Методы радиопрослеживания диких животных (Р. Лорд, В. Кочрен)

Для радиопрослеживания диких животных мы пользуемся небольшими прикрепляемыми к животному передатчиками и портативными пеленгаторами, основные характеристики которых приводятся ниже.

Известно, что передатчик предназначен для посылки сигналов определенной радиочастоты. На пути к приемнику этот сигнал в результате рассеяния ослабляется. Приемник с антенной служит для приема сигналов и определения направления излучения, причем он должен действовать в условиях, когда приему мешают различного рода шумы.

Передатчик состоит из батареи, генератора с кварцевой стабилизацией и настроенной рамочной антенны. В качестве источника была выбрана ртутная батарея, так как отношение энергии к весу у нее очень велико (около 5 мвт⋅сутки/г). Рамочная антенна удобна тем, что с ее помощью может быть осуществлено крепление аппаратуры к животному (например, она может служить ошейником). Для генератора антенна является параллельной резонансной нагрузкой (сигналы генератора непосредственно поступают в антенну). К. п. д. настроенной рамочной антенны (процентное отношение поступающей энергии к излучаемой) определяется по формуле:

где f - частота в мегагерцах, d - диаметр рамки в дюймах.

Уравнение (1) получено эмпирически и справедливо для частот от 25 до 60 Мгц и для случая, когда рамка антенны надета на животное. Если рамка не круглая, то достаточно хорошее приближение можно получить, подставив в уравнение (1) диаметр круга, площадь которого равна площади, охватываемой рамкой. Для малых рамок к. п. д. ниже 1%. Графики излучения антенн приближаются по форме к цифре 8. Наличие мертвой зоны не создавало дополнительных трудностей при радиопрослеживании.

В схеме генератора могут быть использованы самые различные типы транзисторов. В настоящее время наилучшие результаты получены с транзисторами 2N588 и 2N1742, хотя около 50% образцов из каждой партии работали неудовлетворительно.

Использование кварцевой стабилизации позволяло применять приемники с очень малой шириной полосы пропускания, что сильно снижало шумы. Транзистор генератора был охвачен обратной связью с коллектора на базу. При подаче смещения на базу ток коллектора составлял от 1/2 до 3/4 ма, причем при специально отобранных триодах удавалось получить ток, равный 1/5 ма. Напряжение питания составляло 1,35 в, к. п. д. применявшегося генератора (отношение энергии колебаний, поступающих в антенну, к энергии, потребляемой от источника питания) - 15-25%.

Основные характеристики передатчика: вес 35 г (из них 25 г весит батарея), срок службы 125 дней, диаметр рамки 6,25 см, рабочая частота 27 Мгц. Расчет передатчика, удовлетворяющего этим требованиям, приведен ниже. Изготовление такого передатчика и крепление его к животному требуют определенного навыка.

При требуемом сроке службы передатчика 125 дней батарея весом 25 г с отношением энергии к весу 5 мвт⋅сутки/г обеспечивает ежедневный расход энергии в 1 мвт. Если к. п. д. генератора 20%, то в антенну поступает сигнал мощностью 0,2 мвт (20% от 1 мвт). Подставляя d = 2,5 дюйма и f = 27 Мгц в уравнение (1), получим, что Е = 0,011%. Следовательно, антенна излучает энергию 0,000022 мвт (0,011% от 0,2 мвт).

Мощность передатчика

Величина энергии, поступающей на вход приемника, зависит от местности, типа почвы, расстояния от передатчика, коэффициента усиления антенны приемника, высоты обеих антенн и частоты. Для обычной почвы и ровной местности и при условии, что антенна расположена у земли, приближенная формула, выражающая мощность в ваттах, поступающую на вход приемника, имеет вид:

где Р_r - мощность, излучаемая передатчиком (в ваттах), h - высота антенны приемника (в футах), r - расстояние между передатчиком и приемником (в метрах), f - частота (в мегагерцах), G - коэффициент усиления антенны приемника (по отношению к полуволновому диполю).

Член в первых скобках характеризует ослабление сигнала передатчика, а член во вторых скобках - эффективную область приема диполя антенны приемника. Уравнение (2) справедливо для частот свыше 20 Мгц при высоте антенны приемника более 20 футов (6 м) и расстоянии от 100 м до 20 км. Если антенна ниже 6 м, а ее эффективная высота равна длине волны (независимо от фактической высоты), то формула (2) дает ошибку, не превышающую ±50%, что обусловлено большим влиянием характеристик почвы и частоты при малой высоте антенны. При неровной местности с пологими возвышениями, не превышающими половину длины волны (4,8 м при 26 Мгц), формула (2) дает ошибку до ±100%. Следует заметить, что, так как r входит в эту формулу в четвертой степени, изменения величины Р на 100% соответствуют изменениям r примерно на 20%. Если местность покрыта густой растительностью, получаемая мощность уменьшается в 2-3 раза. С уменьшением частоты дальность приема увеличивается.

Используя формулу (1) для антенны передатчика, прикрепленного к кролику, можно по формуле (2) определить мощность, принимаемую антенной высотой 6 м на расстоянии 1 км от приемника:

Эта мощность должна превышать шумы на входе приемника, поступающие от различных источников. Шум в районе, удаленном от больших дорог и городов, составляет величину порядка 2⋅10^-20 вт на 1 гц полосы пропускания (при 27 Мгц) и слегка уменьшается при увеличении частоты. Собственные шумы хорошо спроектированного приемника составляют около 10^-20 вт/гц (величина шума - 4 дб). Суммарный шум составляет около 3⋅10^-20 вт/гц. При полосе пропускания приемника, равной 50 гц, общая мощность шума около 1,5⋅10^-18 вт (50 гц ⋅ 3 ⋅ 10^-20 вт/гц). При сравнении этой величины с мощностью, принятой от передатчика, получим отношение сигнал/шум, равное 1,8. Обычно такая величина более чем достаточна для определения направления.

Радиус действия системы

Интересно заметить, что при благоприятных условиях радиопрослеживание возможно на расстояниях до 160 км (при слежении за птицами с земли или с самолета).

Из уравнений (1) и (2) при учете общих требований к приемнику и параметров передатчиков получается следующее приближенное выражение для радиуса действия системы:

где r - расстояние (в метрах), Е₀ - к. п. д. генератора (в процентах), G - коэффициент усиления антенны приемника (по отношению к полуволновому диполю), S/N - желаемое отношение сигнал/шум, W - вес ртутной батареи (в граммах), N_r - член, учитывающий шум приемника, N_a - коэффициент, учитывающий внешние шумы, Е_r - к. п. д. антенны приемника (для антенн выше 1/4 длины волны близок к 1), В - ширина полосы пропускания приемника (в герцах), L - срок службы передатчика (в сутках), f - частота (в мегагерцах), d - диаметр рамки антенны (в дюймах), h - высота антенны приемника (в футах).

Мы пользуемся приемниками двух типов. Первый тип - портативный приемник с кварцевой стабилизацией частоты, диаметр рамки антенны 61 см (фиг. 1). Подключая различные кристаллы кварца, можно получить 44 канала приема. Ширина полосы 50 гц по уровню 0,5, коэффициент N_r = 3, G = 0,2%, к. п. д. антенны 18%. Диапазон приема сигналов 0,8-1,2 км, в зависимости от схемы передатчика и местности. Приемник изготовлен по заказу, и в продаже его нет.

Фиг. 1. Портативный приемник, использовавшийся при радиопрослеживании

Второй тип - резервный военный приемник типа ВС453 с двумя преобразователями на транзисторах и питанием от автомобильной батареи 12 в. Рамочная антенна диаметром 91,5 см устанавливается на крыше кузова и приводится во вращение изнутри автомобиля. Характеристики этой системы подобны характеристикам первой.

Для того чтобы определить местоположение животного, оператор движется вокруг него с приемником (пеленгатором) и минимум дважды производит определение направления на передатчик. Точка пересечения этих направлений указывает, где находится животное с прикрепленным к нему передатчиком. Таким способом проводилось радиопрослеживание кроликов, енотов, скунсов и фазанов.

При изменении формы рамки антенны передатчика частота заметно изменяется. Для опытного наблюдателя такие изменения могут служить характеристикой активности животного. Таким способом было проведено телеизмерение частоты дыхания и взмахов крыльев у летящей утки^*.

^* (Bellrose, Lord, Cochran, Radio Telemetry of the Respiration of a Flying Duck, Science, 137, 39 (1962).)

Оптимальные методы прикрепления передатчиков еще не найдены. Было испробовано крепление передатчиков к кроликам при помощи тесемок из очень легкого холста (фиг. 2), но они вызвали сильное раздражение кожи. Более успешным было использование жестких ошейников в опытах со скунсами и енотами (фиг. 3).

Фиг. 2. Крепление передатчика при помощи тесемок из легкого холста. Тесемки пристегивались к лямкам, охватывающим передние ноги. Передатчик помещается в сумку из холста на спине животного

Фиг. 3. Скунс с жестким ошейником. Ошейник, представляющий собой медную полосу с пластмассовые покрытием, используется как рамочная антенна