劉華鋒, 梁 紅, 楊長生

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一種仿生高距離分辨率估計器

劉華鋒, 梁 紅, 楊長生

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

蝙蝠所具有的回聲定位系統(tǒng)可以使其在惡劣環(huán)境中準確地捕食獵物, 其卓越的距離分辨能力為現(xiàn)有主動信息處理系統(tǒng)提升距離分辨力提供了可能的解決方案。基于此, 從研究蝙蝠回聲定位信號處理模型入手, 對模型參數(shù)進行仿生化, 并應用一種修正基函數(shù), 使其可以應用于水下主動信息處理系統(tǒng)高頻段, 以提升水下主動系統(tǒng)的距離分辨力。仿真結果表明, 仿生處理可以很好地分辨混疊大的目標回波, 提升了距離分辨力, 且性能優(yōu)于相關器。

仿生處理模型; 距離分辨力; 相關器

0 引言

在水下主動信息處理系統(tǒng)中, 估計目標距離是主動系統(tǒng)的一項重要任務, 特別是分辨重疊較大的目標回波問題。但經典的相關處理(匹配濾波)在分辨重疊目標回波時存在固有的極限(近似為信號帶寬的倒數(shù)[1]), 為了提高距離分辨能力, 只能發(fā)射具有更大帶寬的信號, 從而對整個主動系統(tǒng)提出了更高的要求。眾所周知, 回聲定位動物都可以依靠其靈敏的聽覺在黑暗的環(huán)境中準確地定位目標。其中, 蝙蝠的回聲定位系統(tǒng)具有卓越的距離分辨力, 這為提升現(xiàn)有主動信息處理系統(tǒng)的距離分辨力提供了可能的解決路線。本文從研究蝙蝠回波信號處理模型入手, 將蝙蝠回波信號處理模型引入到水下高頻段, 以提升主動系統(tǒng)的距離分辨力。

1 蝙蝠回波信號處理模型

譜相關(spectrogram correlation and transformation, SCAT)接收機是蝙蝠回波信號處理經典模型[2], 主要由耳蝸單元、譜相關單元及譜變換單元組成, 信號處理流程如圖1所示。

圖中, 耳蝸單元由帶通濾波器組及后續(xù)信號處理過程組成, 主要完成了對信號頻譜的分割, 將信號分為多個通道進行處理, 其結構如圖2所示。

圖1 譜相關接收機信號處理流程

圖2 耳蝸單元結構圖

圖3 譜相關單元原理圖

其中基函數(shù)

2 基于仿生信號處理模型的距離估計

2.1 水下高頻仿生處理

2.2 仿真試驗與分析

在上述仿真條件下, 回波信號時域圖如圖4所示, 可見, 回波1與回波2混疊較少, 回波3與回波4混疊較大。使用傳統(tǒng)相關器處理回波信號的結果如圖5所示。

圖4 回波信號時域圖

從圖5中可以看出, 傳統(tǒng)的相關處理可以分辨回波1與回波2, 但是無法分辨混疊較大的回波3與回波4, 將2個回波識別為了1個回波。

圖6 仿生處理結果

修正后譜變換單元的處理結果如圖7所示。對比圖6與圖7可以看出, 修正后的結果消除了零點峰值的干擾, 且正確的估計出了回波3與回波4的間隔時間。

圖7 修正仿生處理結果

3 結束語

相關器是主動信息處理系統(tǒng)中一種較為常用的距離估計器, 但提升相關器的距離分辨能力需要提升信號帶寬; 蝙蝠卓越的距離分辨能力為提升主動系統(tǒng)距離分辨能力提供了可能的解決方案, 然而蝙蝠生物發(fā)射波形及回波信號處理系統(tǒng)均具有非常大的帶寬, 會提升對系統(tǒng)的要求。本文從仿生角度入手, 使用仿生波形及水下仿生處理模型分辨混疊目標回波, 提升距離分辨力。仿真結果表明, 采用仿生距離估計方法可以很好的分辨混疊較大的目標回波, 同等條件下, 距離分辨力高于相關器。

[1] 李志舜. 魚雷自導信號與信息處理[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 2004.

[2] Saillant P A, Simmons J A, Dear S P, et al. A Computati- onal Model of Echo Processing and Acoustic Imaging in FrequencyModulated Echolocating Bats: The Spectrogr- am Correlation and Transformation Receiver[J]. The Jo- urnal of the Acoustical Society of America, 1993, 94(5): 2691-2712.

[3] Peremans H, Hallam J. The Spectrogram Correlation and Transformation Receiver, Revisited[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1998, 104(2): 1101-1110.

[4] Mitch M W, Jacobs S C. The Structure of Echolocation Sounds Used by the Big Brown Bat Eptesicus Fuscus: Some Consequences for Echo Processing[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1991, 89(3): 1402- 1413.

(責任編輯: 楊力軍)

A Biomimetic Estimator of Range with High-Resolution

LIU Hua-fengLIANG HongYANG Chang-sheng

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

This paper analyzes the bat echolocating model, biomimetically changes the parameters of the model, and uses a modified basis vector to apply the model to the underwater active systems within a high-frequency band. Simulation results show that the range estimator based on the biomimetic signal processing model can distinguish the aliasing echoes distinctly to improve the range resolution with better performance than that of the correlator.

biomimetic signal processing model; range resolution; correlator

TJ630.34; Q692

A

1673-1948(2014)05-0333-04

2014-03-14;

2014-04-09.

國家自然科學基金(61273333、61379007); 2013屆西北工業(yè)大學本科畢業(yè)設計(論文)重點扶持項目資助.

劉華鋒(1992-), 男, 在讀碩士, 研究方向為水下信號與信息處理.