Erfassung und Analyse der akustischen Kommunikation von Orcas

Erfassung und Analyse der akustischen Kommunikation von Orcas mit NI LabVIEW und
USB-Datenerfassung
"Die Integration von LabVIEW stellt uns mehr
Funktionalität für die Protokollierung, Überwachung
und Analyse zur Verfügung, so dass wir die
Ergebnisse in ein und derselben Anwendung
darstellen und speichern können: über die
LabVIEW-MathScript-Routine."
- Magnus Wahlberg, Fjord & Bælt (http://www.fjord-baelt.dk/)
Die Aufgabe:
Entwicklung eines zuverlässigen Datenerfassungssystems, das Ultraschallsignale von Orcas in freier Wildbahn erfassen und analysieren kann
Die Lösung:
Vollständige
Kundenlösung
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Erstellung eines Mehrkanalsystems mit der Software NI LabVIEW und Datenerfassungshardware für die Live-Audioüberwachung und die Verfolgung
der Fortbewegung der Orcas
Autor(en):
Magnus Wahlberg - Fjord & Bælt (http://www.fjord-baelt.dk/)
Katja Petersen - Fjord and Baelt
Ida Eskesen - Fjord and Baelt
Einige Tierarten, darunter auch der Orca (Großer Schwertwal), nutzen eine Art von biologischem Sonar, die Echoortung, um miteinander zu
kommunizieren, Artgenossen zu identifizieren und sich in ihrem Lebensraum zurechtzufinden. Orcas, eigentlich keine Wale, sondern die größte
Delphinart, stoßen Klicklaute im Ultraschallbereich aus, die aufgrund der akustischen Eigenschaften von Wasser über große Entfernungen hinweg hörbar
sind. Die Klicklaute werden von festen Objekten reflektiert und liefern dem Orca Informationen über die Beschaffenheit seiner Umgebung.
Die Eigenschaften dieser Klicklaute können Aufschluss darüber geben, wie die Schwertwale die Echoortung in ihrem natürlichen Lebensraum nutzen. So
haben die Klicklaute eines Pottwals beispielsweise einen sehr hohen Quellpegel und setzen sich über sehr große Distanzen fort. Laute mit kleinerer
Amplitude, wie sie z. B. von Zahnwahlen erzeugt werden, sind nur über kürzere Entfernungen hörbar.
Herausforderungen bei der Erfassung und Analyse von Klicklauten zur Echoortung
Um mehr über die Ultraschallsignale und ihren Einsatz in der freien Natur zu erfahren, müssen die Laute wilder Orcas erfasst und analysiert werden. Da
die Orcas, die überwacht werden sollen, in kalten und rauen Gewässern nördlich des Polarkreises leben, muss die eingesetzte Hard- und Software den
extremen Umweltbedingungen standhalten und im mobilen Einsatz einfach bedienbar sein. Darüber hinaus stellen mögliche Störungen von anderen
Geräuschquellen, z. B. Schiffen und anderen Tieren, eine Herausforderung dar.
Einsatz von LabVIEW und USB-Datenerfassung
Seit jeher ist es problematisch, zuverlässige Ausrüstung für solche Bedingungen zu finden. Mithilfe der Software LabVIEW (http://www.ni.com/labview/d)
und Datenerfassungshardware von NI konnte jedoch ein System erstellt werden, das alle Anforderungen abdeckt. Die Ausrüstung besteht aus einem
Array linearer Unterwassermikrofone, einem mehrkanaligen Vorverstärker und einem Bandpassfilter, der mit einem digitalen Aufzeichnungsgerät
verbunden ist. Dabei handelt es sich um digitale Hochgeschwindigkeitsgeräte mit auf LabVIEW basierender Signalverarbeitungssoftware. Darüber hinaus
ist die gesamte Ausrüstung batteriebetrieben, so dass andere elektronische Geräte an Bord des Forschungsschiffes nicht zu Störungen führen können.
Hardwareseitig kommt NI USB-6251 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/203865), das Multifunktions-Datenerfassungsmodul der M-Serie mit
hoher Geschwindigkeit zum Einsatz, damit die erforderliche Auflösung und Kanalanzahl erreicht wird. Über die USB-Schnittstelle konnten große
Datenmengen, nämlich 30 bis 50 GB pro Tag, verwaltet werden. Außerdem ermöglicht eine Softwarelösung die Protokollierung, Alarmverwaltung,
Wiedergabe und Analyse.
Vorteile eines Systems mit NI-Produkten
Beim ursprünglichen System mussten Daten manuell eingegeben und nach jedem neuen Datenpunkt ein neuer Graph ausgedruckt oder die
entsprechenden Daten aufgeschrieben werden. Mit dem neuen, LabVIEW-basierten System können dagegen Wave-Dateien geladen, im Vorfeld gefiltert
und Klicklaute mithilfe der Spitzenwerterkennung automatisch geortet und gemessen werden. Das neue System verfügt über 16 anstatt nur über 12 bit.
Darüber hinaus bietet die Integration von LabVIEW (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/203865) mehr Funktionalität für die Protokollierung,
Überwachung und Analyse, so dass die Ergebnisse in derselben Anwendung dargestellt und gespeichert werden können, in der auch die
LabVIEW-MathScript-Routine läuft. Mittels LabVIEW stellen auch Amplitudenmodulation und Hüllkurvenverfolgung kein Problem dar und es können
Anpassungen für Filter- und Rauschunterdrückungsfunktionen vorgenommen werden.
Die Software wurde außerdem modifiziert, um die Geburt und das Heranreifen der Echoortung beim ersten Schweinswalkalb zu beobachten, das jemals
in Gefangenschaft überlebt hat. Dabei wurden 10 Signale gleichzeitig auf jeweils einem Laptop bei 500 kHz mehrere Stunden pro Tag aufgezeichnet,
wobei keinerlei Hard- und Softwareprobleme auftraten. Die Systemleistung bei diesem Projekt war beeindruckend. Danach standen hunderte Gigabyte
aufschlussreiche Daten über die Echoortung bei Zahnwalen zur Verfügung.
Autor:
Magnus Wahlberg
Fjord & Bælt (http://www.fjord-baelt.dk/)
Dänemark
[email protected] (mailto:[email protected])
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www.ni.com
Das Erlebnis- und Forschungszentrum Fjord & Bælt verwendete digitale Hochgeschwindigkeits-Recorder mit Signalverarbeitungssoftware auf Basis von NI LabVIEW,
um die Geburt und das Heranreifen der Echoortung eines Schweinswalkalbs zu überwachen.
Zehn Signale wurden gleichzeitig auf jeweils einem Laptop bei 500 kHz mehrere Stunden pro Tag aufgezeichnet. Die dafür verwendeten Systeme basieren auf NI
LabVIEW.
Rechtliche Hinweise
Diese Kundenlösung („Kundenlösung“) wurde von einem Kunden von National Instruments („NI“) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG WIRD IM „IST-ZUSTAND“
ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN
ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN FÜR NI.COM.
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