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Sensitivity of Doppler Tolerance to the Structure of Bat-Like Sonar Signals

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Among the various problems that bats are faced with, range measurement during pursuits can be viewed as a time delay estimation problem in presence of Doppler effect. Doppler tolerance appears then as a physical property according to which range estimation is almost insensitive to the Doppler rate. Under the hypothesis of a matched filtering of returning echoes, the classical formulation of Doppler tolerance is summarized, and performances and optimal solutions are recalled. The addressed problem is then to evaluate performances stability with respect to signals variability for getting some insight in both the necessary “tuning” of a matched filter receiver and the imposed constraints on experimental recordings. This is achieved within the restricted framework of a simple signal model generating a large number of waveforms commonly encountered in Vespertillionidae. The influence of both frequency and amplitude modulations is investigated, emphasizing the key role of the instantaneous frequency law and allowing, in first approximation, to neglect the peculiarities of a smooth amplitude function. Deviations from optimal solutions are quantitatively evaluated and connections with bat echolocation calls (as recorded in the field) are underlined.

Zusammenfassung

Unter den verschiedenen Problemen, mit denen eine Fledermaus während einer Verfolgungsjagd konfrontiert ist, erscheint das der Entfernungsmessung als die Aufgabe, die Zeitverzögerung bei auftretendem Dopplereffekt abzuschätzen. Die Doppler-Toleranz bedeutet dabei die Unabhängigkeit der Entfernungsschätzung von der Größe des Dopplereffekts. Unter der Annahme, daß die zurückkommenden Echos einem ,,matched filtering“ unterliegen, wird die klassische Formulierung der Doppler-Toleranz dargestellt, und es werden die optimalen Lösungen und deren Leistungen zusammengestellt. Das gestellte Problem ist dann, die Stabilität der Erkennungsleistung hinsichtlich veränderlicher Signale zu ermitteln, um sowohl die notwendige Anpassungsfähigkeit des Rezeptors als auch die erforderliche Genauigkeit experimenteller Messungen beurteilen zu könnnen. Dies wird unter Beschränkung auf ein einfaches Signalmodell erreicht, das einer großen Anzahl der bei den Verspertillioniden beobachteten Signalformen zugrundeliegt. Es wird der Einfluß von Frequenz- und Amplitudenmodulationen untersucht. Dabei wird die Bedeutung des Gesetzes der Momentanfrequenz herausgestellt, wobei die Besonderheiten einer glatten Amplitudenfunktion im Sinne einer ersten Näherung vernachlässigt werden. Abweichungen von optimalen Lösungen werden quantitativ angegeben; auf Beziehungen zu gemessenen Ortungsschreien von Fledermäusen wird hingewiesen.

Sommaire

Parmi les divers problèmes auxquels une chauve-souris est confrontée lors d'une poursuite, celui de sa distance à sa proie peut être envisagé comme un problème d'estimation de temps de propagation en présence d'effet Doppler. L'insensibilité d'une telle estimation au taux d'effet Doppler constitue la tolérance à l'effet Doppler. Sous l'hypothèse d'un traitement par filtrage adapté des échos reçus, on résume la formulation habituelle de la tolérance à l'effet Doppler et on en rappelle les performances ainsi que les signaux optimaux associés. Le problème posé est alors celui d'évaluer la stabilité des performances vis-à-vis des variations des signaux pour chiffrer à la fois le degré d'adaptation nécessaire du récepteur et la précision imposée aux mesures expérimentales. Cette évaluation est faite dans le cadre d'un modèle de signal simplifié, mais permettant de simuler un grand nombre de situations couramment rencontrées chez les Vespertillionidae. L'influence respective des modulations d'amplitude et de fréquence est étudiée, faisant ressortir l'importance des lois de fréquence instantanée au détriment des modulations d'amplitude régulières. Les pertes de performances associées à des solutions sous-optimales sont chiffrées et les résultats donnés sont rapprochés de ceux issus de signaux réels, enregistrés in situ au cours de poursuites.
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Document Type: Research Article

Publication date: 01 November 1986

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  • Acta Acustica united with Acustica, published together with the European Acoustics Association (EAA), is an international, peer-reviewed journal on acoustics. It publishes original articles on all subjects in the field of acoustics, such as general linear acoustics, nonlinear acoustics, macrosonics, flow acoustics, atmospheric sound, underwater sound, ultrasonics, physical acoustics, structural acoustics, noise control, active control, environmental noise, building acoustics, room acoustics, acoustic materials, acoustic signal processing, computational and numerical acoustics, hearing, audiology and psychoacoustics, speech, musical acoustics, electroacoustics, auditory quality of systems. It reports on original scientific research in acoustics and on engineering applications. The journal considers scientific papers, technical and applied papers, book reviews, short communications, doctoral thesis abstracts, etc. In irregular intervals also special issues and review articles are published.
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