賈 寧, 梁 紅, 楊長(zhǎng)生, 杜金香

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基于對(duì)數(shù)調(diào)頻諧波仿生信號(hào)的參量估計(jì)

賈 寧, 梁 紅, 楊長(zhǎng)生, 杜金香

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

介紹了一種基于仿生信號(hào)的參量估計(jì)方法。首先給出了仿生信號(hào)模型, 針對(duì)常用的線性調(diào)頻(LFM)諧波信號(hào)和對(duì)數(shù)調(diào)頻諧波信號(hào), 分析了其寬帶模糊度圖, 比較了兩者的時(shí)延分辨率。在此基礎(chǔ)上, 采用仿生生物模型對(duì)2種信號(hào)進(jìn)行了處理, 并運(yùn)用1組Q值相同、帶寬變化的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器組實(shí)現(xiàn)耳蝸濾波。最后, 對(duì)這2種仿生信號(hào)的檢測(cè)性能、距離估計(jì)的精度及其均方根誤差進(jìn)行比較。分析表明, 仿生生物模型采用對(duì)數(shù)調(diào)頻諧波信號(hào)具有較好的時(shí)延分辨性能, 同時(shí)具有更好的檢測(cè)和參量估計(jì)性能。

對(duì)數(shù)調(diào)頻諧波信號(hào); 線性調(diào)頻諧波信號(hào); 仿生處理模型; 參量估計(jì)

0 引言

蝙蝠具有天然的回聲定位系統(tǒng), 能在惡劣的環(huán)境下估計(jì)出目標(biāo)的距離并迅速準(zhǔn)確地捕食到昆蟲。蝙蝠在捕獵過程中根據(jù)目標(biāo)所處位置和狀態(tài), 采用不同頻率和波形的聲波對(duì)獵物進(jìn)行搜索、跟蹤和捕獲。研究表明, 大棕蝙蝠的發(fā)聲信號(hào)是多次調(diào)頻諧波信號(hào)[1], 調(diào)頻形式更接近于對(duì)數(shù)時(shí)間調(diào)頻模型(logarithmic time frequency modulation, LTFM)信號(hào)[2]。眾所周知, 在實(shí)際應(yīng)用中人工聲納系統(tǒng)常用線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM)信號(hào)[3], 但LFM信號(hào)的分辨率不高。

本文采用LFM諧波信號(hào)和LTFM諧波信號(hào)模擬大棕蝙蝠在捕食終段發(fā)出的信號(hào), 分析2種仿生信號(hào)的時(shí)延分辨性能。運(yùn)用仿生生物模型對(duì)仿生信號(hào)進(jìn)行處理, 其中耳蝸濾波, 運(yùn)用一組Q值相同, 帶寬呈Lyon′s Cochlear Model[4]變化的有限脈沖響應(yīng)(finite impulse response,FIR)線性濾波器組實(shí)現(xiàn)。

1 仿生信號(hào)模型的選取

蝙蝠在捕食的終段, 發(fā)出接近LFM和LTFM的寬帶二次諧波信號(hào)?，F(xiàn)有的寬帶調(diào)頻信號(hào)可以表示成復(fù)指數(shù)形式

信號(hào)()的寬帶自模糊度函數(shù)定義為

1.1 LFM信號(hào)

LFM信號(hào)形式為

圖1 矩形包絡(luò)二次諧波線性調(diào)頻信號(hào)模糊度圖

圖2 矩形包絡(luò)二次諧波LFM信號(hào)等高線圖

1.2 LTFM信號(hào)

LTFM信號(hào)調(diào)頻規(guī)律為[2]

文獻(xiàn)[2]對(duì)不同蝙蝠個(gè)體進(jìn)行研究, 得到頻率衰減常數(shù)的變化范圍為-19.6~-14kHz, 時(shí)間漸近線t變化范圍為-1.17~-0.37 ms。將脈沖持續(xù)時(shí)間、基波和諧波頻率變化范圍及t=-0.37 ms代入式(6)得LTFM信號(hào)調(diào)頻規(guī)律參量值=-18.1 kHz。

LTFM信號(hào)形式為

式中, 。當(dāng)時(shí), 表示基波信號(hào); 當(dāng)時(shí), 表示二次諧波信號(hào)。此外, 為截止頻率, 根據(jù)文獻(xiàn)[2]選取基波截止頻率為25 kHz, 帶寬40 kHz; 諧波截止頻率為50 kHz, 帶寬40 kHz。由構(gòu)成的矩形包絡(luò)二次諧波LTFM信號(hào)模糊度圖如圖3, 等高線圖如圖4。在該信號(hào)頻段及信號(hào)形式下的仿真中可以看出, 矩形包絡(luò)二次LTFM信號(hào)模糊度幅值(圖3)隨著遠(yuǎn)離(0, 1)點(diǎn)而迅速減小。等高線圖(圖4)隨著時(shí)延遠(yuǎn)離0時(shí)尺度模糊逐漸增大, 隨著尺度遠(yuǎn)離1時(shí)時(shí)延模糊也逐漸增大。與二次LFM信號(hào)模糊度圖相比, LTFM信號(hào)沒有旁瓣的影響, 時(shí)延分辨能力強(qiáng)。運(yùn)用仿生處理模型分別對(duì)LFM仿生信號(hào), LTFM仿生信號(hào)的檢測(cè)和參量估計(jì)性能做進(jìn)一步分析。

圖4 矩形包絡(luò)二次諧波LTFM信號(hào)等高線圖

2 仿生處理模型

蝙蝠的聽覺系統(tǒng)由耳蝸、內(nèi)毛細(xì)胞、耳蝸腹側(cè)膜細(xì)胞和下丘腦細(xì)胞4部分組成。耳蝸主要對(duì)回聲進(jìn)行濾波, 內(nèi)毛細(xì)胞起簡(jiǎn)化信號(hào)的作用。耳蝸和內(nèi)毛細(xì)胞組成了聽覺細(xì)胞的外圍。耳蝸腹側(cè)膜細(xì)胞對(duì)簡(jiǎn)化的信號(hào)進(jìn)行適度平滑得到信號(hào)包絡(luò), 進(jìn)行時(shí)延檢測(cè)的過程模擬了下丘腦細(xì)胞。

由于蝙蝠聽覺系統(tǒng)與其他哺乳動(dòng)物類似, 根據(jù)文獻(xiàn)[5]中耳蝸模型模擬第1階段的耳蝸濾波器組, 每個(gè)耳蝸濾波器帶寬(equivalent rectangular bandwidth, ERB)描述為

式中:f表示高頻;f表示低頻。

濾波器組任意頻段的中心頻率為

第2階段的內(nèi)毛細(xì)胞通過半波整流對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)文獻(xiàn)[3], 第3階段的低通濾波器截止頻率為3 kHz。本文低通濾波器采用截止頻率為3 kHz的FIR濾波器得到信號(hào)包絡(luò)。第4階段對(duì)處理后的發(fā)射和回波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)來實(shí)現(xiàn)。關(guān)于目標(biāo)的距離信息可通過上述4個(gè)階段獲取。

3 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)仿生處理模型, 首先確定耳蝸濾波器組, 為了獲得較好的濾波效果, 取步長(zhǎng)因子為0.5, 由式(9)可計(jì)算出要23個(gè)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波, 各濾波器帶寬隨中心頻率變化趨勢(shì)見圖5。

圖5 帶寬隨中心頻率變化曲線

假設(shè)目標(biāo)相距發(fā)射信號(hào)源4 m且有相對(duì)運(yùn)動(dòng), 針對(duì)第1節(jié)中所述仿生諧波信號(hào), 設(shè)定虛警概率為0.1%, 采用仿生處理模型分別對(duì)LFM信號(hào)和LTFM信號(hào)進(jìn)行10 000次蒙特卡羅試驗(yàn)得到檢測(cè)性能曲線如圖6所示。從圖中可以看出, LTFM仿生信號(hào)在-9dB時(shí)檢測(cè)概率達(dá)到100%, LFM仿生信號(hào)在-7dB時(shí)檢測(cè)概率達(dá)到100%。

圖6 2種仿生信號(hào)的檢測(cè)性能曲線

在不同信噪比下用仿生處理模型分別對(duì)LFM仿生信號(hào)和LTFM仿生信號(hào)采用10 000次蒙特卡羅試驗(yàn)得到目標(biāo)距離估計(jì)平均值和均方根誤差如圖7和圖8所示。

圖7采用仿生處理模型, LTFM仿生信號(hào)在-10 dB, 而LFM信號(hào)在-8 dB能對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行估計(jì)。從圖8中得到, LTFM仿生信號(hào)在-7 dB距離估計(jì)的均方根誤差達(dá)到0, LFM仿生信號(hào)-5 dB距離估計(jì)的均方根誤差達(dá)到0。從圖6~圖8可看出, 仿生處理模型采用LTFM仿生信號(hào)的檢測(cè)和參量估計(jì)性能優(yōu)于LFM仿生信號(hào)。

圖7 不同信噪比下2種仿生信號(hào)的距離估計(jì)

圖8 不同信噪比下2種仿生調(diào)頻信號(hào)距離估計(jì)均方根誤差

4 結(jié)束語

本文針對(duì)仿生信號(hào)利用仿生技術(shù)開展目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)的方法研究, 以空氣中蝙蝠聲波頻段為例對(duì)LFM和LTFM諧波信號(hào)模糊度圖進(jìn)行分析。研究表明, LTFM信號(hào)具有較好的時(shí)延分辨性能。采用模擬蝙蝠聽覺系統(tǒng)的仿生處理模型方法對(duì)回聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和參量估計(jì), 仿真結(jié)果表明, 仿生處理模型運(yùn)用LTFM諧波信號(hào)具有更好的檢測(cè)和參量估計(jì)性能。作者同時(shí)采用類比的方法針對(duì)魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)開展了進(jìn)一步研究。研究表明, 運(yùn)用仿生處理方法將放聲信號(hào)應(yīng)用于水下信號(hào)處理中有效且可行, 其研究結(jié)果將另文給出。

[1] Balleri L, Holderied M, Baker C. Bat-inspired Multiharm- onic Waveforms[C]//IEEE Waveform Diversity and Design Conference 2010: 86-89.

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

[3] 成彬彬, 張海. 線性調(diào)頻信號(hào)的仿生處理模型[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2010, 22(7): 1702-1705. Cheng Bin-bin, Zhang Hai. Bionic Model for Linear Frequ- ency Modulated Signal Processing[J]. Journal of System Si- mulation, 2010, 22(7): 1702-1705.

[4] Malcolm S. Lyon′s Cochlear Model[R]. Apple Technical Report 13, Apple Computer Corporate Library, Cupertino, CA 95014, 1988.

[5] Malcolm Slaney. An Efficient Implementation of the Patterson-Holdsworth Auditory Filter Bank[M]. Patterson′s Ear Model, 1993: 1-42.

Parameter Estimation Based on Bat-inspired Signals with Logarithmic Frequency Modulation

JIA Ning, LIANG Hong, YANG Chang-sheng, DU Jin-xiang

(College of Marine Engineering, Northwestern Ploytechnical University, Xi′an 710072, China)

Considering the remarkable target detection performance of a bat, the wideband ambiguity functions of bat-inspired signals with linear frequency modulation(LFM) and logarithmic time frequency modulation(LTFM) are analyzed. The results indicate that the time delay resolution of LTFM is more superior to that of LFM. The bat-inspired signal processing model based on the bat echolocation system is also discussed. Afinite impulse response(FIR) linear filter bank with same Q value and different bandwidth is used to implement a cochlear filter. Conclusion is drawn that the bat-inspired signal processing model with LTFM can achieve better time delay resolution performance than the same model with LFM, and it behaves better in detection and parameter estimation.

bat-inspired signal withlogarithmic frequency modulation; bat-inspired signal with linear frequency modulation; bat-inspired signal processing model; parameter estimation

TJ630.1

A

1673-1948(2013)04-0258-04

2012-09-07;

2012-12-14.

國(guó)家自然科學(xué)基金(61201322), 西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(JC20110207).

賈 寧(1986-), 女, 在讀碩士, 研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)