[发明专利]一种基于蝙蝠仿生声纳的小目标定位装置及其构建方法与应用

权利要求书

1.一种基于蝙蝠仿生声纳的小目标定位装置，其特征在于，包括分别与主控制器连接的信号发射模块、预滤波模块、超声采集模块、存储模块、和运算模块；所述信号发射模块依次通过预滤波模块、超声采集模块、存储模块与运算模块连接；所述运算模块连接有俯仰角匹配数据库。

2.根据权利要求1所述的基于蝙蝠仿生声纳的小目标定位装置，其特征在于，所述预滤波模块为仿生天线；所述超声采集模块包括模数转换器和麦克风；所述信号发射模块为超声喇叭；所述存储模块包括数据处理器和SD卡。

3.一种如权利要求1或2所述小目标定位装置的构建方法，其特征在于，具体步骤为：

A1)通过CT扫描得到大足鼠耳蝠耳朵的三维图像；

A2)通过3D打印机打印大足鼠耳蝠耳朵的三维图像，得到仿生天线；

A3)将超声采集模块固定在仿生天线的根部；

A4)建立俯仰角匹配数据库：

A4.1)固定仿生天线的俯仰角，发射线性调频信号，通过超声采集模块采集回波信号并将回波信号保存在存储模块；

A4.2)所述运算模块将接收的回波信号作傅立叶变换，找出回波信号在频域中最大幅值对应的频点，该频点与俯仰角一一对应，将俯仰角与对应的频点存入俯仰角匹配数据库；

A4.3)改变仿生天线角度，重复步骤4.1)和4.2)，直至得到空间中的各个俯仰角及对应的频点。

4.一种利用权利要求1或2所述装置进行小目标定位的方法，其特征在于，具体步骤包括：

B1)启动超声采集模块，开始记录空间中的回波信号；

B2)启动信号发射模块，向空间中发射调频语音信号；

B3)调频语音信号在空中传输，遇到目标后被目标反射至预滤波模块，预滤波模块对回波信号进行滤波放大；

B4)超声采集模块对滤波放大后的回波信号进行采集；超声采集模块采集到完整的回波信号后，进入数据处理过程；

B5)所述运算模块对回波信号进行端点检测，找出发射波与回波的起点、终点对应的采样点，并将采样点标记为X11、X12、X21、X22、Y11、Y12、Y21和Y22；其中X11为第一个阵元录制的发射波的起点所对应的采样点，X12为第一个阵元录制的发射波的终点所对应的采样点，X21为第一个阵元录制的回波的起点所对应的采样点，X22为第一个阵元录制的回波的终点所对应的采样点；Y11为第二个阵元录制的发射波的起点所对应的采样点，Y12为第二个阵元录制的发射波的终点所对应的采样点，Y21为第二个阵元录制的回波的起点所对应的采样点，Y22为二个阵元录制的回波的终点所对应的采样点；

B6)估计目标的距离r，根据步骤B5)的采样点估计超声采集模块与目标之间的距离r，r的计算公式如下：

其中，Fs为采样率，c为声速；

B7)通过广义互相关算法估计目标的方位角θ；将B6)步骤检测的第一个阵元采集到的回波数据记为x,将B6)步骤检测的第二个阵元采集到的回波数据记为y,计算两组数据x和y的时延差τ，从而得到方位角，如下式所示；

R(τ)＝∫H(ω)φ_xy(ω)e^-jωτdω

其中，R(τ)为得到的广义互相关结果；H(ω)为加权函数，φ_xy为两个麦克风采集的音频信号的互功率谱密度；根据下式求出方位角θ；

其中，d为两个麦克风之间的距离，c为声速；

B8)估计目标的俯仰角ψ；对步骤B7)中得到的回波数据x和y进行傅立叶变换，得到回波信号在频域中各频点的能量；找出回波信号在频域中能量最大的频点，得到频点后通过所述俯仰角数据库匹配出相应的俯仰角和将两个角度求平均，最终确定俯仰角ψ。

5.根据权利要求4所述的小目标定位方法，其特征在于，所述步骤B2)中，所述调频语音信号的生成公式如下：

其中，为s(t)调频语音信号；f₀为线性扫频信号的中心频率，k＝B/τ₀为线性扫频信号的调频频率，B为线性扫频信号的频率变化范围，τ为线性扫频信号的脉冲宽度，a(t)为线性调频脉冲的包络，t为线性调频脉冲的时间。

6.根据权利要求5所述的小目标定位方法，其特征在于，所述调频语音信号的脉冲宽度为5ms，频率范围为30KHz～50KHz；t＝-2.5ms～2.5ms。