飞行蝙蝠声呐波束复杂性和时变特性研究

论文摘要

声呐波束,即发射声呐信号强度在方向和频率上的函数,由于其决定了在特定频率和时间上,蝙蝠对周围环境的感知,因此声呐波束是蝙蝠声呐系统的一个重要特征。基于有限元的数值分析方法已经预测蝙蝠的声呐波束具有复杂的几何特征,如具有多个波峰和波谷。实验已经表明,静止状态下的普氏蹄蝠,在发射声呐信号时会改变发射挡板(即“鼻叶”)的形状,并通过鼻叶开口的大小来改变声呐信号分布强度的变化。但是目前,对飞行状态下普氏蹄蝠发射声呐波束的研究还非常少,因此本文旨在探讨飞行状态下普氏蹄蝠发射声呐波束是否也会受其鼻叶结构的影响,从而具有复杂的几何结构和时变特性。本文基于实验的方法对飞行状态下普氏蹄蝠声呐波束的结构复杂度和时变特性进行了研究,这一研究不仅能够促进人们对普氏蹄蝠声呐波束的进一步了解,提高人们对于生物声呐导航和定位的认识,也为接下来将飞行状态下的蝙蝠的鼻叶运动和声呐波束特性相结合,进一步揭示蝙蝠声呐系统的奥秘做铺垫。同时,对蝙蝠声呐系统内部机理的探讨能够推动仿生学的发展,蝙蝠精巧的声呐系统能够为现代科技中的人工声纳、天线以及微型飞行器等提供新颖的解决方案和设计思路,进而促进科技的进步和工业的发展。本文的主要研究内容和成果如下:一、设计并搭建了一个研究飞行蝙蝠声呐系统的实验平台,平台内包括高频麦克风阵列、双目相机系统以及能够使蝙蝠自由飞行的消音通道。该实验平台的设计与搭建不仅能够实现对飞行蝙蝠声呐波束的研究,也有利于更多关于蝙蝠声呐波束系统研究的开展。二、基于飞行蝙蝠声呐系统实验平台,收集了三只普氏蹄蝠的声音数据和图像数据,并利用声学信号处理、计算机视觉以及插值等方法重建出了普氏蹄蝠在飞行状态下的声呐波束。从重建的蝙蝠声呐波束可以初步观察到飞行状态下普氏蹄蝠不仅能够发射结构简单的声呐波束,也能够发射结构复杂的声呐波束,即波束中存在多个波峰和波谷。同时在时间维度上,波束结构的变化也显示了飞行普氏蹄蝠波束的时变特性。三、引入参照物对实验结果进行了可靠性分析。为了确保实验结果的可靠性,已知波束结构简单的扬声器被放置在蝙蝠发射脉冲信号的位置,让其发射相同频率和强度的恒频信号,并利用与重建蝙蝠波束相同的方法重建扬声器的发射波束。通过两类波束的对比可以发现,蝙蝠声呐波束具有比扬声器更加复杂的几何结构,从而验证了初步观察到的结果。从时间维度上分析,蝙蝠的声呐波束具有比扬声器更明显的变化,因此可以认为,蝙蝠的声呐波束也具有时变特性。最后,本文还利用线性判别分析方法、信息熵以及标准差对蝙蝠和扬声器的波束增益分布进行了定量分析,线性判别分析结果显示蝙蝠和扬声器的波束增益具有明显的差异,信息熵分析结果表明蝙蝠波束比扬声器波束包含更多的信息量,标准差分析结果验证了蝙蝠既能够发射结构简单的波束,也能够发射结构复杂的波束。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1-1 蝙蝠简介
•   1-2 蝙蝠声呐系统简介
•     1-2-1 蝙蝠声呐信号的分类和特点
•     1-2-2 蝙蝠声呐信号的发射和接收系统
•     1-2-3 蝙蝠发射声呐波束的研究进展
•   1-3 论文的目的、意义和主要内容
•     1-3-1 论文的目的和意义
•     1-3-2 论文的主要内容
• 第二章 飞行蝙蝠声呐系统实验平台设计
•   2-1 麦克风阵列设计
•   2-2 双目相机设计
•   2-3 蝙蝠飞行通道设计
•   2-4 本章小结
• 第三章 飞行蝙蝠声呐数据采集与分析
•   3-1 实验数据采集
•     3-1-1 实验对象
•     3-1-2 实验流程
•   3-2 蝙蝠声呐信号处理
•     3-2-1 声呐信号去噪
•     3-2-2 声呐信号包络提取
•     3-2-3 麦克风标定
•     3-2-4 声呐脉冲信号声压级计算
•   3-3 蝙蝠飞行轨迹重建
•     3-3-1 相机成像几何以及相机参数推导
•     3-3-2 相机畸变矫正
•     3-3-3 三维轨迹重建
•     3-3-4 飞行轨迹坐标转换
•   3-4 蝙蝠声呐波束重建
•     3-4-1 声呐信号强度提取
•     3-4-2 方向角计算
•     3-4-3 声呐波束重建
•   3-5 本章小结
• 第四章 蝙蝠声呐波束与扬声器波束对比与分析
•   4-1 蝙蝠声呐波束与扬声器波束定性对比与分析
•     4-1-1 扬声器选型与改进
•     4-1-2 扬声器波束测量与分析
•     4-1-3 蝙蝠与扬声器声呐波束对比
•   4-2 蝙蝠声呐波束与扬声器波束定量对比与分析
•     4-2-1 波束外插值
•     4-2-2 波束平滑
•     4-2-3 波束增益计算
•     4-2-4 波束复杂度分析与对比
•   4-3 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5-1 总结
•   5-2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间学术成果
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵亚囡

导师: Rolf Müller

关键词: 蝙蝠,生物声呐,声呐波束,复杂性,时变特性

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,生物学

单位: 山东大学

分类号: Q62

总页数: 80

文件大小: 7290K

下载量: 36