基于蝙蝠的双耳定位模型的研究

摘要

大自然是人类最好的老师,科学家们利用声波来定位导航只有短短不到一百年的时间,而自然界中的蝙蝠在人类文明之前,就进化产生了一种利用超声进行定位以及导航的本领。它们利用自己的声纳系统通过对声波进行分析处理,来达到对自身的导航和对猎物的定位。本文主要通过模仿蝙蝠的双耳定位机制,并与麦克风阵列算法相结合,设计完成了双耳式被动声定位系统和单嘴双耳式主动声定位系统。
　　首先,本文介绍和分析了GCC时延估计方法、LMS时延估计方法和MUSIC算法,并对各种算法进行了仿真测试,得到了各种算法在噪声环境下的估计性能。另外本文还分析了蝙蝠双耳模型在应用子空间类算法时与空间采样定理的冲突,通过模仿蝙蝠调节双耳的耳廓和使用宽带调频信号辅助定位的方法,引入了调节阵元间距和使用宽带调频信号的方法来去除空间采样定理的影响,并通过数学推导给出了阵元间距调节量和频率调节量的限制条件。
　　其次,本文还结合STM32核心板和MEMS麦克风设计了一套双路高速连续音频采样设备,为声源定位系统的验证搭建了软硬件环境。该设备在采样精度为12位的情况下,可以满足400KHz的双路同步AD采样的存储速度要求。在设计中为了配合高速连续AD采样,采用了SDIO接口和乒乓缓冲机制来保存音频信号。并且移植了当下流行的嵌入式FatFs文件系统,简化了采集信号的流程。该套系统使用到的接口有ADC、TIMER、SDIO、DMA以及FatFs,可以为低成本小型化连续音频采集系统提供一定的借鉴意义。
　　最后,本文结合前文搭建的硬件环境,做了大量的实际测试。验证了在大间距下,双耳模型可以使用前文所述的两种改进的MUSIC算法估计信号的入射角,并且估计成功率要高于GCC算法。在被动式双耳定位系统的基础上设计了主动式双耳定位系统,结果表明:在回波足够强时,主动式双耳定位系统可以用于空间中目标的主动定位,为当前的主动声纳技术提供了一种新思路。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 课题背景

1．2 蝙蝠声纳概述

1．2．1 蝙蝠声纳脉冲的类型

1．2．2 螭蝠的主动声纳系统

1．2．2 蝙蟠的被动声纳系统

1．3 国内外研究现状

1．4 麦克风阵列技术

1．5 论文内容安排

第二章 麦克风阵列的信号模型及时延估计技术

2．1 麦克风阵列的背景知识

2．1．1 信号传播模型

2．1．2 近场与远场的划分

2．2 时间延迟估计技术

2．2．1 基本互相关法

2．2．2 广义互相关法

2．2．3 量小均方自适应时延估计算法

2．3 仿真实验

2．4 本章小结

第三章 MUSIC算法及虚拟谱峰的消除

3．1 多重信号分类算法

3．2 蝙蝠双阵元定位与空间采样定理的冲突

3．2．1 蝙蝠的双耳间距

3．2．2 虚假谱峰的原因

3．3 微调阵元间距消除虚假谱峰

3．3．1 闫距调节方法

3．3．2 仿真实验

3．4 调节信号频率消除虚假谱峰

3．5 本章小结

第四章 高速音频采集卡的设计与实现

4．1 硬件系统设计

4．1．1 MEMS麦克风

4．1．2 STM32核心板

4．2 软件系统设计

4．2．1 软件开发环境

4．2．2 数据采集模块

4．2．2 数据保存模块

4．3 本章小结

第五章 双耳声源定位系统测试及分析

5．1 外耳轮廓与信号频率范围

5．2 大间距下的MUSIC算法测试

5．3 被动式双耳定位测试

5．4 主动式双耳定位测试

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间学术成果