hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667320040097hydrophysics-126Research ArticleГИДРОАКУСТИКАHYDROACOUSTICSВозможности сверхширокополосных систем наблюдения на примере исследования природного сонара зубатых китовPossibilities of Ultra-Wide-Band Surveillance Systems on the Example of the Study of Natural Sonar of Toothed WhalesИвановМ. П.IvanovM. P.

199034, Университетская наб., д. 7–9, г. Санкт-Петербург

199034, 7–9, Universitetskaya Emb., St. Petersburg

20mivanov@mail.ruРодионовА. А.RodionovA. A.

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

СтефановВ. Е.StefanovV. E.

199034, Университетская наб., д. 7–9, г. Санкт-Петербург

199034, 7–9, Universitetskaya Emb., St. Petersburg

Санкт-Петербургский государственный университетРоссияSt. Petersburg State UniversityRussian FederationИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology RASRussian Federation202004122021134100120Copyright © Иванов М.П., Родионов А.А., Стефанов В.Е., 20212021Иванов М.П., Родионов А.А., Стефанов В.Е.Ivanov M.P., Rodionov A.A., Stefanov V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/126

Сверхширокополосные системы наблюдения еще не созданы. Однако теоретические преимущества гидроакустических систем адаптироваться к изменяющимся гидрофизическим условиям хорошо заметны при исследовании сонара морских млекопитающих. Для исследования подвижного широкополосного сонара необходимы точные биофизические эксперименты. Это делает возможным изучение подвижного широкополосного сонара, используя соответствующее техническое оснащение и методики, ограничивающие подвижность животного вовремя эхолокации. В работе приводится ряд методических решений проведения эксперимента на дельфинах, с помощью которых можно исследовать защищённость от помех и скрытность природного сонара, и впоследствии провести сравнительные испытания с техническими аналогами. На основе представленных методик будут получены сравнительные оценки сигналов эхолокации, принадлежащих различным видам морских млекопитающих. Будет сформирована база данных биологических сигналов поиска, сопровождения и распознавания подводных объектов в сложных условиях естественных и искусственных акустических помех.

Ultra-wide-band observing systems have not yet been created. However, theoretical advantages of sonar systems adapting to changes of hydrophysical conditions seem to be clearly visible in the study of marine mammalian sonar. Therefore, technical equipment for a broadband recording system under long-term laboratory experience is necessary. It makes possible studying the mobile broadband sonar using accurate biophysical and appropriate techniques that limiting the animal’s mobility during echolocation. The paper provides a number of methodological solutions for conducting an experiment on dolphins, which makes possible studying the noise immunity and secrecy of a natural sonar, and subsequently conduct comparative tests with technical analogues. Based on the presented methods, comparative estimates of echolocation signals belonging to various species of marine mammals will be obtained, and a database of biological signals will be formed — the search, tracking and recognition of underwater objects in difficult conditions of natural and artificial acoustic noise.

сонар дельфинасигналы эхолокациисигналы с неопределенной несущейпакеты ультракоротких импульсоввремя импульсная модуляция пакетов ультракоротких импульсовdolphin sonarecholocation signalssignals with an undefined carrierultrashort pulse packetstime pulse modulation of ultrashort pulse packetsРабота выполнена в рамках государственного задания (тема 0149–2019–0015).ReferencesАйрапетьянц Э.Ш., Константинов А.И. Эхолокация в природе. Л.: Наука, 1974. 512 с.Ayrapetyanets E., Konstantinov A. Echolocation in nature. L., Nauka, 1974. 512 p. (in Russian).Au W.W.L. The Sonar of Dolphins. New York: Springer-Verlag, 1993. 227 p.Au W.W.L. The Sonar of Dolphins. New York, Springer-Verlag, 1993. 227 p.Беликов Р.А., Белькович В.М. Свисты белух в репродуктивном скоплении у о. Соловецкий в Белом море // Акустический журнал. Т. 53, № 4. 2007. С. 601–608.Belikov R.A., Bel’kovich V.M. Whistles of Beluga Whales in the Reproductive Gathering off Solovetskii Island in the White Sear. Acoustical Physics. 2007, 53, 528–534.Белькович В.М., Хахалкина Э.Н. Этолого-акустические корреляты черноморской афалины // Черноморская афалина (Tursiops truncates ponticus) / Под ред. В.Е. Соколова, Е.В. Романенко. М., 1997. С. 513–543.Bel’kovich V.M., Hahalkina E.N. Etologo-acoustic correlates of the Black Sea bottlenose dolphins. The Black Sea bottlenose dolphin (Tursiops truncates ponticus) / Eds. V.E. Sokolova and E.V. Romanenko. M., 1997, 513–543 (in Russian).Титов А.А. Исследование звуковой активности и феноменологических характеристик эхолоционного анализатора черноморских дельфинов. Дис. канд. биол. наук. Карадаг, 1972.Titov A.A. Study of sound activity and phenomenological characteristics of the black dolphin systolic analyzer. PhD Diss. Biol. Sciences, Karadag, 1972 (in Russian).Au W.W.L., Floyd R.W., Penner R.H., Murchison A.E. Measurement of echolocation signals of the Atlantic bottlenose dolphin, Tursiops truncatus Montagu, in open waters // J. Acoust. 1974. Soc. Am. 56, P. 1280–1290. doi: 10.1121/1.1903419Au W.W.L., Floyd R.W., Penner R.Н., Murchison А.Е. Measurement of echolocation signals of the Atlantic bottlenose dolphin Tursiops truncates Montagu in open water. J. Acoust. Soc. Am. 1974, 56, 4, 1280–1290.Au W.W.L., Hastings M.C. Principles of Marine Bioacoustics. Springer, New York. 2008. 679 p.Au W.W.L., Hastings M.C. Principles of Marine Bioacoustics. Springer, New York, 2008, 679 p.Иванов М.П., Родионов А.А. Технологии аттестации акустической системы китообразных // Труды Х Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» РАН. 27–30 мая 2010. С. 29–34.Ivanov M.P., Rodionov A.A. Cetacean Acoustic System Appraisal Technologies. Proceedings X of the All-Russian Conference “Applied Hydroacoustics and Hydrophysics” of the Russian Academy of Sciences. May 27–30, 2010, 29–34 (in Russian).Рутенко А.Н., Вишняков А.А. Временные последовательности гидроакустических сигналов, генерируемых белухой при поиске и лоцировании подводных объектов // Акустический журнал. 2006. Т. 52, № 3. С. 375–384.Rutenko A.N., Vishnyakov A.A. Time Sequences of Sonar Signals Generated by a Beluga Whale When Locating Underwater Objects. Acoust. Phys. 2006, 52, 3, 314–323 doi: 10.1134/S1063771006030122Иванов М.П., Бутов С.Н., Леонова Л.Е., Романовская Е.В., Стефанов В.Е. Апробация лабораторного макета регистрации сигналов дельфинов с расширенной полосой частот сквозного тракта // Акустический журнал. 2019. Т. 65, № 5. С. 699–707. doi: 10.1134/S0320791919050101Ivanov M.P., Butov S.N., Leonova L.E., Romanovskay E.V., Stefanov V.E. Testing of a Laboratory Prototype for Recording Dolphin Signals with an Extended Frequency Band of the Through. Acoust. Phys. 2019, 65, 5, 603–610.James J. Finneran, Brian K. Branstetter, Dorian S. Houser, Patrick W. Moore, Jason Mulsow, Cameron Martin, Shaun Perisho. High-resolution measurement of a bottlenose dolphin’s (Tursiops truncatus) biosonar transmission beam pattern in the horizontal plane // J. Acoust. Soc. Am. 2014. 136 (4). P. 2025–2038.James J. Finneran, Brian K. Branstetter, Dorian S. Houser, Patrick W. Moore, Jason Mulsow, Cameron Martin, Shaun Perisho. High-resolution measurement of a bottlenose dolphin’s (Tursiops truncatus) biosonar transmission beam pattern in the horizontal plane. J. Acoust. Soc. Am. 2014, 136 (4), 2025–2038.Ау У.У.Л. Эхолокационные сигналы, издаваемые дикими дельфинами // Акустический журнал. 2004. Т. 50, № 4. С. 533–542.Au W.W.L. Echolocation signals of wild dolphins. Acoust. Phys. 2004, 50, 454–462. doi: 10.1134/1.1776224Douglas P. Nowacek, Lesley Y. Thorne, David W. Johnston, Peter L. Tyack Responses of cetaceans to anthropogenic noise // Mammal Review. 2007. 37, № 2, С. 81–115.Douglas P. Nowacek, Lesley Y. Thorne, David W. Johnston, Peter L. Tyack Responses of cetaceans to anthropogenic noise. Mammal Review. 2007, 37, 2, 81–115.Stefanov V.Е., Ivanov M.P., Kashinov V.V., Stepanov B.G. Mechanisms of interference resistance of the sonar system of dolphins exposed to manmade interference // Symposium on Bio Sonar Systems and Bio-Acoustics, Institute Acoustics, Loughborough University, Proceedings of the Institute of Acoustics. 2009. V. 31, Pt. 1. P. 22–28.Stefanov V.Е., Ivanov M.P., Kashinov V.V., Stepanov B.G. Mechanisms of interference resistance of the sonar system of dolphins exposed to manmade interference. Symposium on Bio Sonar Systems and Bio-Acoustics, Institute Acoustics, Loughborough University, Proceedings of the Institute of Acoustics. 2009, 31, 1, 2009, 22–28.Айрапетьянц Э.Ш., Сергеев Б.Ф., Иваненко Ю.В., Нонин Ю.А., Чилингирис В.И., Иванов М.П. Изменение локационных сигналов дельфинов в процессе дифференцирования сферических и цилиндрических мишеней // Тез. Докл. V Всесоюзного совещания по изучению морских млекопитающих. Махачкала, 1972. Ч. 2. С. 234.Ayrapetyanc E.S., Sergeyev B.F., Ivanenko Y.V., Nonin Y.A., Chilingiris V.I., Ivanov M.P. Changing the location signals of dolphins in the process of differentiating spherical and cylindrical targets. Tez. Dokl. V All-Union Meet. to Study Marine Mammals. Makhachkala, 1972, 2, 234 p. (in Russian).Иванов М.П., Родионов А.А., Калацкий Ю.М. Новые технологии исследования сонара китообразных // Труды XII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА-2014), Санкт-Петербург, 27–29 мая, 2014. С. 16–20.Ivanov M.P., Rodionov A.A., Kalatsky Yu.M. New technologies for cetacean sonar research. Proceedings of the 12th All-Russian Conference “Applied Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics” (GA-2014), St. Petersburg, 27–29 May 2014, 16–20 р. (in Russian).Magnus Wahlberga, Frants H. Jensen, Kristian Beedholm, Lars Bejder, Cla´udia Oliveira, Marianne Rasmussen, Malene Simon, Anne Villadsgaard, Peter T. Madsenb. Source parameters of echolocation clicks from wild bottlenose Dolphins (Tursiops aduncus and Tursiops truncatus) // J. Acoust. Soc. Am. 2011. 130 (4), October. P. 2263–2274. doi: 10.1121/1.3624822Magnus Wahlberga, Frants H. Jensen, Kristian Beedholm, Lars Bejder, Cla´udia Oliveira, Marianne Rasmussen, Malene Simon, Anne Villadsgaard, Peter T. Madsenb. Source parameters of echolocation clicks from wild bottlenose dolphins (Tursiops aduncus and Tursiops truncatus). J. Acoust. Soc. Am. 130 (4), October, 2011, 2263–2274. doi: 10.1121/1.3624822Иванов М.П., Попов В.В. Характеристика акустического излучения сонара дельфина в процессе обнаружения различного класса подводных объектов на предельных дистанциях // Морские млекопитающие. Тез. Докл. VII Всесоюзн. Совещ. Симферополь, сент. 1978. М., 1978. С. 141–142.Ivanov M.P., Popov V.V. Characteristics of the acoustic radiation of the dolphin sonar in the process of detecting different class of underwater objects at extreme distances. Marine Mammals. Tez. Dockl. VII All-Union. Meeting. Simferopol. M., 1978, 141–142 (in Russian).Au W.W.L., Penner R.H. Target Detection in Open Waters by an Echolocation Atlantic Bottlenose Dolphin (Tursiops truncates) // J. Acoust. Soc. Am. 1974. V. 68, № 4. P. 1077–1084.Au W.W.L., Penner R.H. Target Detection in Open Waters by an Echolocation Atlantic Bottlenose Dolphin (Tursiops truncates). J. Acoust. Soc. Am. 1974, 68, 4, 1077–1084.Иванов М.П. Эхолокационные сигналы дельфина при решении задач в сложных акустических условиях // Акустический журнал. 2004. Т. 50, № 4. C. 550–561.Ivanov M.P. Dolphin’s echolocation signals in a complicated acoustic environment. Acoustical Physics. 2004, 50, 469– 479. doi: 10.1134/1.1776226Au W.W.L., Hastings M.C. Principles of Marine Bioacoustics. Springer, New York, 2008. 679 p.Au W.W.L., Hastings M.C. Principles of Marine Bioacoustics. Springer, New York, 2008. 679 p.Быстродействующий внешний модуль ввода-вывода фирмы L–CARD. Россия. URL: https://www.lcard.ru/products/external/e20-10 (дата обращения: 12.10.2020)High-speed external I / O module from L–CARD. Russia. URL: https://en.lcard.ru/products/external/e20-10 (date of access: 12.11.2020).Измайлов Д.Ю. Виртуальная измерительная лаборатория PowerGraph. Россия. URL: http://powergraph.ru/soft/pub.asp (дата обращения: 12.10.2020).Izmailov D. Yu. PowerGraph virtual measuring laboratory. Russia.URL: http://powergraph.ru/soft/pub.asp (date of access: (12.10.2020).James J. Finneran. Dolphin “packet” use during long-range echolocation tasks // The Journal of the Acoustical Society of America. 2013. 133, 1796. doi: 10.1121/1.4788997James J. Finneran Dolphin “packet” use during long-range echolocation tasks. J. Acoust. Soc. Am. 2013. 133, 1796. doi: 10.1121/1.4788997Иванов М.П., Мухачев Е.В., Исаков Д.Ю., Данилов Н.А., Овчинников К.В., Розум А.В., Соколов П.А. Идентификация сигналов дельфина в условиях лабораторного эксперимента в открытой воде // Прикладные проблемы безопасности технических и биотехнических систем. 2018. № 2. C. 14–24. doi: 10.25960/2500–2538.2018.2.14Ivanov M.P., Mukhachev E.V., Isakov D.J., Danilov N.A., Ovchinnikov K.V., Rosum A.V., Sokolov P.A. Identification of dolphin signals in the conditions of laboratory experimentation in open water. Applied Safety Problems of Technical and Biotechnological Systems. 2018, 2, 14–24 (in Russian).James J. Finneran, Ryan Jones, Jason Mulsow, Dorian S. Houser, Patrick W. Moore Jittered echo-delay resolution in bottlenose dolphins (Tursiops truncates) // Journal of Comparative Physiology A. Received: 1 July 2018. doi: 10.1007/s00359–018–1309–6James J. Finneran, Ryan Jones, Jason Mulsow, Dorian S. Houser, Patrick W. Moore. Jittered echo-delay resolution in bottlenose dolphins (Tursiops truncates). Journal of Comparative Physiology A. Received: 1 July 2018. doi: 10.1007/s00359-018-1309-6Гиро Л.З. О зависимости частоты следования эхолокационных сигналов дельфинов от сложности эхолокационной задачи // Морское приборостроение, сер.: акустика. 1972. В.2. С. 84–94.Giro L.Z. On the dependence of the repetition rate of dolphin echolocation signals on the complexity of the echolocation problem. Marine Instrument Engineering. Ser.: Acoustics. 1972, 2, 84–94.Au W.W.L., Penner R.H. Detection in a Noise by Atlantic Bottlenose Dolphin // J. Acoust. Soc. Am. 1981. V. 70, № 6. P. 687–693.Au W.W.L., Penner R.H. Detection in a Noise by Atlantic Bottlenose Dolphin. J. Acoust. Soc. Am. 1981, 70, 6, 687–693.Романенко Е.В. Акустика дельфинов и рыб (обзор) //Акустический журнал. 2019. 65, № 1. C. 82–92. doi: 10.1134/S0320791919010088Romanenko E.V. Acoustics of Dolphins and Fish (Review). Acoust. Phys. 2019, 65, 1, 82–92. doi: 10.1134/S1063771019010081Buckstaff K.C. Effects of watercraft noise on the acoustic behavior of bottlenose dolphins, Tursiops truncatus, in Sarasota Bay, Florida // Mar Mammal Sci. 2004. 20:709–725.Buckstaff K.C. Effects of watercraft noise on the acoustic behavior of bottlenose dolphins, Tursiops truncatus, in Sarasota Bay, Florida. Mar Mammal Sci. 2004, 20:709–725.Nikolina Rako Gospić, Marta Picciulin. Changes in whistle structure of resident bottlenose dolphins in relation to underwater noise and boat traffic // Marine pollution bulletin. 2016. doi: 10.1016/j.marpolbul.2016.02.030Nikolina Rako Gospić, Marta Picciulin. Changes in whistle structure of resident bottlenose dolphins in relation to underwater noise and boat traffic. Marine Pollution Bulletin. 2016. doi: 10.1016/j.marpolbul.2016.02.030Douglas P. Nowacek, Lesley Y. Thorne, David W. Johnston, Peter L. Tyack Responses of cetaceans to anthropogenic noise // Mammal Review. 2007. 37, № 2. P. 81–115.Douglas P. Nowacek, Lesley Y. Thorne, David W. Johnston, Peter L. Tyack Responses of cetaceans to anthropogenic noise. Mammal Review. 2007, 37, 2, 81–115.Au W.W.L., Moore P.W.B., Pawloski D.A. Detection of complex echoes in noise by an echolocating dolphin // J. Acoust. Soc. 1988. Am. 83, 662–668.Au W.W.L., Moore P.W.B., Pawloski D.A. Detection of complex echoes in noise by an echolocating dolphin. J. Acoust. Soc. Am. 1988, 83, 662–668.James J. Finneran. Dolphin strategies for long-range object detection and change detection // J. Acoust. Soc. Am. 2013. 133, 3406. doi: 10.1121/1.4805940James J. Finneran. Dolphin strategies for long-range object detection and change detection. J. Acoust. Soc. Am. 2013, 133, 3406. doi: 10.1121/1.4805940Frants H. Jensen Acoustic behavior or bottlenose dolphins and pilot whales. PhD dissertation. Thesis, Zoophysiology, Department of biological Sciences, University of Aarhus, Denmark, 2011. 195 p.Frants H. Jensen. Acoustic behavior or bottlenose dolphins and pilot whales. PhD Diss. Thesis, Zoophysiology, Department of biological Sciences, University of Aarhus, Denmark, 2011, 195 p.Иванов М.П. Эхолокационные сигналы дельфина (Tursiops truncatus) при обнаружении и распознавании подводных объектов. Дисс. канд. биол. наук. Санкт-Петербург, 2000. С. 137.Ivanov M.P. Echolocation signals of a dolphin (Tursiops truncatus) when detecting and recognizing underwater objects. PhD Thesis of Biological Sciences. St. Petersburg, 2000, 137 p.Акопиан А.И. Исследование закономерности изменения частоты следования эхолокационных сигналов дельфина Tursiops truncates. Дисс. канд. биол. наук. Санкт-Петербург, 1995. 138 с.Acopian A.I. Study of the patterns of changes in the frequency of following the echolocation signals of the dolphin Tursiops truncatus. PhD in Biological Sciences. St. Petersburg, 1995, 138.James J. Finneran. Multi-echo processing by a bottlenose dolphin operating in “packet” transmission mode at long range // J. Acoust. Soc. Am. 136, 2876. 2014. doi: 10.1121/1.4898043James J. Finneran. Multi-echo processing by a bottlenose dolphin operating in “packet” transmission mode at long range. J. Acoust. Soc. Am. 2014, 136, 2876. doi: 10.1121/1.4898043Попов С.В. Неопределенность внешней среды и возбуждение // Стресс как детерминанта поведения. 2010. Т. 71, № 4, июль — август. С. 287–297.Popov S.V. Uncertainty of the external environment and arousal. Stress as a determinant of behavior. 2010, 71, 4, JulyAugust, 287–297.Michael Ladegaard, Jason Mulsow, Dorian S. Houser, Frants Havmand Jensen, Mark Johnson, Peter Teglberg Madsen, James J. Finneran. Dolphin echolocation behaviour during active long-range target approaches // Journal of Experimental Biology. 2019. 222, jeb189217. doi: 10.1242/jeb.189217Michael Ladegaard, Jason Mulsow, Dorian S. Houser, Frants Havmand Jensen, Mark Johnson, Peter Teglberg Madsen, James J. Finneran. Dolphin echolocation behaviour during active long-range target approaches. Journal of Experimental Biology. 2019, 222, jeb189217. doi: 10.1242/jeb.189217Рябов В.А. Некоторые аспекты отражения ЧМ-сигналов (свистов) дельфинов в экспериментальном бассейне // Акуст. журн. 2006. 65, № 6. C. 853–860. doi: 10.1134/S0320791919060133Ryabov V.A. Some Aspects of Reflection of Dolphin FM Signals (Whistles) in an Experimental Tank. Acoustic Physics. 2019, 65, 6, 771–777. doi: 10.1134/S1063771019060125

The authors declare that there are no conflicts of interest present.