Het gebruik van Sonar in het opsporen en volgen van mariene zoogdieren om botsingen te voorkomen

Zeezoogdieren zoals walvissen en dolfijnen zijn van vitaal belang voor de ecosystemen van de oceaan, maar worden geconfronteerd met groeiende bedreigingen van menselijke activiteiten, met name scheepsbotsingen. Vesselstakingen veroorzaken ernstige verwondingen en sterfte, waarbij bepaalde soorten zoals de Noord-Atlantische rechterwalvis dichter bij het uitsterven worden geduwd. Om dit aan te pakken, vertrouwen wetenschappers en maritieme autoriteiten steeds meer op sonartechnologie om zeezoogdieren real-time op te sporen en te volgen, waardoor proactieve botsingen kunnen worden voorkomen. In dit artikel wordt onderzocht hoe sonar werkt, wat er wordt toegepast op mariene monitoring, de huidige uitdagingen en toekomstige innovaties die veiligere zeeën voor zowel de wilde dieren als de scheepvaart beloven.

Sonartechnologie begrijpen

Sonar . Een acroniem voor geluidnavigatie en Ranging . gebruikt geluidsgolven om te detecteren , lokaliseren en te identificeren objecten onder water . Het basisprincipe omvat het uitstralen van akoestische pulsen (pings) die door water reizen , reflecteren objecten , en terug te keren als echo's . Door het meten van de tijd vertraging en kenmerken van het terugkerende geluid , sonar systemen berekenen afstand , grootte , vorm , en beweging van het doel .

Geluid reist efficiënt in water, waardoor sonar veel effectiever dan optische of radar methoden voor onderwaterdetectie. De technologie wordt gebruikt sinds het begin van de 20e eeuw voor onderzeeër detectie, maar de toepassing ervan op mariene biologie kreeg impuls in de afgelopen decennia. Moderne sonar systemen combineren nu geavanceerde signaalverwerking met computeralgoritmen om biologische doelen te onderscheiden van geologische kenmerken of puin.

In het kader van de instandhouding van zeezoogdieren dient sonar twee primaire doeleinden: het opsporen van de aanwezigheid van dieren in de nabijheid van schepen en het volgen van hun bewegingen in de tijd. Deze informatie kan worden ingevoerd in besluitvormingssystemen die kapiteins adviseren om de koers te vertragen, te wijzigen of motoren te stoppen totdat de dieren het gebied hebben verlaten.

Soorten sonar gebruikt in marine monitoring

Actieve sonar

Actieve sonarsystemen zenden hun eigen geluidspulsen uit en luisteren naar terugkerende echo's. Ze geven gedetailleerde, realtime informatie over nabijgelegen objecten, inclusief afstand en lager. In zeezoogdierentoepassingen wordt vaak actieve sonar gemonteerd op de romp van schepen of ingezet vanuit autonome onderwatervoertuigen (AUV's).

Actieve sonar kan objecten detecteren op een afstand van een paar meter tot enkele kilometers, afhankelijk van frequentie, vermogen en wateromstandigheden. Lagere frequenties reizen verder, maar bieden minder details, terwijl hogere frequenties een fijnere resolutie bieden over kortere afstanden. Veel moderne systemen gebruiken split-beam of multibeam arrays om driedimensionale beelden van doelen te creëren, waardoor operators de verschillende echo-signatuur van walvissen en dolfijnen kunnen identificeren versus visscholen of onder water gelegen rotsen.

De actieve sonar heeft echter een aanzienlijk nadeel: de geluidspulsen zelf kunnen zeezoogdieren storen. Begin 2000 ontstond er controverse toen militaire oefeningen met mid-frequentie actieve sonar werden gekoppeld aan walvis strandings. Bijgevolg zijn instandhoudingsgerichte actieve sonarsystemen ontworpen om lagere intensiteit te gebruiken, smallere balken, en om te werken in specifieke frequentiebanden minder waarschijnlijk schade te veroorzaken.

Passieve sonar

Passieve sonar zendt geen geluiden uit; in plaats daarvan luistert het naar de natuurlijke geluiden die door zeezoogdieren worden geproduceerd. Walvissen en dolfijnen zijn zeer vocaal, met behulp van klikken, fluiten en lied voor communicatie, echolocatie en navigatie. Passieve akoestische monitoring (PAM) arrays kunnen deze vocalisaties detecteren op afstanden van tientallen kilometers, afhankelijk van achtergrondgeluid en geluidsverspreidingsomstandigheden.

PAM is niet-invasief en vormt geen risico op akoestische storingen, waardoor het de voorkeur methode voor monitoring in gevoelige gebieden zoals beschermde mariene gebieden. Veel moderne schepen zetten sleep hydrofoon arrays die achter het schip, voortdurend luisteren naar walvissen oproepen. Wanneer een vocalisatie wordt geïdentificeerd door soortspecifieke akoestische handtekeningen (bijvoorbeeld het onderscheidende lied van bultrug walvissen of de echolocatie klikken van sperma walvissen), het systeem waarschuwt de brug bemanning.

Passieve sonar heeft wel beperkingen: het vereist dat dieren vocaliseren, wat niet altijd het geval is (bijvoorbeeld, rusten of het voeden van dieren kan stil zijn). Ook kan het niet precies bereik of lager zonder meerdere hydrofoons en driehoeksmeting. Niettemin, in combinatie met actieve systemen, passieve sonar biedt een krachtige complementaire tool.

Het probleem van de botsing: schaal en soorten in gevaar

De Internationale Walviscommissie (IWC) schat dat honderden walvissen jaarlijks worden gedood of gewond door schepen wereldwijd, maar het werkelijke aantal is waarschijnlijk veel hoger door onderrapportage. De meest kwetsbare soorten zijn de Noord-Atlantische walvis (minder dan 350 personen blijven), vinvissen, bultrug walvissen, blauwe walvissen, en grijze walvissen.

Botsingen komen het vaakst voor in gebieden waar scheepvaartroutes elkaar kruisen met voederplaatsen, migratieroutes of kalvende gebieden. Hoogrisicozones zijn onder meer de Golf van St. Lawrence, het water voor Sri Lanka, de Middellandse Zee en de Californische kust. Kleinere zeezoogdieren zoals dolfijnen en bruinvissen worden ook getroffen, hoewel hun kleinere grootte betekent dat botsingen vaak onopgemerkt blijven.

De economische impact is ook aanzienlijk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

In 2022 bijvoorbeeld sloeg een vrachtschip dat de haven van Savannah binnenkwam een Noord-Atlantische walviskalf ter plekke dood. Het incident leidde NOAA ertoe tijdelijke snelheidsbeperkingen op te leggen en het verkeer te omleiden.

Om dit te verhelpen heeft de Internationale Maritieme Organisatie (IMO) richtsnoeren voor scheepsroutering en snelheidsreductiezones goedgekeurd, maar de naleving blijft in veel regio's vrijwillig. Realtime detectie via sonar biedt een manier om deze maatregelen aan te vullen met onmiddellijke, gelokaliseerde waarschuwingen.

Aanvragen bij botsingspreventie

Scheepsgemonstreerde systemen

De meest directe toepassing is het installeren van sonarsystemen op commerciële schepen. Deze systemen continu controleren de wateren voor en naast het schip, het verstrekken van waarschuwingen wanneer zeezoogdieren worden gedetecteerd binnen een gevaarlijke zone . Meestal 100 tot 500 meter. De waarschuwing geeft brug bemanning tijd om snelheid te verminderen of koers te veranderen.

Het bedrijf Ocean Sonics heeft bijvoorbeeld een geïntegreerd passief sonarsysteem ontwikkeld dat door de Canadese kustwacht wordt gebruikt. Het bestaat uit hydrofoons die op de romp zijn gemonteerd en een real-time classifier die walvisgesprekken kan onderscheiden van achtergrondgeluid. Wanneer een detectie plaatsvindt, stuurt het systeem een alarm naar het display van de kapitein en logt het evenement voor post-voyage analyse.

Het Walvisalarmsysteem combineert satellietvolgsystemen van getagde walvissen met gegevens aan boord van de sonar en AIS (Automatic Identification System) gegevens. Eerst wordt het in de Amerikaanse oostkust scheepvaartroutes ingezet, het overlays real-time walvis posities op elektronische kaart displays, waardoor kapiteins zowel sonar detecties als bekende aggregaties van luchtonderzoeken te zien.

Verschillende veermaatschappijen in British Columbia en Washington State hebben dergelijke systemen goedgekeurd, waarbij melding wordt gemaakt van aanzienlijke verminderingen van het risico op botsingen. De technologie is vooral waardevol tijdens nachtelijke of slecht zichtbare omstandigheden wanneer visuele waarnemers geen dieren kunnen spotten.

Autonome voertuigen voor onderwatergebruik (AUV's) en Gliders

De AUV's en oceaanvliegers met sonar-apparatuur kunnen de controle uitbreiden tot buiten het bereik van de sensoren die aan boord van schepen zijn gemonteerd. Deze onbemande platforms kunnen de vaarroutes patrouilleren, migratiecorridors onderzoeken en detectiegegevens doorgeven aan walstations of schepen via satellietverbindingen. Ze zijn bijzonder nuttig voor het monitoren van afgelegen of milieugevoelige gebieden waar de menselijke aanwezigheid beperkt is.

Zo gebruikt het Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) langeafstands-AUV's met passieve akoestische recorders om blauwe walvissen in de Stille Oceaan te volgen. De gegevens helpen om kritieke habitat af te bakenen en ondersteunt dynamische scheepsroutebeslissingen. In de Atlantische Oceaan zet de Woods Hole Oceanografische Instelling gliders met actieve sonar in om juiste walvissen te detecteren in de Golf van Maine.

Een belangrijk voordeel van AUV's is hun vermogen om wekenlang continu te werken, waardoor bijna-real-time situationele bewustwording mogelijk is in maritieme verkeersmanagementsystemen. Dit stelt de havenautoriteiten in staat om "walviswaarschuwingen" uit te brengen die snelheidsverlagingen of routewijzigingen voor inkomende schepen aanbevelen.

Integratie met Vessel Traffic Services (VTS)

Havens en kuststaten integreren steeds meer sonargegevens in Vessel Traffic Services (VTS). Wanneer sonarsensoren op boeien, AUV's of platforms op het land worden gedetecteerd, worden zeezoogdieren in de buurt van scheepvaartroutes, de informatie doorgegeven aan een centraal coördinatiecentrum. De VTS-operator kan dan waarschuwingen uitzenden naar alle schepen in het gebied via VHF-radio of digitale waarschuwingen.

De St. Lawrence Seaway Management Corporation, in samenwerking met Visserij en Oceanen Canada, exploiteert een dergelijk systeem in de Golf van St. Lawrence. Een netwerk van vaste passieve sonar stations bewaakt de migratiecorridor van bedreigde Noord-Atlantische rechter walvissen. Wanneer detecties plaatsvinden, de VTS geeft een "vertraagde" zone, aangevuld met luchtbewaking. Sinds de implementatie, aanwijzingen verminderde botsingen en lagere scheepssnelheden tijdens de aanwezigheid van walvissen.

Real-time monitoring en voorspellende analyses

Machine learning voor akoestische classificatie

Een van de grootste uitdagingen in passieve sonar is het onderscheiden van de oproepen van verschillende zeezoogdieren soorten van elkaar en van achtergrondgeluid (schipmotoren, seismische onderzoeken, het snijden van garnalen). Handmatige analyse is tijdrovend en operator-afhankelijk. Moderne systemen gebruiken machine learning algoritmes opgeleid op grote bibliotheken van bekende vocalisaties om een hoge classificatie nauwkeurigheid te bereiken.

Het National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Pacific Islands Fisheries Science Center gebruikt bijvoorbeeld een diep leermodel genaamd "Whale Detector" dat 12 soorten dolfijnen en walvissen in real time kan identificeren uit het streamen van hydrofoongegevens. Het model bereikt meer dan 95% precisie voor sommige soorten, met vals alarmcijfer laag genoeg voor operationeel gebruik.

Ook het bedrijf Greenridge Environmental ontwikkelde een actief sonarsysteem met AI-energie dat de vorm van een walvis kan onderscheiden van een onderzeeër of grote vis op basis van hogefrequentiebeeldvorming. Deze vooruitgang maakt het vermijden van botsingen op basis van sonar steeds betrouwbaarder, zelfs in lawaaierige omgevingen.

Integratie met AIS en dynamische snelheidszones

Sonar detectiegegevens kunnen worden gecombineerd met Automatic Identification System (AIS) transponders op schepen om dynamische snelheidsreductiezones te creëren. In dit systeem, wanneer een walvisdetectie wordt bevestigd binnen een bepaald gebied, activeert de VTS automatisch een tijdelijke "rechter walvis sleepzone" op elektronische kaarten, zichtbaar voor alle AIS-uitgeruste schepen. Schepen die de zone binnenkomen ontvangen een verplichte maximumsnelheid (bijv. 10 knopen) totdat de waarschuwing is opgeheven.

Deze aanpak wordt in verschillende regio's geproefd. Een opmerkelijk voorbeeld is de samenwerking tussen de haven van Savannah, NOAA, en de non-profit Whale en Dolphin Conservation. Een netwerk van onderaan gemonteerde passieve sonar arrays in het verzendkanaal meldt detecties naar een cloudserver, die AIS waarschuwingen in werking stelt. In het eerste jaar, naleving van aanbevolen snelheden verhoogd met 40%, en geen botsingen opgetreden.

Uitdagingen en beperkingen

Onderscheidende zeezoogdieren van andere objecten

Zelfs met geavanceerde actieve sonar, het onderscheiden van een walvis van een grote vis, een onderzeeër, of een rots kan moeilijk zijn. De echo van een walvis lichaam kan lijken op die van een ondergedompelde schipbreuk of een dichte school van vis. Actieve sonar terugkeer ook variëren met de oriëntatie van het dier een walvis zwemmen direct naar de sonar kan een zwakkere echo dan een kruising brede zijde produceren.

Machine learning helpt, maar trainingsgegevens zijn beperkt voor veel soorten in verschillende oceaanomgevingen. Vals alarmen kunnen ontstaan uit bubbelgordijnen, kelpbossen, of thermolijnen. Omgekeerd, gemiste detecties optreden wanneer walvissen duiken of slapen in de buurt van het oppervlak.

Passieve sonar heeft het voordeel van specifieke akoestische handtekeningen, maar alleen als de dieren vocaliseren. Stille walvissen of die zwakke oproepen (bijvoorbeeld nertswalvissen met lage klanken) zijn onzichtbaar voor PAM. Combineren zowel actieve als passieve modaliteiten lijkt de beste weg vooruit, maar het voegt kosten en complexiteit toe.

Potentieel disturbatie van sonargeluid

Actieve sonar heeft aangetoond gedragsreacties te veroorzaken bij zeezoogdieren . . waaronder vermijden , tijdelijke gehoordrempel verschuivingen , en , in extreme gevallen , strandings . De kwestie kwam wereldwijd aandacht in 2000 toen een mid-frequentie actieve sonar oefening door de Amerikaanse marine in de Bahama's viel samen met de strenging van verschillende snavel walvissen . Latere studies gekoppeld aan de verwondingen aan decompressie ziekte-achtige effecten , waarschijnlijk als gevolg van de walvissen duiken gedrag worden verstoord door het geluid .

Hoewel commerciële sonar voor walvisdetectie doorgaans gebruik maakt van minder vermogen dan militaire systemen, kan het risico niet volledig worden geëlimineerd. Om verstoring te minimaliseren, werken veel systemen op frequenties buiten het gevoelige gehoorbereik van de doelsoorten (bv. boven 200 kHz voor tandwalvissen) en gebruiken ze richtbalken om blootstelling te beperken. Toch zijn milieueffectbeoordelingen vereist voordat actieve sonar in gevoelige habitats wordt ingezet.

Daarom pleiten veel natuurbehoudsgroepen voor passieve sonar als primaire detectiehulpmiddel, waarbij actieve sonar wordt gereserveerd voor situaties waarin passieve detectie onvoldoende is.Dit geldt bijvoorbeeld voor zeer stille wateren waar dieren niet kunnen vocaliseren.

Beperkt detectiebereik onder bepaalde omstandigheden

Sonar prestaties wordt beïnvloed door watertemperatuur, zoutgehalte, diepte, en omgevingslawaai. In ondiepe of troebele wateren, geluid golven kunnen worden gereflecteerd of verspreid, verminderen bereik. Zwaar schip verkeer, stormen en wind ook verhogen achtergrondgeluiden niveaus, het maskeren van zwakke echo's of oproepen. Deze factoren kunnen leiden tot detectie gaten, vooral voor kleine walvisachtigen zoals bruinvissen die lagere intensiteit signalen produceren.

Warmwateromgevingen zoals de Golf van Mexico kunnen sterke thermolijnen hebben die geluidsenergie vangen, terwijl koud polaire wateren vaak lange afstandsverspreiding mogelijk maken, maar ook het lawaai van ijskrakend en brekend. Seizoensveranderingen bemoeilijken de voorspellingen nog meer. Operationele sonarsystemen moeten regelmatig worden gekalibreerd en onderhouden om betrouwbare prestaties te garanderen onder deze variabele omstandigheden.

Toekomstige ontwikkelingen

Hogere frequentie beeldvorming sonar

De geavanceerde transducertechnologie maakt het nu mogelijk om beeldvormingssonar te gebruiken die werkt bij frequenties boven 1 MHz, en die bijna-fotografische resolutie van onderwaterobjecten biedt. Deze systemen kunnen real-time video-achtige beelden produceren die de vorm en zelfs de beweging van zeezoogdieren tonen. Wanneer ze gecombineerd worden met automatische patroonherkenning, beloven ze om valse alarmen drastisch te verminderen en de identificatie van soorten te verbeteren. Hun belangrijkste nadeel is kort bereik (tien meter), maar dit is aanvaardbaar voor boogsystemen op schepen die met lage snelheden door hoogrisicozones reizen.

Het bedrijf Sound Metrics Corporation heeft de ARIS (Adaptive Resolution Imaging Sonar) ontwikkeld, die door onderzoekers wordt gebruikt om walvis foerageergedrag te observeren. In de toekomst kunnen dergelijke apparaten worden geïntegreerd in rompfeeringen voor continue breedhoek beeldvorming als schepen benaderen.

AI en Rand Computing

De verwerking van sonargegevens aan boord verschuift van dedicated hardware naar software-gedefinieerde systemen die AI-modellen draaien op randcomputers. Hierdoor kunnen geavanceerde classificatiealgoritmen in real time draaien zonder te vertrouwen op cloudconnectiviteit, die mogelijk niet beschikbaar zijn of op zee worden vertraagd. Edge AI maakt ook continu leren mogelijk: het systeem kan zijn detectiemodel verfijnen op basis van lokale akoestische omstandigheden die tijdens de reis worden aangetroffen, waardoor de prestaties in de loop van de tijd worden verbeterd.

Verschillende startups zijn het ontwikkelen van standalone "smart sonar" modules die kunnen worden aangepast op elk schip, vergelijkbaar met een namarkt botsing vermijden systeem voor auto's. Deze modules omvatten GPS, AIS ontvanger, hydrofoon arrays, en een kleine computer die open-source detectie modellen. De verwachting is dat wijdverspreide goedkeuring zal leiden tot kosten en versnellen regelgevende eisen voor dergelijke apparatuur op grote commerciële schepen.

Multisensorfusie

De toekomstige systemen voor het voorkomen van botsingen zullen niet alleen op sonar gebaseerd zijn. Ze zullen gegevens van meerdere bronnen samenvoegen: radar (voor oppervlaktedetectie), infraroodcamera's (voor thermische detectie van walvissen aan het oppervlak), visuele camera's (voor identificatie overdag), satellietbeelden en zelfs elektronische markering van walvissen. Sonar zal de kritische onderwaterlaag leveren, maar het totale systeem zal redundantie hebben om verschillende omstandigheden te dekken.

Zo combineert het "Shipboard Whale Detection System" dat ontwikkeld wordt door het Amerikaanse ministerie van Transport een vooruitziende infraroodcamera met een laagfrequent actieve sonar en een akoestische luisterreeks. Het fusiealgoritme weegt het betrouwbaarheidsniveau van elke sensor en produceert een uniforme risicoscore, die op zijn beurt de juiste waarschuwingen oproept. Vroege proeven aan boord van NOAA-onderzoeksschepen hebben een afname van 90% aangetoond in nauwe ontmoetingen in vergelijking met visuele observatie alleen.

Regelgevingsdrivers en industrienormen

Naarmate de technologie rijpt, beginnen de regelgevende instanties de sonargebaseerde walvisdetectie op bepaalde scheepstypen te bevelen. In 2023 heeft Transport Canada wijzigingen voorgesteld waarbij alle schepen van meer dan 20 meter in bepaalde risicozones tegen 2026 erkende PAM-systemen moeten dragen. De Europese Unie overweegt soortgelijke regels voor de Middellandse Zee en de Oostzee. De Internationale Maritieme Organisatie heeft een circulaire gepubliceerd waarin het gebruik van "aanbevolen scheepsdetectiesystemen" wordt aanbevolen en havens wordt aangemoedigd om realtime akoestische gegevens te verstrekken.

Verzekeringsmaatschappijen nemen ook nota. Sommige maritieme aansprakelijkheid verzekeraars bieden nu premiekortingen voor schepen uitgerust met PAM en actieve sonar, waarbij het verminderde risico van ongevallengerelateerde claims wordt erkend. Deze financiële stimulans kan de goedkeuring versnellen buiten het trage tempo van de regelgeving.

Conclusie

Sonar-technologie is geëvolueerd van een instrument voor militaire navigatie en visserijwetenschap tot een essentieel instrument voor het behoud van de zee. Door het opsporen en volgen van zeezoogdieren in real time, stelt het scheepsexploitanten in staat om botsingen te voorkomen, zowel bedreigde soorten als commerciële belangen te beschermen. Actieve sonar biedt nauwkeurige, real-time beeldvorming van onderwaterobjecten, terwijl passieve sonar luistert naar de natuurlijke geluiden van walvissen en dolfijnen zonder schade te veroorzaken. Integratie met AIS, machine learning en scheepsverkeer diensten zorgt voor een gelaagde verdediging tegen een van de grootste bedreigingen die walvissen vandaag de dag.

Uitdagingen blijven verschillende soorten onderscheiden, verstoring vermijden en prestaties onder variabele omstandigheden behouden, maar de voortdurende vooruitgang in high-frequency beeldvorming, rand AI, en multi-sensor fusie belofte om veel van deze obstakels te overwinnen. Al succesvolle implementaties in de Golf van St. Lawrence, de VS Oostkust, en de Pacific Northwest hebben aangetoond dat sonear-gebaseerde botsing preventie is niet alleen haalbaar maar effectief. Nu de regelgeving aanscherping en technologie meer betaalbaar, kunnen we verwachten dat sonar systemen standaard apparatuur op schepen die varen op walvis-rijke wateren, bijdragen aan een toekomst waar menselijke maritieme activiteiten samenleven veilig met de prachtige dieren die onze oceanen delen.

Externe links: