ON DOLPHIN`S MECHANISMS FOR LOCATING MEASURMENT OF OBJECT`S MOVEMENT VELOCITY PARAMETERS
Authors:
1.
Institut evolyucionnoy fiziologii i biohimii im. I.M. Sechenova Rossiyskoy akademii nauk
Russian Federation
Russian Federation
2.
Institut evolyucionnoy fiziologii i biohimii im. I.M. Sechenova Rossiyskoy akademii nauk
Russian Federation
Russian Federation
3.
Institut evolyucionnoy fiziologii i biohimii im. I.M. Sechenova Rossiyskoy akademii nauk
Russian Federation
Russian Federation
4.
Saint Petersburg State University
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 73
to 80
Status:
Published
Received:
11.06.2019
Accepted:
30.06.2019
Published:
30.06.2019
Subject area:
UDK 681.519
GRNTI 05.11 Общие проблемы народонаселения
GRNTI 06.51 Мировое хозяйство. Международные экономические отношения
GRNTI 10.01 Общие вопросы
GRNTI 11.01 Общие вопросы политических наук
GRNTI 11.25 Теория международных отношений. Внешняя политика и дипломатия
GRNTI 78.01 Общие вопросы военного дела
GRNTI 81.92 Пожарная безопасность
GRNTI 81.93 Безопасность. Аварийно-спасательные службы
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
GRNTI 82.33 Стратегический менеджмент. Стратегическое планирование
GRNTI 11.15 Теория политических систем. Внутренняя политика
GRNTI 05.11 Общие проблемы народонаселения
GRNTI 06.51 Мировое хозяйство. Международные экономические отношения
GRNTI 10.01 Общие вопросы
GRNTI 11.01 Общие вопросы политических наук
GRNTI 11.25 Теория международных отношений. Внешняя политика и дипломатия
GRNTI 78.01 Общие вопросы военного дела
GRNTI 81.92 Пожарная безопасность
GRNTI 81.93 Безопасность. Аварийно-спасательные службы
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
GRNTI 82.33 Стратегический менеджмент. Стратегическое планирование
GRNTI 11.15 Теория политических систем. Внутренняя политика
Language:
Russian
Keywords:
dolphin, location signal, velocity, acceleration
Abstract (English):
The performed study of peculiarities of echo-detection of moving underwater targets by the Black Sea bottlenosed dolphins (Tursiops truncatus) suggests that the biosonar can purposefully change the structure of its probe signal, depending on the problem to be solved. It was shown experimentally for the first time that the animal emits the two- pulse probe signal to measure the constant velocity, while the three-pulse one, to measure acceleration. The provides an essential advantage over the single pulse, as it becomes possible to measure simultaneously parameters of the movement and distance.
The performed study of peculiarities of echo-detection of moving underwater targets by the Black Sea bottlenosed dolphins (Tursiops truncatus) suggests that the biosonar can purposefully change the structure of its probe signal, depending on the problem to be solved. It was shown experimentally for the first time that the animal emits the two- pulse probe signal to measure the constant velocity, while the three-pulse one, to measure acceleration. The provides an essential advantage over the single pulse, as it becomes possible to measure simultaneously parameters of the movement and distance.
Keywords:
dolphin, location signal, velocity, acceleration
dolphin, location signal, velocity, acceleration
Введение Современный Военно-морской флот одна из важнейших составляющих вооруженных сил ведущих стран мира. Это определяется многими факторами: высокая мобильность, скрытность подводных лодок, несущих ядерное оружие; высокая концентрация разнообразного оружия; возможность нанесения удара не только по надводным, но и наземным целям; широкие возможности использования «силовой» дипломатии далеко от собственных границ и т.д. Применение оружия по вероятному противнику, во многом определяется радиоэлектронным вооружением и, в частности, гидроакустическими средствами. Несмотря на технологический скачок, который произошел в последние 10÷15 лет, эффективность гидроакустических средств повысилась незначительно, в отличии от радиолокации. Это связано, прежде всего с тем, что океаническая среда как канал, гораздо более динамичная по отношению к гидроакустическим воздействиям, чем атмосферный к электромагнитным колебаниям. Поэтому на время прохождения электромагнитного сигнала через атмосферный канал, его можно считать «замороженным» (свойства среды не меняются). Для акустических волн это не всегда имеет место. Кроме того, помехи и шумы в гидроакустики носят гораздо более разнообразный характер. Как итог, несмотря на разнообразие алгоритмов обработки, которые являются эффективными в радиолокации, применение их в гидроакустике не всегда приносит положительный результат. В связи с вышесказанным, можно утверждать, что, хотя принципы функционирования гидроакустических и радиолокационных средств во многом совпадают, специфика гидроакустического канала, низкая скорость распространения акустических колебаний ((~1500 м/с) по сравнению с электромагнитными (~300 000 км/с), сравнительно небольшой интервал когерентности (~120÷300 длин волн излучаемого сигнала), необходимо искать новые подходы к обработке гидроакустических сигналов. Поэтому в последние годы вновь резко возросло внимание ученных к изучению принципов работы биологического сонара морских животных, в частности, дельфинов. Изучение механизма работы биологического сонара позволит построить его математическую модель, которая может быть реализована на современной технологической базе. Примеры есть. Искусственная нейронная сеть сделала революцию в обработке информации. Хотя искусственный нейрон очень приближенное представление о тех процессах, которые проходят в биологическом нейроне, но даже такое представление дало ошеломляющий эффект. Нечто подобное, ожидается от искусственной модели биологического локатора. Настоящая статья является продолжением серии публикаций, посвященных изучению биологического сонара дельфина, результатам экспериментов и математическим моделям излучаемых сигналов. В статье рассматривается вопросы, связанные с возможностью дельфина определять динамические характеристики подводных объектов: скорость и ускорение. Возможности сонара дельфина Tursiops truncatus по оценке динамических характеристик целей В современной литературе практически нет экспериментальных работ, посвященных изучению закономерностей работы локационной системы дельфина при обнаружении и распознавании движущихся целей. Существует лишь несколько теоретических работ [1-8], в которых авторы рассматривают возможность использования доплеровского эффекта, смещения частоты отраженного импульса относительно излучаемого, как способа определения морскими лоцирующими животными скорости движения объекта. Исходя из знания характеристик локационного сигнала дельфинов и используя функцию неопределенности для различных значений доплеровского сдвига частоты эхосигнала, авторы указанных работ математически вычисляли потенциальные возможности сонара лоцирующих животных при измерении ими скорости движущейся цели. Так, Дубровский [4] теоретически рассчитал разрешающую способность биосонара дельфина по скорости с использованием доплеровского фактора и функций неопределенности. Расчетная величина разрешения по скорости для высокочастотной составляющей локационного сигнала афалины составила 30 м/с, а для низкочастотной 20 м/с. Эти данные говорят о практической неприменимости эффекта Доплера для различения дельфином малых скоростей движения цели. Авторы работы [5] также высказывают предположение о возможности применения дельфином эффекта Доплера для восприятия и оценки скорости движения. Необходимым условием для этого авторы считают применение в целях локации высокочастотных сигналов достаточной длительности и способность приемной системы проводить тонкий частотный анализ отраженных эхосигналов. В качестве примера приведены данные для морской свиньи Phocaena phocaena, слуховая система которой имеет наименьший дифференциальный порог по частоте [5]. Оказалось, что потенциальная точность измерения скорости у этих животных может составлять 1 м/с. При этом локационные импульсы морской свиньи частотой 140÷150 кГц должны иметь длительность не менее 5 мс, что намного больше длительностей импульсов, зарегистрированных у дельфинов. В наших экспериментальных работах [10,11], посвященных исследованию локационных возможностей сонара дельфинов по оценке динамических характеристик подвижных целей, были получены данные, свидетельствующие о том, что эти морские млекопитающие способны измерять такие малые скорости движения цели, как 2 см/с и ускорения 0.84 см/с2. Полученные данные ставят под сомнение возможность оценки дельфинами скорости и ускорения подвижных объектов по доплеровскому сдвигу частоты отраженного импульса. Если рассчитать величину доплеровского сдвига для предельных скоростей, наблюдаемых у дельфина при свободном плавании, то для частоты 100 кГц, на которой регистрируется максимум энергии зондирующего импульса, получим величину, равную 700 Гц. Сопоставив эту величину с дифференциальным порогом слуха по частоте в этой области (1038 Гц) [12], мы получим результат не в пользу возможности применения дельфином такого способа определения скорости подвижного объекта. Значения дифференциального порога по частоте в диапазоне 0.9÷90 кГц [12] свидетельствуют о возможности распознавания сонаром дельфина на основе одиночного импульса лишь цели, скорость движения которой превышает величину 6.5 м/с [10]. Таким образом, характер структуры излучаемых дельфинами одиночных зондирующих импульсов [9], а также способность измерения малых скоростей и ускорений движения цели свидетельствуют о невозможности использования дельфинами частотного сдвига отраженного эха как способа оценки скорости и ускорения подвижной цели. Возможно, что дельфины при оценке динамических характеристик подвижных целей применяют не один зондирующий импульс, а их последовательность. В настоящей работе, являющейся развитием предыдущих исследований, была поставлена задача экспериментального изучения типов излучаемых дельфином сигналов в момент определения скоростей и ускорений подвижных целей и возможности адаптации сонара дельфина при измерении различных динамических характеристик гидролокационной цели. Материалы и методы Для решения поставленной задачи дельфина Tursiops truncatus обучали по условно-рефлекторной методике распознавать две возможные ситуации в динамике движения предъявляемой мишени: равномерное движение погруженной в воду мишени с постоянной скоростью V = 6 м/с; движение погруженной в воду мишени с ускорением 2 м/с2. В качестве мишени использовали полый дюралюминиевый шар диаметром 100 мм, заполненный водой. Схема проведения эксперимента представлена на рис.1 с указанием расположения системы блоков (Б1, Б2), двигателя (Д), мишени (М), гидрофонов (Г2, Г2), катера на якоре (К) и животного (Ж) в стартовой позиции. Была произведена запись локационных сигналов дельфина. Исследования проводили в свайно-сетевом вольере открытой бухты моря в летний период. Глубина акватории в районе проведения эксперимента составляла 6 м. Запись сигналов осуществляли при волнении моря менее 1 балла и при отсутствии в бухте посторонних издающих шум объектов. Приемный гидрофон обеспечивал неравномерность амплитудно-частотной характеристики не более 3 дБ в полосе 0.5-200 кГц. Сигналы через усилитель подавались на АЦП и персональный компьютер для записи и последующей обработки. В ходе подготовке эксперимента катер ставили на якорь, устанавливали в вольере систему блоков, мишеней, настраивали работу акустического стенда. По условному звуковому сигналу (f = 12 кГц) животное ныряло на глубину 0.5 м и помещало свой рострум в установленный на этой глубине «станок». Такое положение животного являлось стартовой позицией для начала работы. После выключения звукового сигнала мишень приводилась в движение с постоянной скоростью или с ускорением. Если мишень двигалась с ускорением, то животное выходило из станка и ударяло рострумом манипулятор. В случае движения мишени с постоянной скоростью животное должно было оставаться на месте. Контрольное время пребывания в станке составляло 30 с. Каждое правильное движение животного сопровождали пищевым (рыба) подкреплением. Во время проведения экспериментов фиксировали конкретную динамику движения мишени (величина скорости, направление движения), правильность реакции животного. После достижения устойчивой условно-рефлекторной реакции на динамику движения мишени осуществляли запись локационных сигналов дельфина. Всего за период исследований было записано по 100 локационных сигналов дельфина на каждое значение динамики движения цели - скорости или ускорения в условиях приближения или удаления цели. Записи сигналов производили в момент правильной оценки животным характера движения предъявляемой мишени в течение 5÷10 с. На рис. 2 скорость движения 6 м/с. Движение мишени по отношению к дельфину: а - приближается, б - удаляется. Вверху - запись сигналов (шкала времени с шагом 50 мс), внизу - развертка сигналов Д, Б, В (движение ленты в 4 раза медленнее, чем вверху). I, II - первый, второй импульсы в сигнале. На рис.3 ускорение 2 м/с2, а, 6, вверху, внизу - как на рис. 3 (внизу - движение ленты в 3 раза медленнее, чем вверху). I, II, III - первый, второй, третий импульсы в сигнале. Результаты и обсуждение Анализ полученных временных характеристик локационных сигналов дельфина, соответствующих различным условиям движения цели, показал, что в том случае, когда мишень движется (независимо от характера движения), животное излучает серии сложных сигналов, временные параметры и форма которых в серии от сигнала к сигналу практически не изменяются. При всех условиях движения цели наблюдаются изменения в динамике следования локационных сигналов. Частота их следования плавно нарастает за время предъявления движущейся мишени от 8 до 80 Гц, что соответствует периоду следования с при сближении с целью. Можно предположить, что дельфин в процессе определения и уточнения расстояния до цели как бы изменяет «шкалу дальности» своего сонара до оптимальной (минимально необходимой) от 200 до 20 м. При этом в случае удаления мишени от дельфина максимальная частота следования локационных сигналов в конце предъявления мишени, когда цель находится ближе к катеру, составляла 30 Гц (Тс = 0.033 с), что (соответствует «шкале дальности» 50 м и хорошо согласуется с условиями проведения эксперимента. Направление движения мишени (ее приближение или удаление от животного) и величина постоянной скорости движения мишени не оказывали существенного влияния на временные параметры отдельных посылок локационных сигналов. Значительное влияние на характер временных локационных сигналов оказывал характер движения мишени (равномерное или ускоренное). Временные параметры сигналов в случае равномерного движения цели приведены на рис. 2 а, б, в случае ускоренного движения - на рис. 3 а, б. Как показывает временной анализ, при движении мишени с постоянной скоростью животное использует в качестве отдельных посылок сложный, состоящий из двух коротких высокочастотных импульсов, локационный сигнал. Временные интервалы между импульсами I и II составляют ١.٨ мс и практически не изменяются в серии сигналов на протяжении всей записи. Амплитуда импульса II меньше амплитуды импульса I и составляет величину ٠.٣÷٠.٤ относительно первого. Длительность импульсов ٣٠÷٦٠ мкс. После приема основного импульсного сигнала гидрофон может принять многочисленные отражения этого сигнала как от поверхности воды, так и возможные отражения от ближайших объектов. Эти мешающие сигналы могут оказаться вблизи регистрируемого сигнала. Поскольку в наших экспериментах расстояние между источником излучения и приемником 1.5 м, а глубина погружения животного и точки приема 0.5 м, то отраженный импульс мог бы находиться на оси времени от переднего фронта основного импульса лишь менее 1.3 мс. При ускоренном движении мишени животное применяло серии из более сложных локационных сигналов, состоящих из трех коротких высокочастотных импульсов. Временной интервал между крайними импульсами (на рис. 3 б - I и III) в одной посылке составляет, как в случае движения с постоянной скоростью, 1.8 мс. Но появляется еще один импульс (на рис. 3 б - II) слабее импульсов I и III и отстоящий от импульса I на временной интервал около 0.5÷0.9 мс и от импульса III примерно на 0.5÷1.3 мс. Все временные параметры трехимпульсных сигналов также относительно стабильны на протяжении всей серии. Трехимпульсный состав этих сигналов говорит о том, что соотношение чисел (в данном случае величин интервалов между высокочастотными импульсами в одной посылке) позволяет животному определять с достаточной точностью и стабильностью ускорение цели. Полученные результаты могут быть использованы в теории гидролокации для условий со сложной кинематикой целей и носителей гидролокационных систем и учтены при синтезе зондирующих сигналов с требуемой функцией неопределенности, позволяющих определить скорость и ускорение гидролокационной цели, а также оптимизировать обработку широкополосных сигналов в гидролокационных системах. Таким образом, все вышесказанное свидетельствует о том, что непосредственное измерение доплеровского сдвига в частотной области, что реализуют, как правило, все современные гидроакустические средства дельфином не осуществляется. Эксперименты показывают, что с очень высокой вероятностью дельфин реализует принцип, на котором основаны циклические измерители скорости звука. А именно, излучается очень короткий импульс, который воспринимается приемником на заданном расстоянии от излучателя, далее рассчитывается время, за которое импульс проходит это расстояние. Известно, чтобы определить скорость надо иметь две точки. Поэтому посылая две короткие посылки, с заданным сдвигом во времени, дельфин имеет некоторый эталон, одной их основных характеристик является временной сдвиг во времени. Алгоритм обработки отраженного от цели сигнала сонара дельфина, может быть представлен следующими операциями; По каждому отраженному импульсу определяет расстояние до объекта (если , цель приближается, в противном случае удаляется). Определяет радиальную скорость цели как результат деления на временной сдвиг между импульсами. При измерении ускорения (вторая производная от расстояния) необходимо иметь три точки, что соответствует излучению трех импульсов. В этом случае, алгоритм измерения следующий: По трем отраженным импульсам, определяются и . Далее определяется . Определяется ускорение как результат деления на разность временных интервалов между импульсами. В целом, данные проведенных исследований свидетельствуют л том, что сонар дельфина ориентирован на временную обработку, а не на частотную. Вывод Данные исследования позволяют сделать следующие выводы., Сонар дельфина способен различать ускоренный характер движения цели и равномерное движение с постоянной скоростью. При этом дельфин адаптирует работу сонара в зависимости от дальности цели и от характера ее движения, применяя в случае постоянной скорости объекта двухимпульсные посылки, а в случае переменной скорости - трехимпульсные сигналы и варьируя период следования локационных сигналов в зависимости от расстояния до цели. Для определения скорости и ускорения дельфин реализует не частотный метод определения динамических характеристик цели, а обработка проводится во времени, о чем свидетельствует использование им коротких импульсов (последовательность «щелчков»). Необходимо отметить, что необходимо проводить дальнейшие исследования, которые должны быть направлены на то, насколько вероятно осуществление сонаром дельфина операции осреднения по нескольким посылкам (при определении скорости их число должны быть кратным 2, ускорения 3). Рисунок 1 - Схема установки для проведения эксперимента Рисунок ٢ -Двухимпулъсная структура локационного сигнала афалины, излучаемого животным при измерении постоянной скорости движения мишени Рисунок ٣ - Трехимпульсная структура локационного сигнала афалины, излучаемого животным при измерении ускорений движущейся мишени.
1. Hikling R. Analysis of echoes from a solid elastic sphere in water // J. Acoust. Soc. Amer. - 1962. - V. 34. - № 10. - P. 1582-1591
2. Cahlander D.A. Echolocation with wideband waveforms bat sonar signals // Techn. Rep. Lincoln. Lab. MIT. - 1964. - № 271. - R. 544-546
3. Poulter T. C. The use of active sonar by the California Sea Lion // J. Audit. Res. - 1966. - № 6. - P. 165-173
4. Dubrovskiy N.A. Eholokaciya u del'finov. - M., 1975. - 77 s
5. Konstantinov A.I., Makarov A.K., Sokolov B.V., Lipmanova E.E. Doplerovskie eholokacionnye sistemy zhivotnyh // Problemy neyrofiziologii. Nervnaya sistema. - 1978. - V. 20. - S. 46-58
6. Makarov A.K., Sokolov B.V. Kompensaciya doplerovskih sdvigov eholokacionnoy sistemy zhivotnyh // Zvukovaya kommunikaciya, eholokaciya i sluh. - 1980. - S. 65-72
7. Al'tman Ya.A. Sluhovaya sistema. - L.: Nauka, 1990. - 620 s
8. Au W.W.L., Hastings M.C. Principles of Marine Bioacoustics. - Springer. New York. - N.Y., 2008. - 680 p
9. Zayceva K.A., Korolev V.I., Ahi A.V., Butyrskiy E.Yu. Del'fin Tursiops truncatus i ego lokacionnye vozmozhnosti // Nacional'naya bezopasnost' i strategicheskoe planirovanie. - 2018. - № 1(21). - S. 74-82
10. Zayceva K. A., Korolev V.I., Ahi A.V., Butyrskiy E.Yu. Izmerenie del'finom Tursiops truncatus parametrov dvizheniya podvizhnoy celi// Nacional'naya bezopasnost' i strategicheskoe planirovanie. - 2018. - № 23(3). - S. 67-73
11. Zayceva K. A., Korolev V. I., Krivchenko A.I., Ahi A.I., Butyrskiy E.Yu. Razreshenie po uskoreniyu dvizhuschihsya celey lokatora del'fina (Tursiops truncatus) // Nacional'naya bezopasnost' i strategicheskoe planirovanie. - 2019. - № 25(1). - S. 27-32
12. Jacob D. Auditory frequency discrimination in the atlantic bottlenose dolphin Tursiops truncatus // Montque: a preliminary report // J. Acoust. Soc. Amer. - 1972. - V. 52. -№ 2. - Part 2. - P. 696
