[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

说明书

本发明涉及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。本发明所述装置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。本发明通过双阵元系统不仅能确定目标的方位角和方向角还能确定目标的距离，准确地估计出目标的三维坐标；另外本发明使用的信号频宽只有20KHz，降低了对硬件设备的性能要求。

技术领域

本发明涉及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，属于位置服务系统的技术领域。

背景技术

在麦克风阵列信号处理中，对目标进行空间定位时，至少需要三个传感器组成L型阵列确定目标的方位角和俯仰角。如果要进一步得到三维空间坐标，还需要调节阵列进行二次定位，综合两次测量得到的方位角和俯仰角最终得到空间坐标的闭式解。生活中被广泛应用的倒车雷达技术，只是简单地利用了发射超声波与接收反射回波的时间差来进行测距，并不能得到目标的三维空间坐标。

在自然界中，蝙蝠只利用两只耳朵和喉部发声装置组成的生物声纳系统就能达到毫米级的定位精度；蝙蝠的生物声纳系统无论在体积、重量方面还是在灵敏度、效率、抗干扰能力方面都远胜于当今的雷达定位系统和麦克风阵列定位系统。

大足鼠耳蝠是蝙蝠中运用声纳定位的高手，它是一种能够发出25KHz到65KHz的调频信号的FM蝙蝠。大足鼠耳蝠的外耳具有复杂的几何结构，据Zhang在”ExperimentalAnalysis of Space Acoustic Field Positioning Characteristics of PlecotusAuritus Pinna Model”在研究中报道，30KHz～50KHz范围内，大足鼠耳蝠耳朵模型收到的波束在各频点的能量与来波的俯仰角有着一定的对应关系。因此大足鼠耳蝠的外耳结构可以起到信号接收天线的作用，将来自各个俯仰角的声波滤波放大处理。所以利用大足鼠耳蝠的外耳接收到的扫频信号的能量分布就可确定俯仰角，再根据Knapp于1976年提出的广义互相关算法计算回波信号的时延差得到方位角，最后根据发射波和回波的时间差就能确定与目标之间的距离。因此只需要利用两个阵元一次测量就能得到目标的空间三维坐标。

中国专利公开号CN106526578A公开了“基于蝙蝠双耳定位模型的水下目标方位估计方法”；其借助外耳传输函数搜索谷值频率点的方法估计水中目标的参数，但是只是确定了目标的方位角和俯仰角，其搜索方式计算复杂，且使用的信号频宽为40KHz，对信号发射设备的性能要求高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于蝙蝠仿生声纳的小目标定位装置。

本发明还提供一种上述小目标定位装置的构建方法。

本发明还提供一种利用所述装置进行小目标定位的方法。

本发明的技术方案为：

一种基于蝙蝠仿生声纳的小目标定位装置，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。

主控制器负责整个系统的正常运转；信号发射模块向空间中发射30KHz～50KHz的调频语音信号；预滤波模块由大足鼠耳蝠的外耳轮廓构成，对来自不同俯仰角声波的特定频段进行滤波放大；存储模块保存超声采集模块采集的、目标反射的回波信号；运算模块根据回波信号估计目标的方位角与俯仰角，并利用发射波和回波的时间差确定与目标的距离；

根据本发明优选的，主控制器还连接有结果显示模块；结果显示模块与运算模块连接。结果显示模块输出目标的方位角和俯仰角。

进一步优选的，所述结果显示模块为LCD彩屏。