基于奥米亚棕蝇听觉耦合机制的时延放大系统与声定位研究

论文摘要

声源定位技术是近年来国内外研究的一个热点,它涉及到声学、信号检测、数字信号处理等诸多技术领域,在军事、工业和民用领域有着重要的应用价值。声源定位技术一般借助于具有一定拓扑结构的传声器阵列来实现,声源定位的线索为接收信号间的到达时间差或幅值差。为了获得足够的声场信息,取得较高的定位精度,通常需要传声器阵列在保证一定阵元数目的同时具有比较大的阵元间距,这往往导致定位装置的整体尺寸比较庞大。而在一些特殊的应用领域,如微型运载工具,便携式电子设备等,由于受到空间尺寸的限制,通常要求定位装置在保证高精度的同时兼具微型化的特征。面对这些领域的特殊需求,必须寻找新的技术来满足。一种原产于北美的小型寄生蝇——奥米亚棕蝇,为我们提供了可能。该寄生蝇的听觉器官很小,耳间距仅为0.5mm左右,却能凭借寄主发出的叫声准确地将其定位,定位精度达到2°以内。研究表明,这种超强的定位能力得益于其耳间一种特殊的耦合机制。该耦合机制能够有效放大两耳接收信号间的时间差和幅值差,其效果等于将耳间距扩大了数十倍。这种耦合机制将有可能为上述应用提供良好的解决方案。本文的研究就是在这种背景下展开的,主要研究工作包括以下几个部分:(1)对奥米亚棕蝇耦合耳朵的力学模型进行了研究,分析了其时延放大特性,并对该耦合模型进行了扩展,建立了一个高维耦合模型,实现了多个输入信号间的时延放大。通过对高维耦合模型的输出响应进行求解,并对其振动特性进行分析,揭示了模型参数与时延放大倍数的关系,在此基础上,提供了时延放大的限制条件及模型参数的设计原则。此外,分析了声源频率对耦合模型时延放大特性的影响,说明了其仅适用于单频声源的局限性。(2)以耦合模型的理论研究为基础,推导了一个耦合模块。该耦合模块能够在宽频范围内保持稳定的时延放大倍数,通过调节增益单元即可对放大倍数进行灵活地改变。研究表明耦合模块可以应用于单频、多频及宽频信号间的时延放大,相比于耦合模型,其适用范围得到拓宽。基于该耦合模块,提出了一个分步实现的时延放大系统。该系统的具体实现过程为:首先,利用滤波器对输入信号进行预处理;然后,采用多个由时延估计模块、延时器及耦合模块组成的时延放大单元分步完成时延放大;最后,由延时器还原出一组具有理想时延的输出信号。该系统通过将一个不满足耦合模块放大条件的高倍数放大转化为若干次满足条件的低倍数放大,有效扩大了时延放大倍数的选择范围。通过仿真对该系统的时延放大特性进行了验证,并在不同信噪比下对系统的时延估计能力进行了考察,分析了噪声对时延放大系统的影响。(3)分别针对平面声源及空间声源,进行了传声器阵列的设计,对影响定位精度的阵列布置形式及阵元间距等进行了讨论。以此为基础,对单声源定位问题进行了研究,通过对有无时延放大系统的情况进行对比,说明了引入该系统对提高声源定位精度的重要意义。此外,为了将该系统应用于多声源定位,在传统互相关图方法的基础上,提出了时延放大系统联合互相关图时延估计方法。研究结果表明,得益于时延放大系统的作用,该方法的定位精度较传统互相关图方法得到显著提高。(4)搭建了声定位实验平台,并进行了声定位实验。对耦合模型的时延放大规律,时延放大系统的放大特性,以及时延放大系统对时延估计精度和声源定位精度的影响进行了验证,并对实验结果进行了分析和讨论。所有实验结果均验证了本文理论及仿真分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 声源定位方法研究概况
•     1.2.1 传声器阵列声源定位方法
•     1.2.2 时延估计方法
•   1.3 奥米亚棕蝇听觉系统研究概况
•     1.3.1 解剖学研究
•     1.3.2 力学特性研究
•   1.4 奥米亚棕蝇听觉系统的仿生学研究概况
•   1.5 目前存在的问题及本文研究内容
•     1.5.1 目前存在的主要问题
•     1.5.2 本文的主要研究内容
• 第二章 仿生耦合力学模型研究
•   2.1 引言
•   2.2 二维耦合模型研究
•     2.2.1 二维耦合模型的建立
•     2.2.2 二维耦合模型的时延放大特性分析
•     2.2.3 二维耦合模型的参数设计
•   2.3 高维耦合模型研究
•     2.3.1 高维耦合模型的建立
•     2.3.2 高维耦合模型的时延放大特性分析
•     2.3.3 频率偏移的影响
•     2.3.4 高维耦合模型的参数设计
•   2.4 耦合模型的仿真分析
•     2.4.1 耦合模型的响应求解
•     2.4.2 二维耦合模型的仿真分析
•     2.4.3 高维耦合模型的仿真分析
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于耦合模型的时延放大系统研究
•   3.1 引言
•   3.2 时延放大系统构成
•   3.3 耦合模块（CM）
•     3.3.1 耦合模型的等效信号流程图
•     3.3.2 传递函数的设计
•     3.3.3 时延放大特性分析
•     3.3.4 耦合模块的仿真分析
•   3.4 滤波器（Filter）
•   3.5 时延估计模块（TDEM）
•   3.6 延时器
•     3.6.1 时延放大单元中的延时器（DU）
•     3.6.2 系统末端的延时器（TDU）
•   3.7 时延放大系统研究
•     3.7.1 信号处理流程
•     3.7.2 时延放大特性分析
•     3.7.3 时延估计性能分析
•   3.8 本章小结
• 第四章 基于时延放大系统的声源定位研究
•   4.1 引言
•   4.2 接收阵列的设计
•     4.2.1 近场与远场
•     4.2.2 阵列的布置
•     4.2.3 阵元间距
•   4.3 单声源定位研究
•   4.4 多声源定位研究
•     4.4.1 互相关图时延估计方法
•     4.4.2 时延放大系统联合互相关图方法
•     4.4.3 多声源定位仿真分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 声源定位实验研究
•   5.1 引言
•   5.2 实验内容
•   5.3 实验方法
•   5.4 实验准备
•     5.4.1 实验平台设计与搭建
•     5.4.2 传声器选择与布置
•     5.4.3 近场与远场
•     5.4.4 方位校准
•   5.5 实验结果
•     5.5.1仿生耦合模型放大规律验证实验
•     5.5.2 时延放大系统的时延放大特性验证实验
•     5.5.3 时延放大系统的时延估计性能验证实验
•     5.5.4 时延放大系统的声定位效果验证实验
•   5.6 结果讨论
•   5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 主要创新点
•   6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张雅琼

导师: 饶柱石

关键词: 声源定位,仿生学,耦合模型,时延放大系统,时延估计

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 上海交通大学

分类号: O42;TN641

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000458

总页数: 154

文件大小: 9264K

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