一种仿生高距离分辨率估计器

刘华锋, 梁 红, 杨长生



一种仿生高距离分辨率估计器

刘华锋, 梁 红, 杨长生

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

蝙蝠所具有的回声定位系统可以使其在恶劣环境中准确地捕食猎物, 其卓越的距离分辨能力为现有主动信息处理系统提升距离分辨力提供了可能的解决方案。基于此, 从研究蝙蝠回声定位信号处理模型入手, 对模型参数进行仿生化, 并应用一种修正基函数, 使其可以应用于水下主动信息处理系统高频段, 以提升水下主动系统的距离分辨力。仿真结果表明, 仿生处理可以很好地分辨混叠大的目标回波, 提升了距离分辨力, 且性能优于相关器。

仿生处理模型; 距离分辨力; 相关器

0 引言

在水下主动信息处理系统中, 估计目标距离是主动系统的一项重要任务, 特别是分辨重叠较大的目标回波问题。但经典的相关处理(匹配滤波)在分辨重叠目标回波时存在固有的极限(近似为信号带宽的倒数[1]), 为了提高距离分辨能力, 只能发射具有更大带宽的信号, 从而对整个主动系统提出了更高的要求。众所周知, 回声定位动物都可以依靠其灵敏的听觉在黑暗的环境中准确地定位目标。其中, 蝙蝠的回声定位系统具有卓越的距离分辨力, 这为提升现有主动信息处理系统的距离分辨力提供了可能的解决路线。本文从研究蝙蝠回波信号处理模型入手, 将蝙蝠回波信号处理模型引入到水下高频段, 以提升主动系统的距离分辨力。

1 蝙蝠回波信号处理模型

谱相关(spectrogram correlation and transformation, SCAT)接收机是蝙蝠回波信号处理经典模型[2], 主要由耳蜗单元、谱相关单元及谱变换单元组成, 信号处理流程如图1所示。

图中, 耳蜗单元由带通滤波器组及后续信号处理过程组成, 主要完成了对信号频谱的分割, 将信号分为多个通道进行处理, 其结构如图2所示。

图1 谱相关接收机信号处理流程

图2 耳蜗单元结构图

图3 谱相关单元原理图

其中基函数

2 基于仿生信号处理模型的距离估计

2.1 水下高频仿生处理

2.2 仿真试验与分析

在上述仿真条件下, 回波信号时域图如图4所示, 可见, 回波1与回波2混叠较少, 回波3与回波4混叠较大。使用传统相关器处理回波信号的结果如图5所示。

图4 回波信号时域图

从图5中可以看出, 传统的相关处理可以分辨回波1与回波2, 但是无法分辨混叠较大的回波3与回波4, 将2个回波识别为了1个回波。

图6 仿生处理结果

修正后谱变换单元的处理结果如图7所示。对比图6与图7可以看出, 修正后的结果消除了零点峰值的干扰, 且正确的估计出了回波3与回波4的间隔时间。

图7 修正仿生处理结果

3 结束语

相关器是主动信息处理系统中一种较为常用的距离估计器, 但提升相关器的距离分辨能力需要提升信号带宽; 蝙蝠卓越的距离分辨能力为提升主动系统距离分辨能力提供了可能的解决方案, 然而蝙蝠生物发射波形及回波信号处理系统均具有非常大的带宽, 会提升对系统的要求。本文从仿生角度入手, 使用仿生波形及水下仿生处理模型分辨混叠目标回波, 提升距离分辨力。仿真结果表明, 采用仿生距离估计方法可以很好的分辨混叠较大的目标回波, 同等条件下, 距离分辨力高于相关器。

[1] 李志舜. 鱼雷自导信号与信息处理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 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.

(责任编辑: 杨力军)

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.

国家自然科学基金(61273333、61379007); 2013届西北工业大学本科毕业设计(论文)重点扶持项目资助.

刘华锋(1992-), 男, 在读硕士, 研究方向为水下信号与信息处理.