论文摘要
蹄蝠科（Hipposideridae）和菊头蝠科（Rhinolophidae）蝙蝠的超声声纳发射系统具有独特的动态特性,即鼻孔周围具有复杂挡板形状的结构（“鼻叶”）在特定肌肉的控制下可以在声纳信号发射期间发生主动动态形变。数值模拟和仿生研究表明这种动态特性可以显著改变发射声场分布并引入时变特性,使得发射声场成为时间、空间角度和载波频率的函数,而且新增加的时间维度可以为蝙蝠编码额外有用的传感信息。但是这种动态特性带来的时变传感效应的机理尚不清楚,故而到目前为止,类似的动态特性还没有被用于相关的工程应用（如声纳或雷达）,而且蝙蝠仿生机器人中几乎所有的声纳发射器都是静态的,但现有动态仿生声纳发射器所基于的蝙蝠种类（马铁菊头蝠）比较单一,缺少对比模型。因此,针对发射器动态特性的时变传感效应,本文从仿生学角度出发,将普氏蹄蝠的动态声纳发射系统与工程技术相结合,设计并搭建了一种新型仿生动态声纳发射器,并以此为模型对发射器动态特性产生的时变特征及其编码的传感信息进行了系统研究。本文以普氏蹄蝠鼻叶结构为对象设计了一种可真实重现鼻叶运动的新型仿生动态声纳发射器,丰富了仿生蝙蝠种类并为现有动态发射器构造了对比模型;基于该动态发射器对时变特征及其影响因素进行了定量和定性分析,为优化工程声纳发射器参数提供了实验依据和方法;分析了时变发射声场的固有维度,证明了鼻叶运动增加的时间维度可以对传感信息的编码产生独立的影响;提出了基于信息理论微分熵和相对熵的声场传感信息评价方法,分析并比较了时间、空间角度和载波频率三个维度在传感信息编码能力上的差异;引入了基于微分熵的互信息算法,分析了时变声纳信号发射期间因鼻叶运动而新增的传感信息,同时弥补了现有基于离散熵的互信息算法的缺陷。本文的研究一方面能够帮助生物学家更好地理解蝙蝠在声纳信号发射期间鼻叶动态形变对其“视野”范围的影响,从而推动蝙蝠动态传感信息编译机制的研究;另一方面能够帮助工程人员更好地理解动态工程声纳发射器的可行性,从而促进新型工程传感系统的研发。本文的主要研究内容和结论如下:一、基于普氏蹄蝠的鼻叶结构和运动模式设计并搭建了一种新型仿生动态声纳发射器。利用高速相机阵列和超声麦克风阵列等搭建了一个实验平台,同步采集了真实普氏蹄蝠的鼻叶运动数据和发射的超声声纳信号数据,重建了声纳信号发射期间蝙蝠鼻叶的运动轨迹和发射声场分布,通过相关性分析研究了鼻叶动态形变对发射声场的影响。结果显示:普氏蹄蝠鼻叶的动态形变主要表现为叶冠、上鼻叶、下鼻叶和鼻孔两侧叶瓣的闭合-开启运动,这些动态特性能够影响发射声场的声学特性:当鼻叶张开较大时,发射声场的波束宽度随鼻叶张开而变窄,但鼻叶张开较小时,发射声场分布有很多局部变化,有待进一步研究。基于这些生物实验数据,设计了柔性仿生鼻叶模型、驱动装置、控制系统和超声发射系统,进而组建了仿生动态声纳发射器,以模拟真实普氏蹄蝠的鼻叶动态形变,用于后续时变特征与传感信息的研究。二、基于仿生动态声纳发射器,利用梯度定量表征了鼻叶动态形变在发射声场产生的时变特征,分析了载波频率、鼻叶结构和运动模式三个因素对时变特征的影响。结果显示:鼻叶动态形变可以为发射声场引入时变特征,如声瓣宽度和方向随时间的变化、新旁瓣的出现等;载波频率、鼻叶结构和运动模式都会显著地影响时变特征的分布,其中,载波频率对时变波束图中梯度幅值分布的影响较为显著,鼻叶结构和运动模式的影响相对较小,而对于梯度方向分布,载波频率和鼻叶运动模式的影响略大于鼻叶结构;鼻叶动态形变对时变特征的最大影响表现为梯度方向分布的显著变化,对所研究的72种载波频率-鼻叶结构-运动模式组合,鼻叶动态形变时梯度方向上的信息熵都高于鼻叶处于静止状态的相应值,两者之间的差异最大约为鼻叶静止时的9.4倍,而两者在平均梯度幅值上的差异最大约为鼻叶静止时的53%;与基于马铁菊头蝠鼻叶的高度简化凹形挡板模型相比,本文的仿生鼻叶模型能产生更多的时变特征,这表明时变特征不仅取决于发射器孔径尺寸的增大或减小,还取决于发射器挡板结构的几何形状细节。三、利用该仿生动态声纳发射器,建立了沿时间、空间角度和载波频率三个维度采样较为密集的发射声场数据集,利用Isomap算法分析了该发射声场的固有维度,结果显示:发射声场中波束增益沿时间、空间角度和载波频率三个维度具有不同的分布;Isomap算法估计的固有维度总是大于或等于时变发射声场独立物理维度（时间、空间角度和载波频率）的数目,即无法对三个物理维度再降维,这表明鼻叶运动增加的时间维度与空间角度和载波频率两个维度相互独立,可以对传感信息的编译产生独立影响。四、利用微分熵和相对熵定量表征并比较了时变发射声场中时间、空间角度和载波频率三个维度对传感信息的编码能力,结果显示:每个维度编码的传感信息（微分熵）沿另两个维度的分布均可近似为均匀分布,特别是时间维度和载波频率维度编码的传感信息在很大空间角度范围内都近似相等,这表明蝙蝠声纳发射系统与人的听觉系统相似,不仅能够识别正前方目标,还可以识别周围各个方位的目标;时间维度编码的传感信息（均值为2.55 bits）明显小于空间角度维度和载波频率维度（均值分别为4.5 bits和4.24 bits）,但时间维度在少数空间角度和载波频率组合处编码的传感信息（3.2～4.5 bits）可以到达另两个维度编码的传感信息（3.2～5 bits）;空间角度和载波频率维度上的微分摘可以通过标准差预测（相关系数r分别为0.96和0.86）,而时间维度上的微分熵与标准差的分布较为离散（r=0.78）;对所研究的1040个空间角度,载波频率维度相对于时间维度的平均相对熵（约为3±0.7 bits）总是高于时间维度相对于载波频率维度的平均相对熵（约为1.4±0.3 bits）,但两者的差异较小（1.6±0.5 bits）,这表明时间维度的传感信息编码能力稍弱于载波频率维度。五、利用基于离散熵和基于微分熵的两种互信息算法,分析了整个鼻叶闭合运动期间任意两个时刻波束图共同拥有的传感信息,其中基于微分熵的互信息算法精度更高,但两种算法的分析结果非常相似,都显示出:任意两个时刻波束图之间互信息总是随其时间间隔的增大而减少,而且在鼻叶闭合运动期间互信息总能在15 ms内衰减到70%,这表明鼻叶的动态形变可以在一个声纳信号发射期间为蝙蝠提供多种近乎独立的“视野”,即传感信息可以在整个声纳信号期间连续不断地累积。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 杨璐慧
导师: Rolf Mueller
关键词: 仿生声纳,蝙蝠声纳,鼻叶动态形变,时变特征,传感信息编码能力
来源: 山东大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 生物学,电信技术
单位: 山东大学
基金: 国家自然基金“蝙蝠声纳传感的动力学及耦合效应的物理机制研究(11374192)”,国家自然基金“仿生智能声呐在自然环境中传感效应的研究(11574183)”
分类号: Q811;TN830
DOI: 10.27272/d.cnki.gshdu.2019.000024
总页数: 177
文件大小: 23901K
下载量: 137
相关论文文献
标签：仿生声纳论文; 蝙蝠声纳论文; 鼻叶动态形变论文; 时变特征论文; 传感信息编码能力论文;