Введение

Детектор летучих мышей – это устройство, используемое для обнаружения присутствия летучих мышей путем преобразования их эхолокационных ультразвуковых сигналов, испускаемых ими, в слышимые частоты, обычно от 120 Гц до 15 кГц. Существуют и другие типы детекторов, которые записывают сигналы летучих мышей для последующего анализа, но они чаще обозначаются по их конкретному назначению. Летучие мыши испускают сигналы в диапазоне от 12 кГц до 160 кГц, однако более высокие частоты в этом диапазоне быстро поглощаются в воздухе. Многие детекторы летучих мышей способны работать в диапазоне не более чем от 15 кГц до 125 кГц. Детекторы летучих мышей можно приобрести в продаже или изготовить самостоятельно.

Использование детекторов летучих мышей

Детекторы летучих мышей используются для обнаружения присутствия летучих мышей, а также для определения их видовой принадлежности. Некоторые крики летучих мышей отчетливы и легко узнаваемы, например, у подковоносов; другие крики менее различимы у близких видов. Хотя летучие мыши могут изменять свои крики во время полета и охоты, слух можно обучить распознавать виды по диапазонам частот и частоте повторения эхолокационных сигналов. Летучие мыши также издают социальные сигналы (неэхолокационные крики) на ультразвуковых частотах. Основным ограничением акустических детекторов летучих мышей является дальность их действия, которая ограничена поглощением ультразвука в воздухе. При средних частотах около 50 кГц максимальная дальность составляет всего около 25–30 метров при средних атмосферных условиях во время полета летучих мышей. Эта дальность уменьшается с увеличением частоты. Некоторые крики летучих мышей содержат компоненты около 20 кГц или даже ниже, и иногда их можно обнаружить на расстоянии в 2–3 раза больше обычного. Однако на расстоянии будут регистрироваться только низкочастотные компоненты. Рабочая дальность детекторов летучих мышей уменьшается с повышением влажности, а в туманную погоду максимальная дальность может быть очень низкой. Важно различать три типа эхолокационных криков летучих мышей: частотная модуляция (FM), постоянная частота (CF) (иногда называемая амплитудной модуляцией) и составные крики, содержащие компоненты FM и CF. Ниже приведен пример летучей мыши, издающей крик типа FM, за которым следует летучая мышь, использующая крик типа CF:

Крик FM слышен как быстрые сухие щелчки, а крик CF – как короткие писки. Частота этих сигналов изменяется из-за эффекта Доплера, когда летучая мышь пролетает мимо. Гетеродинный детектор летучих мышей усиливает эффект Доплера. Когда летучая мышь, издающая крик CF, приближается к детектору, высота тона понижается. Некоторые виды летучих мышей используют составной крик FM и CF, начинающийся с быстро падающего крика FM, который замедляется и переходит в крик CF к концу, образуя на графике форму «хоккейной клюшки». Это делает звук крика на детекторе летучих мышей отличным от чистого крика FM:

Он создает гораздо более «влажный» звук, чем чистый крик FM. Нетопыри (Pipistrelles) обычно используют крик «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 значительно варьироваться. Существует три типа аудиодетекторов летучих мышей «в реальном времени», которые обычно используются: гетеродинный, с частотным разделением и с расширением во времени. Некоторые детекторы летучих мышей сочетают два или все три типа.

Гетеродин

Гетеродиновые детекторы – наиболее распространенный тип, и большинство самодельных детекторов построены именно по этой схеме. Гетеродинная функция часто встраивается и в другие типы детекторов. Гетеродинный детектор летучих мышей просто понижает все ультразвуковые частоты на фиксированную величину, делая их слышимыми. "Гетеродина" – это биение частот, которое можно услышать при одновременном воспроизведении двух близких музыкальных нот. Гетеродинный детектор летучих мышей комбинирует сигнал летучей мыши с постоянной внутренней частотой, генерируя суммарные и разностные частоты. Например, сигнал летучей мыши на частоте 45 кГц и внутренняя частота 43 кГц создают выходные частоты 2 кГц и 88 кГц. Частота 88 кГц неслышима и фильтруется, а частота 2 кГц подается на динамик или наушники. Внутренняя частота отображается на шкале или дисплее. Более качественной версией гетеродинового или детектора прямого преобразования является супергетеродиновый детектор. В этом случае сигнал летучей мыши смешивается с высокочастотным генератором, обычно в диапазоне 450–600 кГц. Разностная частота затем усиливается и фильтруется в усилителе промежуточной частоты (ПЧ), прежде чем снова преобразовываться в слышимый диапазон. Эта конструкция, основанная на стандартных принципах радиоэлектроники, обеспечивает улучшенную частотную селективность и позволяет избежать помех от гетеродина. В более современных детекторах на основе цифровой обработки сигналов (DSP) гетеродинное преобразование может выполняться полностью в цифровом виде. Также возможно использование генератора "гребенчатого спектра" в качестве гетеродина, что позволяет детектору одновременно эффективно настраиваться на множество частот с шагом 10 кГц. Некоторые ранние детекторы летучих мышей использовали бывшие в употреблении низкочастотные радиостанции ВМФ, просто заменяя антенну микрофоном и предусилителем. Кроме того, можно модифицировать портативное длинноволновое радио, чтобы использовать его в качестве детектора летучих мышей, отрегулировав частоты настройки и заменив ферритовую антенну микрофоном и предусилителем.

Как его применять

Оператор определяет, какие виды, вероятно, присутствуют, и соответствующим образом настраивает частоту. Многие пользователи начинают прослушивание примерно с 45 кГц. Если замечена летучая мышь или слышен похожий на ее крик звук, частоту настраивают вверх и вниз, пока не будет достигнута максимальная четкость звучания. Виды, такие как пипистрелы, которые завершают свои крики компонентом постоянной частоты (CF) в форме "хоккейной клюшки", можно распознать по самой низкой частоте, на которой слышен наиболее отчетливый звук, похожий на "щелчок". Летучие мыши семейства подковоносых издают звук, напоминающий писк, на частоте, зависящей от вида. Звуки FM обычно напоминают щелчки, но начальная и конечная частоты, а также частота повторения крика могут дать подсказки для определения вида.

Плюсы и минусы

Преимущества гетеродинового детектора летучих мышей заключаются в том, что он работает в реальном времени, усиливает изменения частоты в эхолокационном крике летучей мыши, прост в использовании и является самым доступным по цене. Легко распознать эффект Доплера в постоянных по частоте (CF) криках летучих мышей в полете благодаря их скорости. Стереозапись и прослушивание возможны с моделями, такими как стереогетеродиновый детектор CSE, что может помочь в отслеживании летучих мышей при плохой видимости. Недостатки гетеродинового детектора летучих мышей заключаются в том, что он способен преобразовывать лишь узкий диапазон частот, как правило, 5 кГц, требует постоянной перенастройки и может легко пропустить виды, находящиеся за пределами текущего диапазона настройки.

Частотное деление

Детекторы частотного деления (FD) синтезируют звук, являющийся долей частот эхолокационных сигналов летучих мышей, как правило, 1/10. Это достигается путем преобразования сигнала в прямоугольную волну, также называемую сигналом нулевого перехода. Затем эта прямоугольная волна делится на 10 с помощью электронного счетчика, в результате чего получается другая прямоугольная волна. Прямоугольные волны звучат резко и содержат гармоники, которые могут создавать проблемы при анализе, поэтому их по возможности фильтруют. Некоторые современные полностью цифровые детекторы могут синтезировать синусоидальную волну вместо прямоугольной. Примером детектора, синтезирующего синусоидальную волну FD, является Griffin. Некоторые FD-детекторы выдают этот сигнал постоянного уровня, что приводит к отображению фонового шума и эхолокационных сигналов летучих мышей на одном и том же высоком уровне. Это затрудняет как прослушивание, так и анализ. Более совершенные FD-детекторы, такие как Batbox Duet, измеряют уровень входящего сигнала, ограничивают порог шума и используют это для восстановления вариаций уровня выходного сигнала. Эти и другие совершенные FD-детекторы также включают гетеродинный детектор и имеют выход для подключения наушников, позволяющий записывать независимые сигналы для последующего анализа.

Как его применять

При использовании двухканальных FD-детекторов наушники можно использовать для одновременного прослушивания обоих каналов, или же использовать динамик с гетеродином, а выход FD записывать и анализировать позднее. Альтернативно, прослушивание выхода FD позволяет услышать эхолокационный сигнал летучей мыши с уменьшенной в 10 раз частотой. Примером двухканального детектора является Ciel CDB301. Двухканальные FD/гетеродиные детекторы полезны при проведении трансекционных обследований, особенно если предусмотрена функция записи голосовых заметок, таких как время, местоположение и идентифицированные эхолокационные сигналы. Запись выходных сигналов производится на кассету, MiniDisc или твердотельный диктофон, затем данные загружаются на компьютер и анализируются с помощью специализированного программного обеспечения. Эхолокационные сигналы, пропущенные гетеродином, при наличии, можно увидеть и измерить при анализе записи.

Плюсы и минусы

Преимущества. Как и гетеродиновый детектор, FD-детектор работает в реальном времени с гетеродиновым преобразованием или без него. Звуки летучих мышей можно услышать целиком во всем их частотном диапазоне, а не в ограниченном. Перенастройка с FD-детектором не требуется, хотя она выполняется в детекторах двойного типа с гетеродином. Анализируя запись позже, можно измерить весь диапазон частот сигнала и структуру сигнала. Серьезным недостатком прослушивания в реальном времени является то, что скорость сигнала летучей мыши остается высокой, часто слишком высокой для идентификации вида. Изменения частоты частотно-модулированных сигналов не преувеличиваются, как в гетеродиновом детекторе, и поэтому менее заметны. Кроме того, для некоторых видов, таких как малая подковоносная летучая мышь с сигналом около 110 кГц, результирующая частота все еще достаточно высока, хотя ее можно записать. Синтез сигнала означает, что одновременно может быть воспроизведен только один сигнал летучей мыши, и одновременные сигналы создают помехи. Удивительно, но это не является существенным недостатком при последующем анализе записи.

Расширение времени

Детекторы расширения времени (TE) работают, оцифровывая эхолокационные сигналы летучих мышей с высокой частотой дискретизации с помощью аналого-цифрового преобразователя и сохраняя оцифрованный сигнал во встроенной памяти. Детекторы TE являются устройствами, работающими в "реальном времени", поскольку за процессом записи можно наблюдать непосредственно во время ее проведения, однако неизбежна задержка, связанная с замедлением и воспроизведением высокоскоростного фрагмента записи.

Как его применять

В режиме реального времени, с использованием или без использования гетеродинового или FD-детектора, замедленные сигналы летучих мышей можно услышать как протяжный звук, похожий на крик летучей мыши, в слышимом диапазоне частот. Поэтому быстрые FM-сигналы воспринимаются как нисходящая нота, а не щелчок. Таким образом, можно различить FM-сигналы, которые на других типах детекторов звучат просто как щелчки. После загрузки аудиозаписи на компьютер, исходные сигналы анализируются так, как если бы они воспроизводились на первоначальной, не замедленной скорости.

Плюсы и минусы

Выходной сигнал может быть записан с помощью аудиорегистратора, как и в случае с FD-детекторами, или, в более современных устройствах, сигнал может быть записан непосредственно во внутреннюю цифровую память, например, на компактную флеш-карту. Записывается вся форма сигнала с сохранением полного диапазона частот, а не 1/10 формы сигнала, как в FD-детекторе. Поскольку информация о частоте и амплитуде сохраняется в записанном сигнале, для анализа видов становится доступно больше данных. Первые устройства были оснащены небольшой памятью, что ограничивало продолжительность записи. После заполнения памяти (обычно не более нескольких секунд) устройство воспроизводило запись с замедленной скоростью, как правило, от 1/10 до 1/32 от скорости исходной записи. Пока записанный образец воспроизводится в замедленном режиме, запись не ведется, поэтому сигналы летучих мышей регистрируются прерывисто. Например, при воспроизведении 1-секундного сигнала со скоростью 1/32, 32 секунды сигналов летучих мышей не записываются. Более современные рекордеры с расширением времени используют большие флеш-памяти (например, съемные компактные флеш-карты) и высокоскоростную запись непосредственно на карту, обеспечивая непрерывную запись в реальном времени с полной полосой пропускания. Такие устройства могут непрерывно записывать в течение многих часов, сохраняя при этом максимальный объем информации в сигнале. Некоторые устройства также оснащены функцией автоматической записи, что позволяет оставлять их в полевых условиях на несколько дней. Некоторые устройства также включают функцию предварительного буфера для захвата событий, произошедших непосредственно перед нажатием кнопки «запись», что может быть полезно при ручных исследованиях. ТЭ-детекторы обычно используются для профессиональной и исследовательской работы, поскольку они позволяют провести полный анализ сигналов летучих мышей в дальнейшем.

Частота отбора проб для цифровых/TE-детекторов

Исследования 2010 года показали, что частоты, используемые летучими мышами, могут достигать 250 кГц. Теорема Котельникова — Найквиста утверждает, что минимальная частота дискретизации, необходимая для успешной записи сигнала, должна превышать удвоенную полосу пропускания этого сигнала. Следовательно, для записи полосы пропускания 250 кГц требуется частота дискретизации более 500 кГц. Современные устройства временного расширения обычно выполняют дискретизацию в диапазоне от 300 кГц до 700 кГц. Как правило, чем выше частота дискретизации, тем лучше, хотя она и требует большего объема памяти для хранения.

Анализ с нулевым пересечением

ZCA чаще всего ассоциируется с ультразвуковым детектором летучих мышей Anabat от компании Titley Scientific. Исходные сигналы летучих мышей оцифровываются, а моменты пересечения нулевого уровня используются для создания потока данных, который записывается на карту памяти. Устройство оснащено сложными элементами управления временем и триггерами и может быть настроено на реагирование на сигналы летучих мышей, что позволяет осуществлять многочасовую запись в автоматическом режиме. Цель ZCA – уменьшить объем данных, записываемых в память, и его можно рассматривать как простую форму сжатия данных с потерями. Исторически, для обеспечения длительного времени записи подобное сокращение объема информации было необходимо из-за ограничений емкости и высокой стоимости памяти. Данные ZCA, записанные на твердотельный носитель, анализируются специализированным программным обеспечением для построения временнó-частотного графика каждого сигнала, который можно изучать для определения вида летучей мыши аналогично записям FD или TE.

Как его применять

Детектор ZCA обычно устанавливают в месте обитания летучих мышей или на их путях миграции и оставляют на несколько дней для сбора данных. Таким образом, он требует меньше трудозатрат, чем использование ручного детектора летучих мышей в режиме реального времени.

Плюсы и минусы

Хотя детектор ZCA также может использоваться в реальном времени, его основное преимущество – удаленная запись в течение длительных периодов. Анализ похож на анализ записей FD, но не содержит данных об амплитуде. Однако он точно регистрирует каждую точку пересечения нуля, а не только каждую десятую. Как и любое записывающее устройство, запускаемое сигналом, автоматическая запись с помощью детектора ZCA подвержена ультразвуковым помехам от насекомых, например, сверчков. Можно разработать фильтры для выделения характерной частоты определенных видов и игнорирования других; некоторые (виды с постоянной частотой – CF) легче отфильтровать, а другие – практически невозможно.

Высокочастотная запись

Это можно сделать, используя высокоскоростное устройство оцифровки, подключенное к компьютеру, например, к ноутбуку. Это не ультразвуковой детектор летучих мышей как таковой, но записи эхолокационных сигналов летучих мышей можно анализировать схожим образом с записями ТЭ. Этот метод генерирует большие объемы данных и не предоставляет возможности обнаружения эхолокационных сигналов летучих мышей без одновременного использования ультразвукового детектора. Однако существуют и более сложные системы, такие как Avisoft UltraSoundGate, которые могут заменить традиционный ультразвуковой детектор летучих мышей. Эти продвинутые системы дополнительно обеспечивают отображение спектрограммы в реальном времени, автоматизированные инструменты измерения и классификации параметров сигналов, встроенную функциональность GPS и удобный инструмент для ввода метаданных с целью документирования записей.

Детёкторы DSP

Детекторы DSP предназначены для обеспечения акустически точного представления эхолокационных сигналов летучих мышей, используя цифровой процессор сигналов для преобразования их ультразвуковых сигналов в слышимые звуки. Для этого используются различные алгоритмы, и в настоящее время ведется активная разработка и настройка этих алгоритмов. Один из методов, называемый "сдвигом частоты", использует FFT-анализ сигнала для определения основной частоты и мощности сигнала, а затем, с помощью цифрового моделирования, синтезируется новая звуковая волна, полученная из исходной путем деления на заданное значение. Деление частоты и гетеродинирование также могут выполняться цифровым способом.

Кодирование сигналов временной области

Этот тип детектора летучих мышей, по всей видимости, находится на стадии предпроизводственной разработки или является экспериментальным образцом и не поступает в коммерческую продажу. Ведутся исследования по анализу различных типов ультразвуковых сигналов и звуков, помимо сигналов летучих мышей. Детектор TDSC оцифровывает исходные сигналы и формирует двумерную строку данных, анализируя параметры каждого сигнала во времени. Эта строка данных анализируется нейронной сетью для распознавания паттернов, характерных для каждого вида.

Неакустическое обнаружение

Визуальное наблюдение – очевидный способ обнаружения летучих мышей, но, конечно, это возможно только при дневном свете или в сумеречных условиях (то есть в сумерках и на рассвете). Подсчет вылетающих особей проводится визуально в сумерках с использованием детектора летучих мышей для подтверждения вида. В условиях низкой освещенности можно использовать прибор ночного видения, но более доступные модели первого поколения имеют задержку, которая не позволяет получить четкое изображение летящей летучей мыши. Инфракрасные (ИК) камеры и видеокамеры используются с ИК-осветителем для наблюдения за вылетом летучих мышей и их поведением внутри и снаружи убежищ. Проблема этого метода заключается в том, что подсчет по записи – трудоемкий и длительный процесс, однако видеокамеры могут быть полезны в качестве резервного средства при подсчете вылетающих особей из убежища, чтобы наблюдать за возвращением летучих мышей внутрь. Многие видеокамеры Sony чувствительны к инфракрасному излучению. Устройства с инфракрасным лучом обычно состоят из двойного массива невидимых ИК-лучей. Размер входного отверстия убежища определяет необходимое количество лучей, а следовательно, требуемую мощность и возможность автономного использования. Для ящиков для летучих мышей доступны системы с одним лучом, но они не регистрируют направление пролета. Почти все используемые сегодня системы являются самодельными или некоммерческими. Система, используемая в некоторых шахтах в Висконсине, использует два массива лучей, однако они расположены довольно далеко друг от друга и, следовательно, регистрируют только около 50% летучих мышей, хотя экстраполированные данные получаются путем сопоставления данных видеозаписи с временными метками разрыва луча. Совет по охране природы Уэльса (CCW) использует две аналогичные системы с лучами, расположенными достаточно близко друг к другу, чтобы регистрировать каждую летучую мышь, пролетающую через вход, вместе с температурой. Эти системы требуют либо питания от сети, либо 12-вольтовых аккумуляторов глубокого разряда. Они могут использоваться в сочетании с Anabat Zcaim, установленным в 15-сантиметровой трубе и направленным поперек входного отверстия убежища, для идентификации видов путем сопоставления данных временных меток с ИК-массива и отфильтрованных данных Anabat Zcaim для ночниц (относительно легко благодаря их легко идентифицируемой частотно-модулированной эхолокации, которую можно автоматически фильтровать с помощью программного обеспечения Anabat). Данные от систем разрыва луча необходимо тщательно анализировать для исключения "поведения пробного вылета" (исследования окружающей среды), когда летучие мыши неоднократно покидают убежище и немедленно возвращаются, если условия неблагоприятны. Некоторые системы различают животных размером с летучую мышь, определяя, нарушен ли луч животным такого размера, и игнорируя все остальные пролеты. Важно, чтобы данные анализировались с использованием методологии, учитывающей поведение пробного вылета. Метод, который, по-видимому, дает наиболее точные результаты, следующий: каждому пролету "наружу" присваивается значение 1, каждому пролету "внутрь" – значение 1. Начальное значение счетчика устанавливается равным нулю в 16:00 ежедневно. С помощью электронной таблицы подсчеты суммируются кумулятивно с 16:00 каждого дня до 09:00 следующего дня. Максимальное "положительное" значение счетчика можно легко определить для каждого дня. Поскольку каждый пролет имеет временную метку, также известно точное время максимального суточного значения счетчика. Пролеты, связанные с пробными вылетами, исключаются из данных, поскольку пролет "наружу" со значением 1 аннулируется пролетом "внутрь" со значением 1, что приводит к нулевому кумулятивному значению счетчика для летучих мышей, совершающих пробные вылеты. Тепловизоры с достаточно высоким разрешением для регистрации летучих мышей на расстоянии более 30 метров стоят дорого, но они использовались 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 небольшого размера и низких тепловых выбросов летучих мышей. Пассивные инфракрасные датчики медленные, скорость отклика составляет около одной десятой секунды, и обычно они не обнаруживают маленьких и быстрых млекопитающих, таких как летучие мыши. Радар использовался для обнаружения летучих мышей за пределами акустического диапазона, но он очень дорог в плане оборудования и трудозатрат. Установки для предотвращения столкновений птиц и самолетов (BASH) способны обнаруживать летучих мышей, но обычно расположены в местах, где летает мало летучих мышей. В настоящее время доступно очень мало подходящих мобильных наземных радаров. Ручные доплеровские радарные модули использовались в полевых условиях, чтобы позволить исследователям компенсировать доплеровский сдвиг, накладываемый на записи сигналов летучих мышей из-за скорости их полета. Это позволяет исследователям определить, меняют ли летучие мыши высоту тона своих сигналов во время полета.