基于对数调频谐波仿生信号的参量估计

贾 宁, 梁 红, 杨长生, 杜金香



基于对数调频谐波仿生信号的参量估计

贾 宁, 梁 红, 杨长生, 杜金香

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

介绍了一种基于仿生信号的参量估计方法。首先给出了仿生信号模型, 针对常用的线性调频(LFM)谐波信号和对数调频谐波信号, 分析了其宽带模糊度图, 比较了两者的时延分辨率。在此基础上, 采用仿生生物模型对2种信号进行了处理, 并运用1组Q值相同、带宽变化的有限脉冲响应(FIR)滤波器组实现耳蜗滤波。最后, 对这2种仿生信号的检测性能、距离估计的精度及其均方根误差进行比较。分析表明, 仿生生物模型采用对数调频谐波信号具有较好的时延分辨性能, 同时具有更好的检测和参量估计性能。

对数调频谐波信号; 线性调频谐波信号; 仿生处理模型; 参量估计

0 引言

蝙蝠具有天然的回声定位系统, 能在恶劣的环境下估计出目标的距离并迅速准确地捕食到昆虫。蝙蝠在捕猎过程中根据目标所处位置和状态, 采用不同频率和波形的声波对猎物进行搜索、跟踪和捕获。研究表明, 大棕蝙蝠的发声信号是多次调频谐波信号[1], 调频形式更接近于对数时间调频模型(logarithmic time frequency modulation, LTFM)信号[2]。众所周知, 在实际应用中人工声纳系统常用线性调频(linear frequency modulation, LFM)信号[3], 但LFM信号的分辨率不高。

本文采用LFM谐波信号和LTFM谐波信号模拟大棕蝙蝠在捕食终段发出的信号, 分析2种仿生信号的时延分辨性能。运用仿生生物模型对仿生信号进行处理, 其中耳蜗滤波, 运用一组Q值相同, 带宽呈Lyon′s Cochlear Model[4]变化的有限脉冲响应(finite impulse response,FIR)线性滤波器组实现。

1 仿生信号模型的选取

蝙蝠在捕食的终段, 发出接近LFM和LTFM的宽带二次谐波信号。现有的宽带调频信号可以表示成复指数形式

信号()的宽带自模糊度函数定义为

1.1 LFM信号

LFM信号形式为

图1 矩形包络二次谐波线性调频信号模糊度图

图2 矩形包络二次谐波LFM信号等高线图

1.2 LTFM信号

LTFM信号调频规律为[2]

文献[2]对不同蝙蝠个体进行研究, 得到频率衰减常数的变化范围为-19.6~-14kHz, 时间渐近线t变化范围为-1.17~-0.37 ms。将脉冲持续时间、基波和谐波频率变化范围及t=-0.37 ms代入式(6)得LTFM信号调频规律参量值=-18.1 kHz。

LTFM信号形式为

式中, 。当时, 表示基波信号; 当时, 表示二次谐波信号。此外, 为截止频率, 根据文献[2]选取基波截止频率为25 kHz, 带宽40 kHz; 谐波截止频率为50 kHz, 带宽40 kHz。由构成的矩形包络二次谐波LTFM信号模糊度图如图3, 等高线图如图4。在该信号频段及信号形式下的仿真中可以看出, 矩形包络二次LTFM信号模糊度幅值(图3)随着远离(0, 1)点而迅速减小。等高线图(图4)随着时延远离0时尺度模糊逐渐增大, 随着尺度远离1时时延模糊也逐渐增大。与二次LFM信号模糊度图相比, LTFM信号没有旁瓣的影响, 时延分辨能力强。运用仿生处理模型分别对LFM仿生信号, LTFM仿生信号的检测和参量估计性能做进一步分析。

图4 矩形包络二次谐波LTFM信号等高线图

2 仿生处理模型

蝙蝠的听觉系统由耳蜗、内毛细胞、耳蜗腹侧膜细胞和下丘脑细胞4部分组成。耳蜗主要对回声进行滤波, 内毛细胞起简化信号的作用。耳蜗和内毛细胞组成了听觉细胞的外围。耳蜗腹侧膜细胞对简化的信号进行适度平滑得到信号包络, 进行时延检测的过程模拟了下丘脑细胞。

由于蝙蝠听觉系统与其他哺乳动物类似, 根据文献[5]中耳蜗模型模拟第1阶段的耳蜗滤波器组, 每个耳蜗滤波器带宽(equivalent rectangular bandwidth, ERB)描述为

式中:f表示高频;f表示低频。

滤波器组任意频段的中心频率为

第2阶段的内毛细胞通过半波整流对信号进行简化。根据文献[3], 第3阶段的低通滤波器截止频率为3 kHz。本文低通滤波器采用截止频率为3 kHz的FIR滤波器得到信号包络。第4阶段对处理后的发射和回波信号进行互相关来实现。关于目标的距离信息可通过上述4个阶段获取。

3 仿真结果及分析

根据仿生处理模型, 首先确定耳蜗滤波器组, 为了获得较好的滤波效果, 取步长因子为0.5, 由式(9)可计算出要23个滤波器对信号进行滤波, 各滤波器带宽随中心频率变化趋势见图5。

图5 带宽随中心频率变化曲线

假设目标相距发射信号源4 m且有相对运动, 针对第1节中所述仿生谐波信号, 设定虚警概率为0.1%, 采用仿生处理模型分别对LFM信号和LTFM信号进行10 000次蒙特卡罗试验得到检测性能曲线如图6所示。从图中可以看出, LTFM仿生信号在-9dB时检测概率达到100%, LFM仿生信号在-7dB时检测概率达到100%。

图6 2种仿生信号的检测性能曲线

在不同信噪比下用仿生处理模型分别对LFM仿生信号和LTFM仿生信号采用10 000次蒙特卡罗试验得到目标距离估计平均值和均方根误差如图7和图8所示。

图7采用仿生处理模型, LTFM仿生信号在-10 dB, 而LFM信号在-8 dB能对目标距离进行估计。从图8中得到, LTFM仿生信号在-7 dB距离估计的均方根误差达到0, LFM仿生信号-5 dB距离估计的均方根误差达到0。从图6~图8可看出, 仿生处理模型采用LTFM仿生信号的检测和参量估计性能优于LFM仿生信号。

图7 不同信噪比下2种仿生信号的距离估计

图8 不同信噪比下2种仿生调频信号距离估计均方根误差

4 结束语

本文针对仿生信号利用仿生技术开展目标检测与参数估计的方法研究, 以空气中蝙蝠声波频段为例对LFM和LTFM谐波信号模糊度图进行分析。研究表明, LTFM信号具有较好的时延分辨性能。采用模拟蝙蝠听觉系统的仿生处理模型方法对回声信号进行检测和参量估计, 仿真结果表明, 仿生处理模型运用LTFM谐波信号具有更好的检测和参量估计性能。作者同时采用类比的方法针对鱼雷自导系统开展了进一步研究。研究表明, 运用仿生处理方法将放声信号应用于水下信号处理中有效且可行, 其研究结果将另文给出。

[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, 张海. 线性调频信号的仿生处理模型[J]. 系统仿真学报, 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.

国家自然科学基金(61201322), 西北工业大学基础研究基金(JC20110207).

贾 宁(1986-), 女, 在读硕士, 研究方向为信号与信息处理.

(责任编辑: 杨力军)