Детектор летучих мышей - Bat detector
Детектор летучей мыши это устройство , используемое , чтобы обнаружить присутствие летучих мышей путем преобразования их эхолокационных ультразвуковые сигналы, так как они испускаются летучих мышей, слышимым частот , обычно около 120 Гц до 15 кГц. Существуют и другие типы детекторов, которые записывают звонки летучих мышей, чтобы их можно было проанализировать впоследствии, но они чаще относятся к их конкретной функции.
Летучие мыши издают звуки от 12 кГц до 160 кГц, но верхние частоты в этом диапазоне быстро поглощаются воздухом. Многие детекторы летучих мышей в лучшем случае ограничены диапазоном от 15 до 125 кГц. Детекторы летучих мышей доступны в продаже, а также могут быть изготовлены самостоятельно.
Использование детекторов летучих мышей
Детекторы летучих мышей используются для обнаружения летучих мышей, а также помогают сделать выводы об их виде. Некоторые крики летучих мышей отчетливы и легко узнаваемы, например, подковообразные летучие мыши ; другие звонки менее различимы между подобными видами. В то время как летучие мыши могут изменять свои крики во время полета и охоты, ухо можно обучить распознавать виды в соответствии с частотными диапазонами и частотой повторения сигналов эхолокации. Летучие мыши также издают социальные звонки (неэхолокационные звонки) на ультразвуковых частотах.
Основным ограничением акустических детекторов летучих мышей является их диапазон, который ограничен поглощением ультразвука в воздухе. На средних частотах около 50 кГц максимальная дальность полета составляет всего от 25 до 30 метров в средних атмосферных условиях, когда летучие мыши летают. Это уменьшается с увеличением частоты. Некоторые звонки летучих мышей имеют компоненты около 20 кГц или даже ниже, и иногда они могут быть обнаружены в 2 или 3 раза превышающем обычный диапазон. Однако на расстоянии будут обнаружены только более низкочастотные компоненты. Полезный диапазон детекторов летучих мышей уменьшается с влажностью, и в условиях тумана максимальный диапазон может быть очень низким.
Важно различать три типа эхолокационного вызова летучей мыши: частотная модуляция (FM), постоянная частота (CF) (иногда называемая амплитудной модуляцией ) и составные вызовы с компонентами FM и CF. Ниже показано, как летучая мышь выполняет вызов типа FM, за которой следует летучая мышь, которая использует вызов типа CF:
Звонок FM слышен в виде быстрых сухих щелчков, а звонок CF - в виде писков. Они различаются по частоте из-за эффекта Доплера, когда летучая мышь пролетает мимо. Гетеродинный детектор летучих мышей преувеличивает эффект Доплера. Когда летучая мышь, издающая сигнал 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 медленно становится вызовом CF, придавая графику форму «хоккейной клюшки». Это делает звук вызова на детекторе летучих мышей другим:
Это дает гораздо более влажный звук, чем чистый FM. Пипистреллы обычно используют клюшку для общей эхолокации, но иногда используют только часть FM. Конечные частоты для Common Pipistrelle и Soprano Pipistrelle составляют около 45 кГц и 55 кГц соответственно, но эти частоты могут широко варьироваться.
Обычно используются три типа звуковых детекторов летучих мышей «в реальном времени»: гетеродинный, с частотным разделением и временным расширением. Некоторые детекторы летучих мышей сочетают в себе два или все три типа.
Типы детекторов летучих мышей
Гетеродин
Чаще всего используются гетеродинные детекторы, и большинство самодельных детекторов относятся к этому типу. Функция гетеродина часто встроена в другие типы детекторов. 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 две близкие музыкальные ноты играются вместе. Гетеродинный детектор летучих мышей объединяет сигнал летучей мыши с постоянной внутренней частотой, так что генерируются суммарная и разностная частоты. Например, призыв летучей мыши на частоте 45 кГц и внутренней частоте 43 кГц дает выходные частоты 2 кГц и 88 кГц. Частота 88 кГц неслышима и фильтруется, а частота 2 кГц подается на громкоговоритель или наушники. Внутренняя частота отображается на циферблате или на дисплее.
Более качественная версия гетеродинного детектора летучих мышей с прямым преобразованием - это супергетеродинный детектор. В этом случае сигнал летучей мыши смешивается с высокочастотным генератором, обычно около 450–600 кГц. Затем разностная частота усиливается и фильтруется на «промежуточной частоте» или усилителе перед повторным преобразованием обратно в звуковые частоты. Эта конструкция, основанная на стандартной конструкции радиостанции, обеспечивает улучшенную частотную дискриминацию и позволяет избежать проблем, связанных с помехами от гетеродина.
В более современных детекторах на основе DSP преобразование в гетеродин может быть выполнено полностью в цифровом виде.
Проблема настройки может быть решена с помощью схемы сканирования, позволяющей детектору автоматически сканировать спектр и останавливать сканирование, когда слышен сигнал летучей мыши. Одним из примеров такого детектора является Bat Scanner .
Также можно использовать генератор «гребенчатого спектра» в качестве гетеродина, чтобы детектор эффективно настраивался одновременно на множество частот, отстоящих друг от друга на 10 кГц.
Некоторые ранние детекторы летучих мышей использовали низкочастотные радиоприемники бывшего ВМФ, просто заменяя антенну микрофоном и предварительным усилителем. Также возможно преобразовать портативное длинноволновое радио в детектор летучих мышей, отрегулировав частоты настройки и заменив антенну с ферритовым стержнем на микрофон и предварительный усилитель.
Как это используется
Оператор угадывает вероятные присутствующие виды и соответствующим образом настраивает частоту. Многие пользователи начнут слушать около 45 кГц. Если видна летучая мышь или слышен звук летучей мыши, частота настраивается вверх и вниз, пока не будет слышен самый чистый звук.
Такие виды, как Pipistrelles, которые заканчивают свой вызов компонентом CF "хоккейной клюшкой", могут быть распознаны по самой низкой частоте, которая дает самый чистый звук "хлопка". Летучие мыши-подковы издают писк с частотой, зависящей от их вида. Все FM-вызовы имеют тенденцию звучать как щелчки, но начальная и конечная частоты и шаблон повторения вызовов могут дать подсказки относительно вида.
За и против
Преимущества гетеродинного детектора летучих мышей заключаются в том, что он работает в реальном времени, преувеличивает изменения частоты сигнала летучей мыши, прост в использовании и является наименее дорогим. Легко распознать доплеровский сдвиг в криках CF у летучих мышей по их скорости полета. Стерео прослушивание и запись возможны с такими моделями, как стереогетеродинный детектор CSE, и это может помочь отслеживать летучих мышей в условиях плохой видимости.
Недостатки гетеродинного детектора летучих мышей заключаются в том, что он может преобразовывать только узкую полосу частот, обычно 5 кГц, и должен постоянно перенастраиваться, и может легко пропустить виды, выходящие за пределы текущего настроенного диапазона.
Частотное деление
.svg)
Детекторы летучих мышей с частотным разделением (FD) синтезируют звук, который составляет часть частот вызова летучих мышей, обычно 1/10. Это делается путем преобразования вызова в прямоугольную волну , иначе называемую сигналом пересечения нуля. Затем эта прямоугольная волна делится с помощью электронного счетчика на 10, чтобы получить другую 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 волны. Одним из примеров детектора, который синтезирует выходной сигнал синусоидального FD, является Griffin.
Некоторые детекторы FD выдают этот сигнал постоянного уровня, который воспроизводит фоновый шум и крики летучих мышей на одном 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 порог шума, и используют его для восстановления колебаний выходного уровня. Этот и другие сложные детекторы FD также включают в себя гетеродинный детектор и имеют выходное гнездо, так что независимые выходные сигналы могут быть записаны для последующего анализа.
Как это используется
С детекторами FD с двумя выходами можно использовать наушники для одновременного мониторинга обоих выходов или громкоговоритель, используемый с функцией гетеродина, и выход FD, записанный и проанализированный позже. В качестве альтернативы, прослушивание выходного сигнала FD дает звуковой рендеринг сигнала летучей мыши на частоте 1/10. Примером двойного детектора является Ciel CDB301.
Двойные детекторы FD / гетеродин полезны для пересечений пересеченной местности, особенно когда есть функция для записи голосовых заметок, таких как время, местоположение и распознанные крики летучих мышей. Выходные данные записываются на кассету, минидиски или твердотельные записывающие устройства, загружаются в компьютер и анализируются с помощью специального программного обеспечения. Вызовы, пропущенные функцией гетеродина, если они есть, можно увидеть и измерить при анализе.
За и против
Преимущества. Как и гетеродинный детектор, детектор FD работает в реальном времени с функцией гетеродина или без нее. Звонки летучих мышей можно услышать полностью во всем диапазоне, а не в ограниченном диапазоне частот. Перенастройка с помощью детектора FD не требуется, хотя это делается с помощью двойного типа с гетеродином. Путем последующего анализа записи можно измерить весь частотный диапазон звонков и характер звонков.
Серьезным недостатком прослушивания в реальном времени является то, что скорость звука летучей мыши остается высокой, часто слишком высокой для распознавания вида. Изменения частоты вызовов CF не преувеличены, как в случае гетеродинного детектора, и поэтому менее заметны. Также у некоторых видов, таких как малая летучая мышь-подкова с призывом около 110 кГц, результирующая частота все еще довольно высока, хотя ее можно записать. Синтезирование вызова означает, что одновременно может воспроизводиться только один вызов летучей мыши, и путаница возникает из-за одновременных вызовов. Удивительно, но это не большой недостаток при последующем анализе записи.
Расширение времени
.svg)
Детекторы с расширением времени (TE) работают за счет 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 «в реальном времени» в том смысле, что за ними можно наблюдать во время записи, но при этом происходит неизбежная задержка, пока высокоскоростной отобранный отрывок замедляется и воспроизводится.
Как это используется
В режиме реального времени, с подключенным гетеродином или детектором FD или без него, замедленные звонки можно услышать как затяжной звонок летучей мыши на слышимых частотах. Поэтому быстрые FM-вызовы можно услышать как нисходящую ноту, а не щелчок. Таким образом, можно услышать разницу между FM-вызовами, которые звучат как щелчки на других типах детекторов.
После загрузки аудиозаписи в компьютер исходные вызовы анализируются так, как если бы они все еще были с исходной нерасширенной скоростью.
За и против
Выходной сигнал может быть записан с помощью аудиомагнитофона, как с детекторами FD, или с более поздних устройств, сигнал может быть записан непосредственно во внутреннюю цифровую память, такую как компактная флэш-карта. Записывается вся форма сигнала с сохранением всего диапазона вызовов, а не 1/10 формы сигнала, как в детекторе FD. Поскольку информация о частоте и амплитуде сохраняется в записанном звонке, доступно больше данных для анализа видов.
Ранние устройства были оснащены небольшими запоминающими устройствами, которые ограничивали время оцифровки. Как только память была заполнена (обычно максимум несколько секунд), устройство затем воспроизводило запись с меньшей скоростью, обычно от 1/10 до 1/32 от скорости исходной записи. Пока записанный семпл воспроизводится медленно, ничего не записывается, поэтому звуки летучей мыши семплируются периодически. Например, когда 1-секундный вызов воспроизводится со скоростью 1/32, 32-секундные вызовы летучей мыши не записываются.
Более современные рекордеры с расширением времени используют большие флэш-памяти (например, съемные компактные флэш-карты) и запись с высокой пропускной способностью напрямую на карту для обеспечения непрерывной записи в реальном времени с полной полосой пропускания. Такие устройства могут вести непрерывную запись в течение многих часов, сохраняя при этом максимум информации в пределах сигнала.
Некоторые устройства также оснащены функцией автоматической записи, и их можно оставить в полевых условиях в течение многих дней.
Некоторые устройства также включают функцию предварительной буферизации для регистрации событий, произошедших незадолго до нажатия кнопки «запись», что может быть полезно для ручных опросов.
Детекторы TE обычно используются для профессиональной и исследовательской работы, так как они позволяют в более позднее время полностью анализировать крики летучих мышей.
Частота дискретизации для цифровых / TE детекторов
Исследования 2010 года показали, что частота, используемая летучими мышами, может достигать 250 кГц.). Найквиста-Шеннона выборки теорема отмечает , что частота дискретизации минимум требуется , чтобы записать сигнал успешно должен быть больше , чем в два раза пропускную способность сигнала. Следовательно, для записи полосы пропускания 250 кГц требуется частота дискретизации более 500 кГц. Современные устройства с функцией Time-Expansion обычно делают выборку на частотах 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
Анализ пересечения нуля
ZCA чаще всего ассоциируется с детектором летучих мышей Anabat от Titley Scientific. Исходные вызовы летучей мыши оцифровываются, а точки пересечения нуля используются для создания потока данных, который записывается на карту памяти. Имеются сложные элементы управления синхронизацией и триггером, и устройство можно настроить на ответ на звонки летучей мыши, так что многие часы записи доступны в безлюдных ситуациях. Цель ZCA - уменьшить количество данных, которые должны быть записаны в память, и может рассматриваться как простая форма сжатия данных с потерями . Исторически сложилось так, что для достижения длительного времени записи такое сокращение информации было необходимо из-за ограничений объема памяти и стоимости памяти.
Твердотельная запись ZCA анализируется специальным программным обеспечением для создания графика времени / частоты каждого звонка, который может быть исследован на распознавание видов аналогично записям FD или TE.
Как это используется
Детектор ZCA обычно помещают на насест или траекторию полета летучей мыши и оставляют на несколько дней для сбора данных. Таким образом, это менее трудоемко, чем использование детектора летучих мышей в реальном времени.
За и против
Хотя детектор ZCA также можно использовать в режиме реального времени, он предназначен для удаленной записи в течение длительных периодов времени. Анализ аналогичен анализу для записей FD, но в него не включены данные об амплитуде. Однако он точно записывает каждую точку пересечения нуля, а не только одну из десяти. Как и все записывающие устройства, запускаемые входом, запись детектора ZCA автоматически подвержена ультразвуковым помехам от насекомых, таких как сверчки. Можно написать фильтры, чтобы выбрать характерную частоту определенных видов и игнорировать другие; некоторые (виды CF) легче фильтруются, другие почти невозможны.
Высокочастотная запись
Это можно сделать, используя периферийное устройство высокоскоростного дигитайзера на компьютере, таком как портативный компьютер. Это не детектор летучих мышей как таковой, но записи криков летучих мышей можно анализировать так же, как записи TE. Этот метод создает большие файлы данных и не дает средств обнаружения звонков 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 параметров вызова и классификации, интегрированные функции GPS и универсальный инструмент ввода метаданных для документирования записей.
Детекторы DSP
Детекторы летучих мышей DSP предназначены для обеспечения акустически точного изображения криков летучих мышей за счет использования цифрового сигнального процессора для сопоставления ультразвуковых сигналов летучих мышей со звуковыми звуками; Для этого используются различные алгоритмы, и идет активная разработка и настройка алгоритмов.
Одна стратегия, называемая «частотный сдвиг», использует анализ сигнала БПФ, чтобы найти основную частоту и мощность сигнала, затем с помощью цифрового моделирования синтезируется новая звуковая волна из исходной, деленной на определенное значение.
Процессы частотного деления и гетеродинного преобразования также могут выполняться в цифровом виде.
Кодирование сигнала во временной области
Считается, что этот тип детектора летучих мышей находится в стадии предварительного производства или экспериментального производства и не доступен для приобретения. В настоящее время ведутся исследования по анализу многих типов ультразвуковых сигналов и звуков, помимо звуков летучих мышей.
Детектор TDSC оцифровывает исходные вызовы и выводит двумерную строку данных, анализируя параметры каждого вызова по времени. Это анализируется нейронной сетью, чтобы обеспечить распознавание образов для каждого вида.
Неакустическое обнаружение
Визуальное наблюдение - очевидный способ обнаружения летучих мышей, но, конечно, это возможно только при дневном свете или сумеречных условиях (например, в сумерках и на рассвете). Подсчет вылупившихся особей производится 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 задержку, которая не может обеспечить подходящее изображение летучей мыши.
Инфракрасные (ИК) камеры и видеокамеры используются с ИК-осветителем для наблюдения за выходом летучих мышей и их поведением внутри и за пределами поселений. Проблема с этим методом заключается в том, что вычисление подсчета на основе записи утомительно и требует много времени, но видеокамеры могут быть полезны в качестве резервной копии при подсчете количества выходов на насест для наблюдения за летучими мышами, возвращающимися на насест. Многие видеокамеры Sony чувствительны к инфракрасному излучению.
Инфракрасные лучевые устройства обычно состоят из двойного массива невидимых инфракрасных лучей. Размер входа в ночлежку определяет количество необходимых лучей и, следовательно, требуемую мощность и потенциал для использования вне сети. Для ящиков для летучих мышей доступны однолучевые системы «сделай сам», но они не регистрируют направление транспортировки. Практически все системы, которые используются сегодня, являются некоммерческими или самодельными. Система, используемая на некоторых рудниках в Висконсине, использует два массива 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 обрыва луча. Деревня Совет Уэльса (CCW) использует две подобные системы с пучками расположенных достаточно близко другдругучто каждая летучая транзитный вход регистрируется вместе с температурой. Для этих систем требуется питание от сети или батареи глубокого разряда на 12 В. Их можно использовать вместе с Anabat Zcaim, установленным в 6-дюймовой грунтовой трубе и направленным поперек входа в насест, чтобы различать виды путем сопоставления данных отметки времени от ИК-массива и отфильтрованных данных Anabat Zcaim для подковообразных летучих мышей их легко идентифицируемую эхолокацию МВ, которая может быть автоматически отфильтрована с помощью программного обеспечения Anabat).
Данные от систем прерывания луча должны быть тщательно проанализированы, чтобы исключить «поведение светового отбора проб» (отбор проб окружающей среды), когда летучие мыши неоднократно покидают насест и немедленно возвращаются, если условия не подходят. Некоторые системы распознают животных размером с летучую мышь; они определяют, сломаны ли лучи животным размером с летучую мышь, и игнорируют все другие транзиты. Важно, чтобы данные анализировались с использованием методологии, учитывающей поведение легкой выборки. Метод, который дает наиболее точные результаты, выглядит следующим образом: «исходящему» транзиту присвоено 1, «входящему» транзиту назначено -1. Начальный счет обнуляется ежедневно в 16:00. Используя электронную таблицу, счетчики суммируются с 16:00 каждого дня до 9:00 следующего дня. Максимальный «положительный» счет можно легко найти для каждого дня. Поскольку каждый транзит имеет отметку времени, также известно точное время максимального суточного счета. Счетчики легких образцов исключаются из данных, поскольку «выход» 1 отменяется «входом» -1, в результате чего кумулятивный счет ноль для летучих мышей для легких образцов.
Тепловизоры, которые имеют достаточно высокое разрешение для регистрации летучих мышей на расстоянии более 30 метров, дороги, но использовались для оценки опасности ветряных турбин для птиц и летучих мышей. «Доступные» тепловизоры имеют диапазон обнаружения летучих мышей примерно того же порядка, что и акустические детекторы летучих мышей, из-за небольшого размера и низкого тепловыделения летучих мышей.
Пассивные инфракрасные датчики работают медленно, со скоростью реакции порядка десятых долей секунды и обычно не обнаруживают таких мелких быстрых млекопитающих, как летучая мышь.
Радар использовался для обнаружения летучих мышей за пределами акустического предела, но он требует больших затрат на оборудование и человеко-часы. Установки Bird Aircraft Strike Hazard (BASH) способны обнаруживать летучих мышей, но обычно расположены там, где летают немногие летучие мыши. Доступных мобильных наземных радаров очень мало. В полевых условиях использовались переносные модули доплеровского радара, позволяющие исследователям компенсировать доплеровский сдвиг, наложенный на записи сигналов летучих мышей из-за их скорости полета. Это позволяет исследователям определить, изменяют ли летучие мыши высоту звука во время полета.