Detector de morcego - Bat detector

Um detector de morcego em uma mesa
Detector de morcego totalmente digital com heteródino, divisão de frequência e expansão de tempo
Pipistrelle comum

Um detector de morcegos é um dispositivo usado para detectar a presença de morcegos , convertendo seus sinais de ultrassom de ecolocalização , à medida que são emitidos pelos morcegos, em frequências audíveis , geralmente cerca de 120  Hz a 15 kHz. Existem outros tipos de detectores que gravam chamadas de morcegos para que possam ser analisados ​​posteriormente, mas esses são mais comumente referidos por sua função específica.

Os morcegos emitem chamadas de cerca de 12 kHz a 160 kHz, mas as frequências superiores nesta faixa são rapidamente absorvidas no ar. Muitos detectores de morcegos são limitados a cerca de 15 kHz a 125 kHz, no máximo. Os detectores de morcegos estão disponíveis comercialmente e também podem ser autoconstruídos.

Usando detectores de morcegos

Os detectores de morcegos são usados ​​para detectar a presença de morcegos e também ajudam a tirar conclusões sobre suas espécies. Alguns cantos de morcegos são distintos e fáceis de reconhecer, como os morcegos-ferradura ; outras chamadas são menos distintas entre espécies semelhantes. Embora os morcegos possam variar seus chamados enquanto voam e caçam, o ouvido pode ser treinado para reconhecer espécies de acordo com as faixas de freqüência e taxas de repetição dos chamados de ecolocalização. Os morcegos também emitem chamadas sociais (chamadas não de ecolocalização) em frequências de ultrassom.

Uma das principais limitações dos detectores acústicos de morcegos é o seu alcance, que é limitado pela absorção do ultrassom no ar. Em frequências de faixa média em torno de 50 kHz, a faixa máxima é de apenas cerca de 25 a 30 metros em condições atmosféricas médias quando os morcegos voam. Isso diminui com o aumento da frequência. Algumas chamadas de morcego têm componentes em torno de 20 kHz ou até menos e às vezes podem ser detectados em 2 ou 3 vezes o intervalo normal. No entanto, apenas os componentes de frequência mais baixa serão detectados à distância. A faixa utilizável de detectores de morcegos diminui com a umidade e, em condições de neblina, a faixa máxima pode ser muito baixa.

É importante reconhecer três tipos de chamada de ecolocalização de morcego: modulação de frequência (FM), frequência constante (CF) (às vezes chamada de modulação de amplitude ) e chamadas compostas com componentes FM e CF. O seguinte ilustra um morcego fazendo uma chamada do tipo FM seguida por um morcego que usa uma chamada do tipo CF:

A chamada FM é ouvida como cliques secos rápidos e a chamada CF como peeps. A frequência deles varia devido ao efeito Doppler conforme o morcego passa voando. Um detector de morcego heteródino exagera o efeito Doppler. Conforme o morcego que faz as chamadas CF voa em direção ao detector, o tom cai.

Várias espécies de morcegos usam uma chamada FM e CF composta, começando com uma chamada FM de queda rápida que diminui para se tornar uma chamada CF no final, dando ao gráfico uma forma de "taco de hóquei". Isso faz com que a chamada soe diferente em um detector de morcegos:

Isso dá um som muito mais úmido do que a chamada FM pura. Pipistrelles geralmente usa a chamada do taco de hóquei para ecolocalização geral, mas às vezes usa apenas a parte FM. As frequências finais para o Pipistrelle comum e o Pipistrelle Soprano estão em torno de 45 kHz e 55 kHz, respectivamente, mas essas frequências podem variar amplamente.

Existem três tipos de detector de bastão de áudio em "tempo real" em uso comum: o heteródino, divisão de freqüência e expansão de tempo. Alguns detectores de morcegos combinam dois ou três tipos.

Tipos de detector de morcego

Heteródino

Ilustração de mistura heteródina. Um chirp descendente de entrada é combinado com um sinal de frequência constante de 50 kHz (LO, Fig. A). A Fig. B mostra o sinal resultante com componentes de frequência baixa (diferença) e alta (soma). Figs. C: / D: descreve o resp. magnitudes no domínio da frequência.

Os detectores heteródinos são os mais comumente usados, e a maioria dos detectores autoconstruídos são desse tipo. Freqüentemente, uma função heteródina também é incorporada a outros tipos de detector. Um detector de morcego heteródino simplesmente muda todas as frequências de ultrassom para baixo em uma quantidade fixa para que possamos ouvi-las.

Um "heteródino" é uma frequência de batida como a que pode ser ouvida quando duas notas musicais próximas são tocadas juntas. Um detector de morcego heteródino combina a chamada do morcego com uma frequência interna constante para que as frequências de soma e diferença sejam geradas. Por exemplo, uma batida a 45 kHz e uma frequência interna de 43 kHz produz frequências de saída de 2 kHz e 88 kHz. A frequência de 88 kHz é inaudível e é filtrada e a frequência de 2 kHz é enviada para um alto-falante ou fones de ouvido. A frequência interna é exibida em um dial ou display.

Uma versão de melhor qualidade de um detector de morcego heteródino, ou conversão direta, é o detector super-heteródino. Nesse caso, o sinal do morcego é misturado a um oscilador de alta frequência, normalmente em torno de 450–600 kHz. A diferença de frequência é então amplificada e filtrada em uma 'frequência intermediária' ou se amplificador antes de ser convertida de volta para frequências audíveis novamente. Este projeto, que é baseado no projeto de rádio padrão, oferece discriminação de frequência aprimorada e evita problemas com interferência do oscilador local.

Em detectores baseados em DSP mais recentes, a conversão heteródina pode ser feita totalmente digital.

O problema de sintonia pode ser resolvido usando um circuito de varredura para permitir que o detector varra o espectro automaticamente e pare a varredura quando uma chamada de morcego for ouvida. Um exemplo de tal detector é o Bat Scanner .

Também é possível usar um gerador de 'espectro comb' como o oscilador local, de modo que o detector seja efetivamente sintonizado em muitas frequências, com 10 kHz de distância, simultaneamente.

Alguns dos primeiros detectores de morcegos usavam conjuntos de rádio de baixa frequência da antiga Marinha, simplesmente substituindo a antena por um microfone e um pré-amplificador. Também é possível modificar um rádio portátil Long Wave para ser um detector de morcego, ajustando as frequências de sintonia e substituindo a antena de haste de ferrite por um microfone e pré-amplificador.

Como é usado

O operador adivinha as espécies prováveis ​​de estar presentes e ajusta a frequência de acordo. Muitos usuários começarão a ouvir em torno de 45 kHz. Se um morcego for visto ou um chamado semelhante ao de um morcego for ouvido, a frequência é ajustada para cima e para baixo até que o som mais claro seja ouvido.

Espécies como Pipistrelles, que terminam sua chamada com um componente CF de "taco de hóquei", podem ser reconhecidas de acordo com a frequência mais baixa que fornece o som "plop" mais claro. Os morcegos-ferradura emitem um som de pio em uma frequência que depende de sua espécie. Todas as chamadas FM tendem a soar como cliques, mas as frequências de início e fim e o padrão de repetição de chamadas podem fornecer pistas sobre a espécie.

Prós e contras

As vantagens de um detector de morcego heteródino é que ele funciona em tempo real, exagera as mudanças de frequência da chamada do morcego, é fácil de usar e é o mais barato. É fácil reconhecer uma mudança doppler nas chamadas CF de morcegos voadores devido à sua velocidade de vôo. A audição e gravação em estéreo são possíveis com modelos como o detector heteródino estéreo CSE, e isso pode ajudar a rastrear morcegos quando a visibilidade é ruim.

As desvantagens de um detector de morcego heteródino são que ele só pode converter uma banda estreita de frequências, normalmente 5 kHz, e precisa ser reajustado continuamente, podendo facilmente perder espécies fora de sua faixa de sintonia atual.

Divisão de freqüência

Divisão de frequência: o sinal original é convertido em ondas quadradas e depois dividido por um fator fixo (aqui: 16).

Os detectores de morcego por divisão de frequência (FD) sintetizam um som que é uma fração das frequências de chamada do morcego, normalmente 1/10. Isso é feito convertendo a chamada em uma onda quadrada , também chamada de sinal de cruzamento zero. Esta onda quadrada é então dividida usando um contador eletrônico por 10 para fornecer outra onda quadrada. As ondas quadradas soam fortes e contêm harmônicos que podem causar problemas na análise, portanto, eles são filtrados quando possível. Alguns detectores totalmente digitais recentes podem sintetizar uma onda senoidal em vez de uma onda quadrada. Um exemplo de detector que sintetiza uma saída FD de onda senoidal é o Griffin.

Alguns detectores FD emitem esse sinal de nível constante, que reproduz ruído de fundo e chamadas de morcego no mesmo nível alto. Isso causa problemas tanto para ouvir quanto para analisar. Detectores FD mais sofisticados, como o Batbox Duet, medem o nível de volume de entrada, limitando o limiar de ruído, e usam isso para restaurar as variações de nível de saída. Este e outros detectores FD sofisticados também incluem um detector heteródino e fornecem uma saída de tomada para que as saídas independentes possam ser registradas para análise posterior.

Como é usado

Com detectores FD de saída dupla, os fones de ouvido podem ser usados ​​para monitorar ambas as saídas simultaneamente, ou o alto-falante usado com a função heteródina e a saída FD gravada e analisada posteriormente. Alternativamente, ouvir a saída FD fornece uma renderização audível da chamada do morcego na frequência 1/10. Um exemplo de detector duplo é o Ciel CDB301.

Os detectores FD / heteródino duplos são úteis para transectos de cross country, especialmente quando há uma função fornecida para gravar notas de voz, como horários, locais e chamadas de morcegos reconhecidas. A saída ou saídas são gravadas em fita cassete, Minidisc ou gravadores de estado sólido, baixadas para um computador e analisadas usando um software personalizado. As chamadas perdidas pela função heteródina, se presente, podem ser vistas e medidas na análise.

Prós e contras

Vantagens, como acontece com um detector heteródino, um detector FD funciona em tempo real com ou sem uma função heteródina. As chamadas de morcegos podem ser ouvidas em toda a sua extensão, em vez de em uma faixa de frequência limitada. Não é necessário reajustar com um detector FD, embora isso seja feito com um tipo duplo com heteródino. Ao analisar a gravação posteriormente, toda a faixa de frequência de chamada e o padrão de chamada podem ser medidos.

Uma séria desvantagem da escuta em tempo real é que a velocidade do canto do morcego permanece alta, muitas vezes rápida demais para que a espécie seja reconhecida. As alterações de frequência das chamadas CF não são exageradas como com um detector heteródino e, portanto, são menos perceptíveis. Também com algumas espécies, como o morcego-ferradura, com um canto em torno de 110 kHz, a frequência resultante ainda é bastante alta, embora possa ser registrada. A sintetização da chamada significa que apenas uma chamada de morcego pode ser reproduzida por vez e uma confusão é causada por chamadas simultâneas. Surpreendentemente, esta não é uma grande desvantagem ao analisar uma gravação mais tarde

Expansão de tempo

Expansão de tempo 20 vezes. A amplitude e a forma do sinal são retidas enquanto o sinal expandido é reduzido em 20 vezes no conteúdo de frequência e sua duração é expandida, respectivamente.

Os detectores de expansão de tempo (TE) funcionam digitalizando as chamadas do morcego a uma alta taxa de amostragem, usando um conversor analógico-digital e armazenando o sinal digitalizado em uma memória on-board.

Os detectores TE são dispositivos de "tempo real", pois podem ser monitorados no momento da gravação, mas há um atraso inevitável enquanto a amostra de extração em alta velocidade é desacelerada e reproduzida.

Como é usado

No modo de tempo real, com ou sem um heteródino associado ou detector FD, as chamadas desaceleradas podem ser ouvidas como uma chamada de morcego prolongada em frequências audíveis. Portanto, as chamadas FM rápidas podem ser ouvidas como uma nota descendente em vez de um clique. Assim, é possível ouvir a diferença entre as chamadas FM que soam apenas como cliques nos outros tipos de detector.

Depois de baixar uma gravação de áudio para um computador, as chamadas originais são analisadas como se ainda estivessem na taxa original não expandida.

Prós e contras

A saída pode ser gravada com um gravador de áudio como com detectores FD, ou com unidades mais recentes, o sinal pode ser gravado diretamente em uma memória digital interna, como um cartão compact flash. Toda a forma de onda é registrada com o alcance total da chamada sendo preservado, em vez de 1/10 da forma de onda como em um detector FD. Uma vez que as informações de frequência e amplitude são preservadas na chamada gravada, mais dados estão disponíveis para análise de espécies.

As primeiras unidades eram equipadas com pequenas memórias que limitavam o período de tempo que podiam ser digitalizados. Uma vez que a memória estava cheia (geralmente apenas alguns segundos no máximo), a unidade reproduzia a gravação em uma taxa mais lenta, normalmente entre 1/10 a 1/32 da taxa da gravação original. Enquanto a amostra gravada está sendo reproduzida lentamente, nada está sendo gravado, então as chamadas do morcego são amostradas de forma intermitente. Por exemplo, quando uma chamada de 1 segundo está sendo reproduzida a uma taxa de 1/32, 32 segundos de chamadas de morcego não estão sendo gravadas.

Gravadores de expansão de tempo mais recentes usam grandes memórias baseadas em flash (como cartões compact-flash removíveis) e gravação direta em cartão de alta largura de banda para fornecer gravação contínua em tempo real de largura de banda total. Essas unidades podem gravar continuamente por muitas horas, mantendo o máximo de informações dentro do sinal.

Algumas unidades também estão equipadas com uma função de gravação automática e podem ser deixadas no campo por muitos dias.

Algumas unidades também incluem um recurso de pré-buffer para capturar eventos que aconteceram pouco antes de o botão 'registrar' ser pressionado, o que pode ser útil para levantamentos manuais.

Os detectores TE são normalmente usados ​​para trabalho profissional e de pesquisa, pois permitem uma análise completa das chamadas dos morcegos em um momento posterior.

Frequência de amostragem para detectores digitais / TE

Uma pesquisa em 2010 observou que as frequências usadas pelos morcegos podem chegar a 250 kHz.). O teorema de amostragem de Nyquist-Shannon observa que a frequência de amostragem mínima necessária para gravar um sinal com sucesso deve ser maior que o dobro da largura de banda do sinal. Para gravar uma largura de banda de 250 kHz, portanto, é necessária uma frequência de amostragem superior a 500 kHz. As unidades modernas com capacidade de expansão de tempo normalmente obtêm amostras entre 300 kHz e 700 kHz. Em geral, mais rápido é melhor, embora uma frequência de amostragem mais alta use mais espaço de armazenamento.

Outros tipos de detector de morcego

Análise de cruzamento zero

O ZCA é mais comumente associado ao detector de morcegos Anabat da Titley Scientific. As chamadas de morcego originais são digitalizadas e os pontos de cruzamento zero usados ​​para produzir um fluxo de dados que é gravado em um cartão de memória. Existem controles sofisticados de temporização e gatilho, e o dispositivo pode ser configurado para responder às chamadas do morcego, de forma que muitas horas de gravação estejam disponíveis em situações não tripuladas. O objetivo do ZCA é reduzir a quantidade de dados que devem ser gravados na memória e pode ser considerado uma forma simples de compactação de dados com perdas . Historicamente, para atingir longos tempos de gravação, essa redução de informações foi necessária devido às limitações de capacidade de memória e custo de memória.

A gravação ZCA de estado sólido é analisada por um software personalizado para produzir um gráfico de tempo / frequência de cada chamada, que pode ser examinado para reconhecimento de espécies de maneira semelhante às gravações FD ou TE.

Como é usado

O detector ZCA é geralmente colocado em um abrigo de morcegos ou em uma trajetória de voo e deixado por vários dias para coletar dados. Portanto, é menos trabalhoso do que usar um detector de morcegos tripulado em tempo real.

Prós e contras

Embora o detector ZCA também possa ser usado em tempo real, seu valor é para gravação remota por longos períodos. A análise é semelhante à das gravações FD, mas não há dados de amplitude incluídos. No entanto, ele registra com precisão cada ponto de cruzamento zero, em vez de apenas um em dez. Como acontece com todos os dispositivos de gravação acionados por uma entrada, um detector ZCA que grava automaticamente está sujeito à interferência ultrassônica de insetos, como grilos. Os filtros podem ser escritos para selecionar uma frequência característica de certas espécies e ignorar outras; algumas (espécies de FC) são filtradas mais facilmente, outras são quase impossíveis.

Gravação de alta frequência

Isso pode ser feito usando um periférico digitalizador de alta velocidade em um computador como um laptop. Este não é um detector de morcego como tal, mas as gravações das chamadas dos morcegos podem ser analisadas de forma semelhante às gravações do TE. Esse método produz grandes arquivos de dados e não produz meios de detectar chamadas de morcegos sem o uso simultâneo de um detector de morcegos. No entanto, existem também sistemas mais sofisticados, como o Avisoft-UltraSoundGate, que pode substituir um detector de morcego convencional. Esses sistemas avançados fornecem, adicionalmente, uma exibição espectrográfica em tempo real, medição automatizada de parâmetros de chamada e ferramentas de classificação, funcionalidade GPS integrada e uma ferramenta de entrada de metadados versátil para documentar as gravações.

Detectores DSP

Os detectores de morcegos DSP visam fornecer um retrato acusticamente preciso das chamadas dos morcegos, usando um processador de sinal digital para mapear os sinais de ultrassom dos morcegos em sons audíveis; diferentes algoritmos estão sendo usados ​​para fazer isso, e há um desenvolvimento ativo e ajuste de algoritmos em andamento.

Uma estratégia chamada "mudança de frequência" usa uma análise de sinal FFT para encontrar a frequência principal e a potência do sinal e, em seguida, usando a simulação digital, uma nova onda audível é sintetizada a partir da original dividida por um valor definido.

Os processos de Divisão de Freqüência e conversão Heteródina também podem ser realizados digitalmente.

Codificação de sinal no domínio do tempo

Acredita-se que este tipo de detector de morcego esteja em pré-produção ou experimental e não está disponível comercialmente. Pesquisas estão em andamento para analisar muitos tipos de chamadas e sons de ultrassom, além dos de morcegos.

Um detector TDSC digitaliza as chamadas originais e deriva uma string de dados bidimensional analisando os parâmetros de cada chamada em relação ao tempo. Isso é analisado por uma rede neural para fornecer reconhecimento de padrões para cada espécie.

Detecção não acústica

A observação visual é o meio óbvio de detectar morcegos, mas é claro que isso só pode ser feito à luz do dia ou em condições crepusculares (ou seja, crepúsculo e amanhecer). As contagens de emergência são feitas visualmente ao anoitecer, usando um detector de morcegos para confirmação das espécies. Em condições de pouca luz, um dispositivo de visão noturna pode ser usado, mas o tipo mais acessível da geração 1 tem um tempo de retardo que falha em fornecer uma imagem adequada de um morcego voador.

Câmeras infravermelhas (IR) e filmadoras são usadas com um iluminador IR para observar emergências e comportamento de morcegos dentro e fora de poleiros. O problema com esse método é que derivar uma contagem de uma gravação é tedioso e demorado, mas as câmeras de vídeo podem ser úteis como backup nas contagens de emergência para observar morcegos entrando novamente no poleiro. Muitas câmeras de vídeo Sony são sensíveis ao infravermelho.

Os dispositivos de feixe infravermelho geralmente consistem em uma matriz dupla de feixes infravermelhos invisíveis. O tamanho da entrada do poleiro determina o número de feixes necessários e, portanto, a energia necessária e o potencial para uso fora da rede elétrica. Os sistemas DIY de feixe único estão disponíveis para caixas de morcego, mas eles não registram a direção do trânsito. Quase todos os sistemas em uso hoje são não comerciais ou DIY. Um sistema em uso em algumas minas em Wisconsin usa duas matrizes de feixes, no entanto, eles estão bem espaçados e, consequentemente, registram apenas cerca de 50% dos morcegos, embora os números extrapolados sejam alcançados através da correlação de vídeo com carimbo de tempo e dados de quebra de feixe. O Conselho do Campo para o País de Gales (CCW) usa dois sistemas semelhantes com vigas espaçadas o suficiente para que cada morcego que transite pela entrada seja registrado junto com a temperatura. Esses sistemas requerem energia da rede elétrica ou baterias de ciclo profundo de 12 V. Eles podem ser usados ​​em conjunto com um Anabat Zcaim instalado em um tubo de solo de 6 "e apontado através da entrada do poleiro para discriminar entre as espécies, correlacionando os dados de registro de tempo da matriz IR e os dados Anabat Zcaim filtrados para morcegos ferradura (relativamente fácil devido a sua ecolocalização de CF facilmente identificável, que pode ser filtrada automaticamente usando o software Anabat).

Os dados dos sistemas de quebra de feixe devem ser analisados ​​cuidadosamente para eliminar o "comportamento de amostragem de luz" (amostragem do ambiente) onde os morcegos saem repetidamente do poleiro e retornam imediatamente se as condições não forem adequadas. Alguns sistemas discriminam animais do tamanho de morcegos; eles determinam se os feixes são quebrados por um animal do tamanho de um morcego e ignoram todos os outros trânsitos. É importante que os dados sejam analisados ​​usando uma metodologia que leve em consideração o comportamento da amostragem de luz. O método que parece fornecer os resultados mais precisos é o seguinte: trânsito "de saída" atribuído a 1, trânsito "de" entrada atribuído -1. A contagem inicial é zerada às 16h, diariamente. Usando uma planilha, as contagens são somadas cumulativamente das 16h de cada dia até as 9h do dia seguinte. A contagem "positiva" máxima pode ser facilmente encontrada para cada dia. Uma vez que cada trânsito tem um carimbo de hora, a hora exata da contagem máxima diária também é conhecida. As contagens de amostragem de luz são eliminadas dos dados, uma vez que uma "saída" 1 é cancelada por uma "entrada" -1, resultando em uma contagem cumulativa de zero para morcegos de amostragem de luz.

Os termovisores de alta definição para registrar morcegos a mais de 30 metros de alcance são caros, mas têm sido usados ​​para avaliar os perigos das turbinas eólicas para pássaros e morcegos. Os termovisores "acessíveis" têm um alcance de detecção de morcegos da mesma ordem dos detectores acústicos de morcegos, devido ao tamanho pequeno e às baixas emissões de calor dos morcegos.

Sensores infravermelhos passivos são lentos com uma velocidade de resposta da ordem de um décimo de segundo e normalmente não detectam um pequeno mamífero rápido como um morcego.

O radar tem sido usado para detectar morcegos além do limite acústico, mas é muito caro em equipamentos e horas de trabalho. As instalações do Bird Aircraft Strike Hazard (BASH) são capazes de detectar morcegos, mas geralmente estão localizadas onde poucos morcegos voam. Existem muito poucos radares terrestres móveis adequados disponíveis em qualquer lugar. Módulos de radar doppler portáteis têm sido usados ​​em campo para permitir que os pesquisadores compensem a mudança doppler imposta às gravações de sinais de morcegos devido à sua velocidade de vôo. Isso permite aos pesquisadores saber se os morcegos estão mudando o tom de suas chamadas durante o vôo.

Veja também

Referências

links externos