной записи сигнала, должна более чем в два раза превышать полосу пропускания сигнала. Поэтому для записи полосы пропускания 250 кГц требуется частота дискретизации более 500 кГц. Современные устройства с возможностью расширения по времени обычно производят выборку на частоте от 300 до 700 кГц. В общем, чем быстрее, тем лучше, хотя более высокая частота дискретизации требует больше места для хранения.
Другие типы детекторов летучих мышей
[ редактировать ]Анализ пересечения нуля
[ редактировать ]ZCA чаще всего ассоциируется с детектором летучих мышей Anabat от Titley Scientific. [3] Исходные вызовы летучих мышей оцифровываются, а точки пересечения нуля используются для создания потока данных, который записывается на карту памяти. Имеются сложные элементы управления синхронизацией и триггерами, а также устройство можно настроить на реагирование на вызовы летучих мышей, что обеспечивает возможность многочасовой записи в беспилотных ситуациях. Целью ZCA является уменьшение объема данных, которые должны быть записаны в память, и его можно рассматривать как простую форму сжатия данных с потерями . Исторически сложилось так, что для достижения длительного времени записи такое уменьшение информации было необходимо из-за ограничений емкости и стоимости памяти.
Твердотельная запись ZCA анализируется специальным программным обеспечением для создания графика времени/частоты каждого звонка, который можно проверить на распознавание видов аналогично записям FD или TE.
Как это используется
[ редактировать ]Детектор ZCA обычно размещается на ночлеге летучей мыши или на траектории полета летучей мыши и оставляется на несколько дней для сбора данных. Таким образом, это менее трудоемко, чем использование пилотируемого детектора летучих мышей в режиме реального времени.
Плюсы и минусы
[ редактировать ]Хотя детектор ZCA также можно использовать в режиме реального времени, он предназначен для удаленной записи в течение длительных периодов времени. Анализ аналогичен анализу записей FD, но данные об амплитуде не включены. Однако он точно записывает каждую точку пересечения нуля, а не только одну из десяти. Как и все записывающие устройства, активируемые входным сигналом, автоматически записывающий детектор ZCA подвержен ультразвуковым помехам со стороны насекомых, таких как сверчки. Можно написать фильтры, позволяющие выбирать характерную частоту одних видов и игнорировать другие; некоторые (виды CF) фильтровать легче, другие практически невозможно.
Высокочастотная запись
[ редактировать ]Это можно сделать с помощью высокоскоростного периферийного устройства цифрового преобразователя на компьютере, например ноутбуке. Это не детектор летучих мышей как таковой, но записи криков летучих мышей можно анализировать аналогично записям TE. Этот метод создает большие файлы данных и не дает средств для обнаружения вызовов летучих мышей без одновременного использования детектора летучих мышей. Однако существуют и более сложные системы, такие как Avisoft-UltraSoundGate, которые могут заменить обычный детектор летучих мышей. Эти передовые системы дополнительно обеспечивают спектрографическое отображение в реальном времени, инструменты автоматического измерения и классификации параметров вызовов, встроенные функции GPS и универсальный инструмент ввода метаданных для документирования записей.
DSP-детекторы
[ редактировать ]Детекторы летучих мышей DSP призваны обеспечить акустически точное изображение криков летучих мышей за счет использования цифрового процессора сигналов для сопоставления ультразвуковых сигналов летучих мышей со звуковыми звуками; Для этого используются различные алгоритмы, и ведется активная разработка и настройка алгоритмов.
Одна стратегия, называемая «сдвигом частоты», использует анализ сигнала БПФ, чтобы найти основную частоту и мощность сигнала, затем с помощью цифрового моделирования синтезируется новая звуковая волна из исходной, разделенной на определенное значение.
Процессы разделения частоты и гетеродинного преобразования также могут выполняться в цифровом виде.
Кодирование сигнала во временной области
[ редактировать ]Считается, что этот тип детектора летучих мышей находится в стадии предсерийного или экспериментального производства и недоступен коммерчески. [ нужна ссылка ] В настоящее время проводятся исследования по анализу многих типов ультразвуковых сигналов и звуков, помимо звуков летучих мышей. [4]
Детектор TDSC оцифровывает исходные вызовы и выводит двумерную строку данных путем анализа параметров каждого вызова во времени. Это анализируется нейронной сетью, чтобы обеспечить распознавание образов для каждого вида.
Неакустическое обнаружение
[ редактировать ]Визуальное наблюдение является очевидным средством обнаружения летучих мышей, но, конечно, это можно сделать только в дневное или сумеречное время (т. е. в сумерках и на рассвете). Подсчет вылетов проводится визуально в сумерках с использованием детектора летучих мышей для подтверждения вида. В условиях низкой освещенности можно использовать прибор ночного видения , но более доступный тип поколения 1 имеет время задержки, которое не может обеспечить подходящее изображение летучей мыши.
Инфракрасные (ИК) камеры и видеокамеры используются с ИК-осветителем для наблюдения за появлением и поведением летучих мышей внутри и снаружи насеста. Проблема этого метода заключается в том, что подсчет подсчета на основе записи является утомительным и отнимает много времени, но видеокамеры могут быть полезны в качестве резервной копии при подсчете выхода на насест, чтобы наблюдать за летучими мышами, возвращающимися в насест. Многие видеокамеры Sony чувствительны к инфракрасному излучению.
Инфракрасные устройства обычно состоят из двойного массива невидимых ИК-лучей. Размер входа в насест определяет количество необходимых балок и, следовательно, требуемую мощность и возможность использования вне сети. Для ящиков с летучими мышами доступны однолучевые самодельные системы, но они не регистрируют направление движения. Почти все системы, используемые сегодня, являются некоммерческими или самодельными. Система, используемая в некоторых шахтах в Висконсине, использует две решетки лучей, однако они расположены довольно далеко друг от друга и, следовательно, регистрируют только примерно 50% летучих мышей, хотя экстраполированные цифры достигаются за счет корреляции видео с отметкой времени и данных о разрыве луча. Сельский совет Уэльса (CCW) использует две аналогичные системы с лучами, расположенными достаточно близко друг к другу, чтобы каждая летучая мышь, проходящая через вход, регистрировалась вместе с температурой. Этим системам требуется либо сетевое питание, либо батареи глубокого разряда 12 В. Их можно использовать вместе с Anabat Zcaim, установленным в 6-дюймовой почвенной трубе и направленным через вход в насест, чтобы различать виды путем сопоставления данных временных меток из ИК-матрицы и отфильтрованных данных Anabat Zcaim для подковоносов (относительно легко из-за их легко идентифицируемую эхолокацию CF, которую можно автоматически фильтровать с помощью программного обеспечения Anabat).
Данные из систем разрыва балок должны быть тщательно проанализированы, чтобы исключить «поведение легкого отбора проб» (отбор проб окружающей среды), когда летучие мыши неоднократно покидают насест и немедленно возвращаются, если условия неподходящие. Некоторые системы дискриминируют животных размером с летучую мышь; они определяют, сломаны ли лучи животным размером с летучую мышь, и игнорируют все остальные транзиты. Важно, чтобы данные анализировались с использованием методологии, учитывающей поведение выборки света. Метод, который, по-видимому, дает наиболее точные результаты, следующий: «внешнему» транзиту присвоено 1, «внутреннему» транзиту присвоено -1. Счетчик стартов обнуляется ежедневно в 16:00. Используя электронную таблицу, значения суммируются с 16:00 каждый день до 9:00 следующего дня. Максимальное «положительное» количество легко найти для каждого дня. Поскольку каждый транзит имеет отметку времени, также известно точное время максимального ежедневного количества. Подсчеты легких выборок исключаются из данных, поскольку «выход» 1 отменяется «входом» -1, в результате чего совокупный счетчик проб легких летучих мышей становится нулевым.
Тепловизоры , которые имеют достаточно высокое разрешение, чтобы регистрировать летучих мышей на расстоянии более 30 метров, стоят дорого, но они используются для оценки опасности ветряных турбин для птиц и летучих мышей. «Доступные» тепловизоры имеют дальность обнаружения летучих мышей примерно того же порядка, что и акустические детекторы летучих мышей, из-за небольших размеров и низкого тепловыделения летучих мышей.
Пассивные инфракрасные датчики медленны, со скоростью отклика порядка десятой секунды и обычно не обнаруживают небольших быстрых млекопитающих, таких как летучая мышь.
Радар использовался для обнаружения летучих мышей за акустическим пределом, но он очень дорог в плане оборудования и человеко-часов. Установки для защиты от ударов самолетов (BASH) способны обнаруживать летучих мышей, но обычно располагаются там, где летает мало летучих мышей. Подходящих мобильных наземных радаров очень мало. Модули ручных доплеровских радаров использовались в полевых условиях, чтобы позволить исследователям компенсировать доплеровский сдвиг, возникающий при записи сигналов летучих мышей из-за скорости их полета. Это позволяет исследователям определить, меняют ли летучие мыши высоту своих криков в полете.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ален, И. и Баагё, Х. 1999. Использование ультразвуковых детекторов для исследований летучих мышей в Европе - опыт полевой идентификации, исследований и мониторинга. Acta Chiropterologica, 1:137-150.
- ^ Даниэла А. Шмидер; и др. «Нарушение компромисса: летучие мыши в тропических лесах максимизируют пропускную способность и частоту повторения эхолокационных вызовов при приближении к добыче». Макс Планк Общество.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Часто задаваемые вопросы – Поддержка» . www.titley-scientific.com . Проверено 29 июня 2020 г.
- ^ Чесмор, Э.Д. (1 декабря 2001 г.). «Применение кодирования сигналов во временной области и искусственных нейронных сетей для пассивной акустической идентификации животных». Прикладная акустика . 62 (12): 1359–1374. дои : 10.1016/S0003-682X(01)00009-3 .