Система наблюдения сигналов эхолокации дельфинов

Внедрение: 2020 г.

На основе представленных в статье [1] методик авторами получены сравнительные оценки сигналов эхолокации дельфинов, принадлежащих различным видам морских млекопитающих, сформирована база данных биологических сигналов поиска, сопровождения и распознавания подводных объектов в сложных условиях естественных и искусственных акустических помех.

Методические приемы включают в себя стабилизацию положения животного, глубины погружения и ориентацию дельфина в сектор обзора во время испытания; аппаратное обеспечение, положение и расположение гидрофонов в секторе обзора, систему управления поведением животного, систему подкрепления ответных реакций.

Для достоверной регистрации биоакустических сигналов используется многоканальная система гидрофонов в полосе частот сквозного тракта не более 200 кГц (полоса частот 200 кГц ограничивается частотной полосой приемной системы дельфина). При регистрации использовался модуль АЦП E20‑10.

Эксперимент построен по методике альтернативного выбора при последовательном предъявлении стимулов; при этом отсутствие объекта поиска в секторе обзора также является стимулом. Управление двигательным поведением реализуется с помощью акустических команд «старт», «поиск» и сигналов «задача решена правильно», «задача решена неправильно».

На рисунке 1 представлены основные двигательные акты поведения животного при работе в открытой воде при последовательном предъявлении стимулов.

Рисунок 1. Методика эксперимента с акустическим управлением двигательными актами дельфина белухи при решении задачи обнаружения подводных объектов на больших дистанциях: а – свободное плавание; б – сигнал «СТАРТ»; в – сигнал «ПОИСК»; г – мишени нет – ответ правильный; д – мишень в воде; е – мишень в воде – ответ правильный.

На рисунке 2 представлен полный цикл поведенческих актов дельфина при решении задачи сопровождения цели.

Рисунок 2. Полный цикл поведенческих актов дельфина при решении задачи сопровождения цели: а – свободное плавание; б – сигнал «СТАРТ»; в – сигнал «ПОИСК»; г – мишени нет – ответ правильный.

Методика апробирована на дельфине белуха (Черное море). Система регистрации построена по трехканальной схеме с использованием сверхширокополосного тракта регистрации (до 600 кГц) с гидрофонами и частотой квантования 2,5 МГц на канал. Цифровая часть многоканальной системы регистрация построена на AЦП E20‑10 c программным обеспечением PowerGraph с 3‑канальной записью сигналов дельфина и записью речевого протокола на четвертом канале.

На рисунке 3 представлены полные последовательности импульсов по семи испытаниям, полученные на дальностях объекта поиска.

Рисунок 3. Полные последовательности импульсов в семи испытаниях, полученные на различных дальностях объекта поиска; L – расстояние между дельфином и объектом поиска.

На рисунке 4 представлены полная последовательность сигналов в одном испытании и результаты обработки.

Рисунок 4. Полная последовательность сигналов в одном испытании – решение задачи обнаружения при удалении объекта поиска на 450 м (мишени нет, реакция неправильная): осциллограмма длительностью ~4 с, состоит из 5 пакетов ультракоротких импульсов (УКИ) (а); зависимость интервала между импульсами от номера интервала по порядку (б); зависимость изменения интервала между УКИ от номера импульса по порядку (в).

Источники:

1. Иванов М.П., Родионов А.А., Стефанов В.Е. Возможности сверхширокополосных систем наблюдения на примере исследования природного сонара зубатых китов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. – 2020. – Т. 13, № 4. – С. 100‑120. DOI: 10.7868/S2073667320040097
2. Лабораторный комплекс регистрации сигналов дельфинов: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М., 2021. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/toothed_whales. (Дата обращения: 25.06.2021).
3. Исследование широкополосных акустических сигналов гидробионтов: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М., 2021. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/toothed_whales_b. (Дата обращения: 25.06.2021).

Разработчик: Иванов М.П., Стефанов В.Е. (Санкт-Петербургский гос. университет), Родионов А.А. (Институт океанологии РАН, г. Москва)