18 декабря, 12:37

Исследование акустических сигналов китообразных

Исследование акустических сигналов китообразных

Иванов Михаил Павлович,

кандидат биологических наук, заведующий
лабораторией морской биоакустики Санкт-Петербургского
государственного университета (СПбГУ)
20miyanov@mail.ru

Аннотация

   Техническая реализация аналога сонара дельфина основана на решении задач разработки и создания: излучающей антенны для формирования в пространстве сверхширокополосных сигналов «без несущей»; системы приема и обработки таких сигналов; методологии коммуникационного эксперимента и экспериментальной проверке с помощью акустического языка посредника.

Annotation

   Technical realization of the dolphin sonar analogue is based on the solution of the following problems: design and manufacturing of a radiating aerial for formation in space of superbroadband signals «without carrier»; creation of a system for reception and processing of such signals; elaboration of the communication experiment methodology and experimental tests using acoustic language of an intermediary.

Введение

   Традиционные активные гидроакустические системы (ГАС) в качестве несущего колебания при передаче информации используют гармонические или квазигармонические колебания. В процессе совершенствования гидроакустических систем созданы излучающие антенны с расширенной полосой пропускания, что позволяет излучать сигналы с частотной модуляцией и манипуляцией с шириной полосы частот не более 10-20% от несущей. Однако дальнейшее расширение полосы пропускания мощных излучающих антенн связано с ограничениями технологического характера, что приводит к комплексу проблем, свойственных традиционным узкополосным волновым сонарам: интерференция и многократное отражение от препятствий; низкая скрытность и проникающая способность сигнала, слабая помехоустойчивость и информационная незащищенность каналов передачи данных.

  Как известно риск столкновения подводной лодки с подводной лодкой связан с принципиальным противоречием освещения подводной обстановки, требованиями максимальной дальности обнаружения цели и минимальной дистанции скрытности. Степень заметности гидроакустических средств наблюдения определяется не только мощьностью и характеристикой направленности излучающей антенны, но и пространственно-частотно-временными параметрами сигналов. Именно перечисленные выше факторы определяют задачу, которая направлена на исследование биологической акустической системы в условиях, приближенных к естественной сигнально-помеховой обстановке [1].

  Для снижения заметности необходимо использовать сигналы с минимальной длительностью, вплоть до одного колебательного процесса в направлении излучения с использованием системы кодирования и соблюдением пространственной нестационарности колебательного процесса. Аналогом такой системы является сонар дельфина, который позволяет максимально приблизится к поставленной задаче. Дельфины излучают короткие знакопеременные импульсы с частотной и время импульсной модуляцией с несационарным полем излучения от импульса к импульсу, что обеспечивается системой акустических пушек с изменяемой кривизной и подвижной системой рефлектора и рефлокатора. Системы на основе использования сверширокополосных сигналов "без несущей" позволяют повысить помехозащищенность, скрытость, информационную емкость и точность по всем координатам [2].

  

 

   По тем же причинам пространственные характеристики коммуникационных сигналов (гипотеза) также измерить трудно, но учитывая, широкий частотный диапазон для данных сигналов направленность имеет место (рис.З). Направленность эхолокационных импульсов измерена в лабораторных опытах и составляет 7° в вертикальной и 14° горизонтальной плоскостях. Однако, последние измерения показывают, что профиль поля меняется, в зависимости от решаемой дельфином задачи.

 

 

Рис.З - Пространственное распределение акустических сигналов ориентации, эхолокации и коммуникации 

    Акустическая система дельфина состоит: из набора пневмопушек (элементарные излучатели); рефлектора, состоящего из лобных костей черепа и мешков с переменным газовым объемом, что обеспечивает переменное акустическое сопротивление по поверхности отражения; рефрактора, состоящего из жирового слоя с плавным изменением акустического сопротивления от центра к периферии. Изменение профиля поля излучения реализуется с помощью акустической линзы, геометрическая форма которой меняется от полусферической (рис.4-А) до уплощенной (рис.4-Б) с различными промежуточными фазами (рис.4-В,Г). Изменение пространственного положения акустических пушек, переменный профиль рефлектора обеспечивают нестационарность пространственно-частотно-временных характеристик от импульса к импульсу по пространству наблюдения (рис.5-Б) и изменение профиля основного лепестка диаграмма направленности поля излучения и сканирование в диапазоне ±10° [3].

 

Рис.4 - Фотографии изменения формы акустической линзы у дельфина белухи

 

 Технологии реализации биоакустического эксперимента

   Большое количество работ отечественных и зарубежных авторов посвящено этолого-акустическим исследованиям. Эти исследования проводятся на путях миграции животных, на специализированных полигонах и в океанариумах. Достоинством этолого-акустических наблюдений является регистрация всего разнообразия сигналов, присущих животным в естественной среде обитания. Однако в таких условиях трудно сопоставить сигналы с поведением отдельной особи, т.к. двигательное поведение скрыто от глаз исследователя. Постоянные изменения положения дельфинов относительно гидрофонов приводят к неконтролируемым амплитудно-частотным изменениям сигналов, что диктует дополнительные требования к аппаратной части для однозначной идентификации сигналов животных, находящихся в непрерывном движении, поэтому создание многоканальной записи акустической активности с видеофиксацией является необходимым условием современного эксперимента.

   Долгое время запись акустической активности была ограничена возможностями технической реализации широкополосной записи больших объемов информации. Так, например, во время записи на специальный ультразвуковой магнитофон (до 200 кГц) за 10 минут непрерывной регистрации использовался 1 км пленки. Акустические датчики имели ограниченную полосу частот сквозного тракта, большие габариты и вес, как и весь комплекс регистрации, что не позволяло регистрировать весь спектр сигналов в лабораторных опытах и особенно в этолого-акустических наблюдениях.

  Cовременное состояние техники позволило реализовать малога-баритную, широкополосную, автономную, многоканальную комплексную систему записи биоакустической активности на цифровой носитель с возможностью непрерывной записи до 4-х часов (длительность регистрации ограниченна емкостью аккумулятора). Ширина полосы тракта записи составляет 600 кГц, с частотой квантования до 2,5 МГц на канал. Теоретически количество каналов не ограничено.

   Объем цифровой информации, полученной за один опыт в течение одного часа составляет 60 ГБ памяти. Как правило, эксперимент включает в себя до 50-100 опытов, в одном опыте содержаться от 50 до 200 испытаний. Для последующей квалифицированной обработки массив такой мощности информации структурируется с помощью созданного программного обеспечения для построения базы данных биоакустической активности китообразных. База данных наполняется результатами измерений по исследованию акустической активности китообразных в сложных акустических условиях лабораторного эксперимента и этологоакустических наблюдениях на различных видах китообразных.

   Накопленный материал позволяет начать подробное математическое исследование сигналов китообразных и провести сравнительные оценки пространственных параметров акустических сигналов по видовому разнообразию и индивидуальным характеристикам. Адекватное обоснование математической модели эхолокационных импульсов является основой для реализации физической модели и, в конечном итоге, построением технического устройства [5], обеспечивающего эффективную имитацию сигналов китообразных. Создание излучающей антенны, имитирующей излучение сонара дельфина, расширяет возможности лабораторного опыта, что позволит исследовать работу животного в сложнейших условиях воздействия с помощью сосредоточенной помехи.

   На основании многолетнего опыта работы в данной области успех исследования сонара дельфина связан с технологическим прогрессом построения ГАС. Проведение сравнительной оценки современных малогабаритных ГАС с акустической системой дельфина в различных экспериментальных акустических условиях при решении задач обнаружения и распознавания подводных объектов позволяет расширить возможности проектируемых систем.

 Результаты теоретических расчетов показали, что излучающая система, имитирующая эхолокационные импульсы, может быть построена с помощью антенны объемного фазирования [6].

   Реализация конструкторских решений основана на создании широкополосных преобразователей, входящих в состав макета гидроакустической антенны и многоканальных генераторных устройств для формирования импульсов возбуждения. Проведен численный анализ работы трех вариантов построения сверхширокополосных преобразователей: стержневых и пластинчатых с фазированным возбуждением секций, а также - волноводного типа. Рассмотрены различные режимы их возбуждения, определяемые решением задач синтеза и анализа. Определена степень влияния конструктивных параметров этих преобразователей, варианты их возбуждения для обеспечения необходимой амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик излучения, обеспечивающих полосу пропускания до 4.. .5 октав [5].

   Результаты исследований акустических сигналов с помощью новой системы регистрации показали, что спектр излучаемых дельфином сигналов может достигать 400 кГц, что не укладывается в известные данные по изучению приемной системы дельфина. Изучение приемной системы было основано на исследовании пассивной приемной системы, а сравнение результатов измерений возможностей сонара проводится для активной акустической системы.

 

 Рис.6 - Оптоволоконный акустический датчик для регистрации сигналов дельфина

   Данное противоречие необходимо восполнять новыми экспери-ментальными работами по исследованию приемной системы дельфина в активном режиме эхолокации с обязательными работами по построению технического аналога. Развитие технического аналога может быть основано на оптоволоконных акустических датчиках. Проведенные исследования различных конструктивных исполнений показали, что такие датчики могут быть использованы для регистрации широкополосных сигналов до 500 кГц [7].

Технология коммуникационного эксперимента

  В 1973 году австрийскому этологу Карлу фон Фришу была вручена Нобелевская премия за открытие, связанное с созданием и установлением моделей индивидуального и группового поведения животных, в частности у насекомых. В работе, которая была опубликована в 1924 г. показано, что пчела-разведчица сообщает о месте медосбора другим пчелам с помощью своеобразного танца. Доказательством такого поведения послужило создание робота пчелы (1970 г.), который в десять раз превосходил размеры настоящих пчел и всё же, несмотря на несхожесть робота на настоящую пчелу, танец мнимой пчелы-разведчицы был воспринят медосборщицами как достоверное событие. Это открытие послужило предпосылкой для проведения обширных исследований, объектом которых стали также и млекопитающие. Однако, результаты лабораторных опытов на млекопитающих оказались более чем скромные. Оптимизм по исследованию коммуникации китообразных, также значительно угас из-за отсутствия методологии исследования коллективного целенаправленного взаимодействия.

 Исходной моделью физиологического эксперимента послужила известная методика исследования формирования установки обучения. При этом стимулом коммуникационной реакции наблюдателей является нереализованное действие с нарастающей эмоциональной нагрузкой, на пике которой происходит неизбежное акустическое вмешательство в работу респондента, что неоспоримо доказывает модель коммуникационного поведения [8].

  В эксперименте участвовали трое животных, которые обучались при зрительном наблюдении друг за другом через разделительную сеть. Все участники эксперимента знают задачу, которую выполняет респондент.

Рис.7 - Лабораторный эксперимент по исследованию коммуникации дельфинов

   При выполнении респондентом задачи дифференцирования (рис.7-А) два других животных исполняют роль наблюдателей. Подобная «любознательность» отмечалась в любых сочетаниях респондент/наблюдатель, что свидетельствовало о стойкой исследовательской реакции. Неоднозначная реакция респондента при переделке реакции дифферен-цирования приводит к эмоциональному возбуждению наблюдателей. Эмоциональное состояние наблюдателей зависит от количества ошибок, совершаемых респондентом, т.е. уровень эмоциональной нагрузки определяется обстановкой неопределенности от испытания к испытанию. На пике эмоциональных переживаний наблюдатели провоцируют «диалог» с респондентом, что позволяет однозначно сопоставить акустические сигналы с поведенческими актами животных во время опыта, не используя математическую статистику для доказательства коммуникационного поведения.

   Результаты эксперимента убедительно показали двигательную реакцию зрительного наблюдения за респондентом, которая одинакова для всех участников диалога, т.е. поворот головы или туловища друг к другу (рис.7-В, Г) во время передачи и приема акустической информации.

Рис. 8 - Последовательность коммуникационных сигналов во время «диалога» с левым (А) и правым (Б) наблюдателем

   Во время испытаний животные разделены в пространстве, так что двигательная реакция вмешательства в экспериментальную обстановку невозможна, а вмешательство с помощью вокализации в данном эксперименте - наша цель.

  Двигательная реакция заинтересованного поведения респондента с наблюдателями ярко выражена. Респондент последовательно поворачивает голову или туловище к каждому из участников диалога. Акустические сигналы коммуникации - единственные сигналы (рис.8), которые необходимы наблюдателям для привлечения внимания респондента при передаче информации в момент эмоционального всплеска. Других акустических сигналов в момент «диалога» не наблюдалось.

   Cозданная методология коммуникационного эксперимента открывает широкие возможности нового направления и очень трудных исследований, которые невозможны без технической поддержки в области создания новых разработок гидроакустических антенн нового поколения.

Отечественный потенциал

 Использование зарубежных достижений, финансируемых DARPA по использованию морских млекопитающих в ВМС США. Отечественные разработки таких компаний и институтов, как Акустический институт имени академика Н. Н. Андреева, который владеет современными технологиями научного эксперимента, моделирования механизмов восприятия в слуховой системе различных животных, разработкой акустических систем самого широкого профиля для классификации и распознавания акустических образов. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ) проводит широкий круг исследований по технической разработке и реализации излучающих антенн имитирующих эхо-локационные импульсы дельфинов. Научный центр волоконной оптики (РАН) проводит фундаментальные и прикладные исследования для создания на их основе широкополосных гидроакустических датчиков. Институт океанологии им. П.П. Ширшова (РАН) имеет многолетний опыт работы по изучению миграции китообразных и этолого-акустических наблюдениям в местах их скопления. Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра высшей нервной деятельности, группа гидробионики (руководитель, в.н.с. Ю.Д. Стародубцев) владеет потенциалом работы по служебному использованию морских млекопитающих, их дрессировке для работы в закрытых акваториях, в условиях открытого пространства при поиске утерянных подводных объектов и охране особо опасных акваторий. ОАО «Концерн «Океанприбор» объединяет научный и производственный потенциал РФ в области гидроакустики. Владеет необходимым лабораторным оборудованием и испытательными полигонами для проведения НИОКР по созданию малогабаритных мощных излучающих систем для имитации сигналов китообразных.

Выводы

   Сверхширокополосные системы акустического мониторинга в различных средах можно использовать в технических средствах: освещения обстановки в мелкой воде; наблюдения сквозь слоистые среды; обнаружения немагнитных объектов; бесконтактных датчиков для оценки физиологического состояния операторов и ожоговых больных, связи с необходимой степенью кодирования для опознавания «свой-чужой», увеличения скрытности работы подводных модемов, имитирующих сигналы китообразных. Полученные результаты могут быть положены в основу работ по акустическому управлению двигательным и акустическим поведением китообразных с помощью имитатора коммуникативных сигналов. Реализация представленной программы возможна при создании совместной лаборатории СПбГУ и научно-образовательного комплекса ДВО РАН.

В заданном виде решение представленной задачи будет завершено по достижению следующих результатов:

1. Исследование акустических полей с помощью многоканальной системы регистрации сигналов дельфина, построение базы данных и разработке образца излучающей антенны, имитирующей сигналы зубатых китов.
2. Исследование характеристик приемной системы дельфина и разработка ее технического аналога.
3. Проверка методических решений коммуникационного взаимо-действия дельфинов.
4. Создание языка посредника на основе акустической обратной
связи.

Литература

1. Иванов М.П. Эхолокационные сигналы дельфина при решении задач в сложных акустических условиях //Акустический журнал. 2004. Т.50, №4, сс. 550-561.
2. Stefanov V.E., Ivanov М.Р., Kashinov V.V., Stepanov B.G. Mechanisms of interference resistance of the sonar system of dolphins exposed to man-mad interference // Symposium on Bio Sonar Systems and Bio¬Acoustics, Institute Acoustics, Loughborough University, 2009.
3. Иванов М.П, Иваненко Ю.В. Механизмы управления на-правленностью акустического излучения у зубатых китов //Сб. XX Сес¬сии РАО. 2008. Т.3, сс.168-171.
4. Ivanov М. Р, Stefanov V. Е. Technique of experiments for studying echolocation and communication of dolphins under the effect of man-made interference // Symposium on Bio Sonar Systems and Bio-Acoustics, Institute Acoustics, Loughborough University, 2009.
5. Иванов М.П., Степанов Б.Г. Исследование акустического биосонара дельфина и возможности построения его технического аналога//Ж. Фундаментальная и прикладная гидрофизика, РАН, Наука, т.4, №3,2011,108-121.
6. Патенты №88887, №88888. М.П. Иванов, Б.Г. Степанов; №2393644, №2393645 Б.Г. Степанов. Опубл. 27.06.2010, Приоритет от 09.06.09.
7. Иванов М.П. Методика физиологического эксперимента по акустической коммуникации дельфинов // Доклады академии наук, 2008, том 423, №2. сс.271-274.
8. Туртаев С.Н., Беловолов М.И., Иванов М.П., Парамонов В.М.- «Высокочастотный волоконный датчик звука для регистрации коммуникационных сигналов дельфинов», IV всероссийская конференция по волоконной оптике, г.Пермь, 16-18 октября 2013 г., ВКВО-2013, Доклад А4-3, Спецвыпуск «Фотон-экспресс-наука 2013», с.53-55.