蝙蝠仿生动态声纳发射器的时变特征与传感信息研究

发布时间：2022-12-21 22:18

　　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... 

【文章页数】：177 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 蝙蝠声纳系统
        1.1.1 蝙蝠声纳系统简介
        1.1.2 蝙蝠声纳系统的动态特性
        1.1.3 蝙蝠声纳系统的优势
    1.2 蝙蝠仿生声纳系统
        1.2.1 仿生声纳的工程研究意义
        1.2.2 仿生声纳的国内外研究现状
    1.3 存在的主要问题
    1.4 本文的研究目的、意义和主要研究内容
        1.4.1 研究目的
        1.4.2 研究意义
        1.4.3 主要研究内容
第2章 基于普氏蹄蝠鼻叶运动的仿生动态声纳发射器设计
    2.1 蝙蝠鼻叶运动实验
        2.1.1 实验对象
        2.1.2 实验平台
        2.1.3 实验步骤
        2.1.4 数据处理
    2.2 蝙蝠鼻叶运动对发射声场分布的影响
        2.2.1 鼻叶运动的定量描述
        2.2.2 发射声场分布的定量描述
        2.2.3 相关性分析
    2.3 仿生动态声纳发射器的设计
        2.3.1 柔性仿生鼻叶模型
        2.3.2 驱动装置
        2.3.3 控制系统
        2.3.4 超声发射系统
    2.4 本章小结
第3章 基于仿生动态发射器的时变特征及影响因素分析
    3.1 时变波束图
        3.1.1 超声声纳信号设计
        3.1.2 实验方法
        3.1.3 数据处理
        3.1.4 时变波束特征
    3.2 时变波束特征的定量分析
        3.2.1 时变波束图的梯度
        3.2.2 平均梯度幅值
        3.2.3 梯度方向的信息熵
        3.2.4 与简化凹形挡板模型对比
    3.3 时变波束特征的方差分析
        3.3.1 方差分析方法
        3.3.2 分析结果
    3.4 本章小结
第4章 基于仿生动态发射器的时变发射声场固有维度分析
    4.1 时变发射声场设计
        4.1.1 时间维度设计
        4.1.2 空间角度维度设计
        4.1.3 载波频率维度设计
    4.2 时变发射声场分布
        4.2.1 仿生鼻叶运动重建
        4.2.2 声纳信号处理
        4.2.3 三维时变发射声场分布
    4.3 时变发射声场的固有维度分析
        4.3.1 固有维度简介
        4.3.2 Isomap算法
        4.3.3 时变发射声场的固有维度分析
    4.4 本章小结
第5章 时变发射声场各维度的传感信息编码能力分析
    5.1 微分熵分析
        5.1.1 微分熵的定义
        5.1.2 微分熵的非参数估计
        5.1.3 基于k近邻点的微分熵估计算法
    5.2 时变发射声场的微分熵分析
        5.2.1 分析步骤
        5.2.2 时间维度上的微分熵
        5.2.3 载波频率维度上的微分熵
        5.2.4 空间角度维度上的微分熵
        5.2.5 三个维度上微分熵对比
        5.2.6 微分熵与标准差的相关性分析
    5.3 时间和载波频率维度之间的相对熵分析
        5.3.1 相对熵的定义
        5.3.2 基于最近邻点的相对熵算法
        5.3.3 时间和载波频率维度之间相对熵的分析方法
        5.3.4 结果分析
    5.4 本章小结
第6章 时变声纳信号期间任意时刻波束图之间的互信息分析
    6.1 互信息的定义
        6.1.1 基于离散熵的互信息
        6.1.2 基于微分熵的互信息
    6.2 基于离散熵的波束图之间互信息分析
        6.2.1 谱聚类方法
        6.2.2 波束图之间互信息的分析步骤
        6.2.3 结果分析
    6.3 基于微分熵的波束图之间互信息分析
        6.3.1 KSG互信息算法
        6.3.2 波束图之间互信息的分析步骤
        6.3.3 结果分析
    6.4 本章小结
结论和展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的学术论文与参与的科研项目
致谢
附录: 发表英文论文
学位论文评阅及答辩情况表


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于HEALPix的全球地形可视化技术[J]. 陈强,朱青.  计算机仿真. 2015(05)
[2]谱聚类算法综述[J]. 蔡晓妍,戴冠中,杨黎斌.  计算机科学. 2008(07)
[3]步进电机的选型与计算[J]. 范超毅,范巍.  机床与液压. 2008(05)

博士论文
[1]马铁菊头蝠超声声纳系统中的耳朵形变研究[D]. 高丽.山东大学 2012

硕士论文
[1]新型生物声纳探测装置的设计与优化[D]. 符涛涛.南京理工大学 2013
[2]一种新型生物声纳导盲仪的研究与开发[D]. 王猛.南京理工大学 2012



本文编号：3722880