飞行蝙蝠声呐波束复杂性和时变特性研究

发布时间：2020-11-01 05:47

　　 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。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q62
【部分图文】：

对于不同种类的蝙蝠，无论是嘴部还是鼻孔发射声音，他们都利用耳朵接收来自??周围环境反射的回声，同样，为适应不同的生态龛位，蝙蝠也进化出了形态各异的耳??朵结构，如图１－２所示。从中可以看出，不同种类蝙蝠的外耳，不仅大小不同，形状??差异也非常大。??由于蝙蝠鼻叶和耳朵结构的特殊性，研宄人员对其作用在声音发射和接收上的影??响进行了诸多探讨。Ｓｃｈｎｉｔｚｌｅｒ和Ｇｒｉｎｎｅｌｌ用凡士林将马铁菊头ｆｅ?（Ｈｏｒｓｅｓｈｏｅ?ｂａｔ）的??鼻叶上部覆盖住，发现马铁菊头蝠发射的波束形状发生改变＿。Ｄａｖｉｄ?Ｉ．?Ｈａｒｔｌｅｙ通过??实验发现将Ｃａｒｏｌｌｉａｐｅｒｓｐｉｃｉｌｌａｔａ的顶叶翻折或者将一个鼻孔堵住，声呐波束变化非常??明显［３１】。庄桥和ＲｏｌｆＭｕｅｌｌｅｒ利用数值计算方法对鲁氏菊头幅（Ｒｈｉｎｏｌｏｐｈｕｓｒｏｕｘｉ）鼻??叶各结构进行了多种不同的组合，发现鼻叶的各个组成部分对近、远场波束都有较大??的影响［３２］，后来庄桥又利用数值计算方法对普氏蹄蝠声呐波束进行了研宄，认为普氏??蹄蝠的鼻叶会改变发射声呐波束［３３］。张智伟利用数值模拟分析方法发现，高鞍菊头蝠??５??

２－２双目相机设计??为了使相机能够以更好的角度捕捉蝙蝠飞行的整个过程，将双相机放置在麦克风??阵列里面，如图２－１所示，但是这样会导致麦克风阵列不在双目相机的视野之内，进??而无法测量和计算波束方向角。因此，在实验之前，通道中会临时放置一个自制坐标??系，然后将蝙蝠飞行轨迹和麦克风阵列三维坐标都以自制坐标系为基准，便可以计算??１２??

利用同步锁相原理，Ｉｌｉａｄ生成ＶＳＹＮＣ、ＨＳＹＮＣ等信号为两个相机提供同步时钟，从??而保证相机之间的同步。同时，通道顶端安装了六台功率为２０Ｗ的ＬＨ）冷光源，提??供充足的光线以减少运动模糊现象，相机系统及部件如图２－２所示。??图２－２?（ａ）为ＭｅｗＰｒｏ?Ｉｌｉａｄ；?（ｂ）为ＭｅｗＰｒｏ；?（ｃ）为ＬＥＤ冷光灯；（ｄ）为ＭｅｗＰｒｏ?Ｉｌｉａｄ、ＭｅｗＰｒｏ??和相机连接示意图。??虽然与高端相机相比，ＧｏＰｒｏ相机鱼眼失真较为严重，但是相机镜头畸变矫正可??以减小鱼眼失真，而且相机引起的蝙蝠轨迹重建的偏差对于最终重建波束的结构特征??造成的影响非常小。同样，一般的高端实验相机还可以提供外部触发以便相机与其他??１３??
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本文编号：2865107