Некоторые результаты опытов по изучению ориентации голубей (А. Зингер)

Главная цель данного сообщения - описать уникальную радиотелеметрическую систему, предназначенную для слежения за голубями в полете. Система состоит из миниатюрного передатчика (фиг. 1) и приемника (фиг. 2). Передатчик весит около 70 г и имеет размер 37,5 × 50 × 18,75 мм. Первоначальный передатчик имел антенну длиной 91,5 см, которая во время полета свободно тянулась за птицей так, чтобы не мешать движению крыльев (фиг. 3). Весь передатчик помещался в небольшую пластмассовую коробку, на которую одевался матерчатый мешочек приблизительно такого же размера, прикрепляемый к птице ремешками. Эти ремешки охватывают шею и грудь птицы (фиг. 4).

Фиг. 1. Передатчик, использованный в опытах по прослеживанию птиц

Фиг. 2. Приемник, использованный в опытах по прослеживанию птиц

Фиг. 3. Передатчик на транзисторах весом 70 г с антенной. Рабочая частота 140 Мгц

Фиг. 4. Передатчик, укрепленный на спине голубя

Рабочая частота передатчика была выбрана так, чтобы удовлетворить нескольким противоречивым требованиям. Первоначально предполагалось ориентироваться на низкие частоты, но тогда потребовалась бы антенна слишком большой длины, которая, как мы думаем, обременяла бы птицу в полете. Высокие частоты в диапазоне 200-400 Мгц были бы очень удобны с точки зрения длины антенны, но во время проектирования приемника (1961 г.) не было достаточно дешевых и хорошо работающих на таких частотах транзисторов.

Позже мне сообщили, что появились транзисторы для высокочастотного диапазона. Тем не менее был выбран диапазон 140 Мгц. На этой частоте длина антенны типа "полуволновой вибратор" составляла 91,5 см, причем использовался коаксиальный диполь, к средней части которого подводилось питание. Диполь состоял из коаксиального кабеля длиной, равной 1/4 длины волны, и антенны той же длины. К месту их соединения при помощи экранированного провода подключался выход передатчика. Внешний экран коаксиального кабеля служил заземлением для четвертьволновой антенны и выполнял также роль излучателя. Излучение на этой частоте было в пределах видимости.

Опыты показали, что антенна длиной около метра не мешает полету голубя. Такая антенна и была окончательно принята. Вес и размеры передатчика также были вполне удовлетворительными, и мы остановились на данной конструкции. В схеме передатчика использованы транзисторы. Передатчик имеет кварцевую стабилизацию для работы на фиксированной частоте. Основной элемент схемы - генератор на частоту 140 Мгц, сигналы которого усиливаются мощным усилителем и поступают в антенну. Благодаря усилителю устраняется влияние антенны на работу генератора. Источником питания для передатчика служат три ртутных элемента с общим напряжением около 4 в. Передатчик может работать около 20 час.

Приемник выполнен по супергетеродинной схеме для основной частоты 120 Мгц с отклонениями от нее в пределах 120 кгц. Это позволяет вести прием от нескольких передатчиков и одновременно контролировать полет нескольких птиц. Приемник имеет направленную антенну типа Уда-Яги, смонтированную на вращающемся основании, что позволяет пеленговать источник излучения (фиг. 5).

Фиг. 5. Антенна типа Уда-Яги, использованная в опытах по прослеживанию

При проверке системы были выпущены два голубя с такими передатчиками. Голуби пролетели 40 км за 35 мин, причем сигналы передатчиков были отчетливыми на протяжении всего полета, и никаких сомнений в факте приема сигналов у нас не возникало. Даже тогда, когда голубь прилетал на свою голубятню, сигналы были достаточно сильными для уверенного определения направления. Мы не ставили специальных опытов, а случайно заметили, что птица делает один или два круга, прежде чем улетает по направлению к своей голубятне. Некоторые данные могут быть обусловлены неточностью в показаниях, так как использовалась одиночная антенна, но ошибка не могла превышать 5-10° и полет птиц контролировался, по крайней мере, в пределах этой возможной ошибки.

У второго из выпущенной пары голубей длина антенны была уменьшена до 61 см. Хотя теоретически эта длина далеко не достигает максимально эффективной, сигнал был достаточно сильным на расстоянии до 40 км от места выпуска голубя.

Имеются несколько очевидных возможностей усовершенствования этой аппаратуры. К ним относится, во-первых, использование нескольких принимающих антенн и приемников, расположенных на значительных расстояниях друг от друга. Это позволит точно определить местоположение птицы в полете. К тому же этот способ можно автоматизировать и автоматически получать данные о положении птиц в любой момент полета.

Другая возможность состоит в использовании самолетов для увеличения дальности приема сигналов передатчиков, так как сигналы принимаются в пределах прямой видимости. Использование самолетов позволяет увеличить дальность приема сигналов до 160 км. Аналогичный результат дает установка антенн на башнях и высоких зданиях.

Логичным расширением этих опытов с точки зрения электроники и физиологии было бы телеизмерение физиологических переменных у птиц, находящихся в полете. Для этого нужно, конечно, изменить уже имеющиеся приборы. Вполне осуществимо измерение ЭКГ, пульса, дыхания, температуры и т. д. Возможно также получение дополнительной информации об окружающей птицу среде (температура, влажность, освещенность, спектральный состав света и т. п.).

Рассматривалась целесообразность модификации нашего передатчика с помощью методов микроминиатюризации. Такая модификация позволила бы уменьшить размеры передатчика на 50-75%. Однако основная трудность заключается в том, что, несмотря на уменьшение всех остальных элементов, размер батарей остается большим. Кроме того, передатчики такого размера, как наш, намного легче изготовить и сделать общедоступным. Мы считаем, что они будут работать вполне удовлетворительно и что сначала надо попытаться использовать эти уже имеющиеся приборы.

Обсуждение доклада

Шмитт. Я хочу задать вам вопрос из чисто технической любознательности. Если станции наблюдения находятся где-то рядом с местом проведения опытов, голуби могут попасть в зону нулевого сигнала антенн. Почему вы используете этот невыгодный способ ориентации вместо того, чтобы проводить выравнивание сигналов, допуская даже потери, и получить уверенную ориентацию в направлении источника сигнала?

Зингер. Я должен признаться, что не занимался этим вопросом. Из бесед с инженерами я знаю, что сигнал передатчика достаточен для удовлетворительного слежения даже в предполагаемой нулевой зоне антенн. Более удачным было бы расположение приемных антенн по сторонам от направления полета птицы, а не непосредственно на этом направлении. Радиоинженеры рассчитали диаграммы излучения антенны и определили, что при расположении антенн на линии полета условия обнаружения будут хуже.

Гриффин. Разрешите мне сделать замечания по трем вопросам. Во-первых, нам говорили, что с теоретической точки зрения при полете голубя с прямой антенной за спиной возможны простые диаграммы излучения. Но я вспоминаю опыты, на которые вы столь любезно пригласили меня в декабре. Мы наблюдали голубя в бинокль и видели, что антенна была направлена не по прямой, а провисала из-за своей тяжести. Ее форма очень сильно отличалась от прямой.

Во-вторых, я хотел бы усомниться в том, что передатчик не обременял птицу в полете. Я думаю, что необходимо несколько недель приучать голубей к макету передатчика, и лишь тогда они смогут летать с ним.

В-третьих, действительно ли вы считаете возможным измерение ориентации голубя относительно солнца, даже если принять вес прибора равным 75 г, т. е. ¹/₄ веса голубя?

Зингер. Отвечу сначала на ваш последний вопрос. Я не считаю, что это можно сделать с имеющимся у нас передатчиком. Однако можно было бы использовать несколько фотоэлементов и, определяя, какой из двух фотоэлементов освещается больше и насколько, найти направление максимума излучения. Я обсуждал этот вопрос с некоторыми инженерами, проектировавшими наш передатчик. По их мнению, такой прибор не был бы намного тяжелее нашего, так как его можно было бы выполнить, используя микроминиатюрную технику. Получилось так, что в начале нашей работы легче всего было взять стандартные детали и собрать их в наименьшем возможном объеме. На данном этапе исследований легче использовать микроминиатюрную технику, но мы не хотели применять ее при первоначальной разработке схемы.

Я не знаю, очень ли были счастливы голуби, летая с нашими передатчиками. Но при проведении опыта мы были уверены, что голуби с передатчиками полетят по обычному направлению, так как раньше они несколько раз делали это.

Гриффин. Как я понял, после прикрепления прибора голубь мог летать с ним только через несколько недель.

Зингер. Да, мы сначала привязывали макет передатчика и не заставляли голубей сразу же лететь с ним. Наш голубевод просто прикреплял макет к голубю, чтобы тот привык к нему. Я не могу сказать, имел ли место процесс акклиматизации, в процессе которого голубь приучался летать с передатчиком.

Болдуин. Мы занимались несколькими другими проблемами. Одна из них - прием сигналов от передатчика, находящегося в желудке коровы. Надо сказать, что микроминиатюрные приборы такого рода довольно хорошо разработаны и стандартизированы. Нетрудно, вообще говоря, уменьшить размер передатчика до нескольких грамм. Я принес с собой один небольшой прибор без антенны. Однако я хотел бы сразу же добавить, что основная проблема, которую нам нужно обсудить, касается систем для преобразования энергии. Ключевым вопросом является аккумуляция энергии в химической форме и ее преобразование. Теория цепей достаточно хорошо разработана, чтобы на ее основании можно было создать приборы, которые были бы пригодны для использования их при радиопрослеживании. Описанный на страницах "Journal of Animal Science" передатчик на 140 Мгц, помещенный в желудок коровы, позволяет вести прием сигналов на расстоянии 30 м и при повороте на 1° изменяет тон модуляции на 500 гц.

Другой нашей задачей является получение телеметрических данных из полости рта. Наш передатчик имеет размер зуба. Помещая его в рот, мы получаем необходимую информацию.

Хаан. Д-р Салливэн заметил, что они рассматривают вопрос об использовании кварцевой стабилизации. Я консультировался по этому вопросу с Федеральной комиссией связи. Они не настаивают на кварцевой стабилизации, а требуют лишь, чтобы стабильность генератора была близка к стабильности генератора с кварцевой стабилизацией. Это совсем другой вопрос, и, между прочим, он вполне разрешим. Я полагаю, что при приеме сигналов от голубей были бы весьма полезны длинноволновые антенны с шириной луча 3-5°. Они имеют широкий диапазон, просты в изготовлении, и с ними легко работать.

Джеддес. Один из вопросов, который беспокоит многих из нас, - это вопрос о допустимом для птицы весе передатчика. Я хотел бы спросить у д-ра Гриффина, каков вес применявшейся в опытах капсулы (в % от веса голубя). Создается впечатление, что этот вес допустим и голуби вполне привыкают к нему. Но мы знаем, что для птицы допустим вес, равный примерно 1 г, а такой передатчик, очевидно, построить трудно.

Гриффин. Я не знаю точно, но допустимый вес значительно меньше грамма. По существу, это вес пустой капсулы с кусочком бумаги или пленки. Я не могу ответить на этот вопрос, но думаю, что ответ должен быть и что какой-то ответ может дать д-р Кочрен. Вообще это нетрудный вопрос, но никто этим просто не занимался.

Вопрос с места. Какова энергия, затрачиваемая птицей в полете, и какова дополнительная энергия, затрачиваемая птицей для переноса этих передатчиков? Занимался ли кто-нибудь вопросом об использовании движений птицы или солнечного света для питания передатчика? Конечно, у батареи отношение энергии к весу крайне невыгодно.

Гриффин. Если бы можно было использовать хотя бы 1% энергии потока воздуха, то проблема была бы решена. Но я думаю, что технически это слишком сложно. Источником требуемой энергии в несколько милливатт мог бы, конечно, служить обмен веществ в организме птицы.

Кочрен. В музее естествознания университета штата Миннесота есть один передатчик совершенно иной конструкции. Антенна его имеет к. п. д. 1/1000, т. е. излучает 1/1000 мощности передатчика. Вес передатчика 2,5 г и срок службы 100-150 дней. В зависимости от факторов, которые всем известны, мы можем вести прослеживание птицы на расстоянии до 32 км. Сейчас мы заняты вопросом о повышении экономичности антенны.

Болдуин. Я хотел бы упомянуть о некоторых необычных возможностях, которые мы подсчитали. Имеется небольшой прибор, представляющий собой по существу термопару, который обеспечивает энергию, необходимую для питания передатчика с определенным типом генератора. Для работы прибора нужна разность температур на его пластинах, равная 11°. Существенно то, что мы используем тепло животного, нормальная температура которого равна 37°. Разность между этой температурой и нормальной температурой воздуха (+26°) составляет как раз 11°. Напряжение питания нашего генератора составляет 0,1-0,25 в. Питание такого генератора от батареи крайне неэкономично. Термопара имеет высокий к. п. д. и открывает возможности использования тепла животных. Важно то, что вес этого устройства может быть доведен примерно до 2 г, а занимаемая им площадь - до 1,25 × 1,25 см. Такой источник питания можно применять для работы с очень малыми животными.