[发明专利]一种基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法

说明书

本发明涉及一种基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法，利用滑动频率窗平均处理法对蝙蝠头相关传输函数实测数据进行平滑滤波处理，去除频率响应函数中的高阶成分，保留蝙蝠头相关传输函数的主要特征；仿生阵列采用x、y方向阵元数目相同的均匀平面阵，并结合FIR滤波器建立仿生阵列宽带FIR滤波器波束形成模型；最后采用正则化最小二乘算法求解优化问题，得到仿生阵列最优权值。使用本发明的方法能够降低仿生阵列的结构复杂度和复现误差。本发明使用平滑滤波后的头相关传输函数进行仿生阵列设计，仿生阵列与蝙蝠头相关传输函数之间的全局平均误差为12.13％，谱失真为2.99。

技术领域

本发明属于仿生设计技术领域，涉及一种基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法。

背景技术

从生物进化的角度出发，仿生阵列为仿生定位算法发挥自身优势提供了基础和保障，因此研究仿生阵列设计对实现仿生高精度定位至关重要。目前基于蝙蝠声场的仿生接收装置存在灵活性差、实用性差等缺陷，利用仿生阵列复现蝙蝠接收声场能有效地解决现有方法存在的问题。一般来说，基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计主要包含以下几个步骤：

步骤一，蝙蝠头相关传输函数数据采集；

步骤二，建立仿生阵列波束形成模型；

步骤三，利用优化算法求解仿生阵列最优权值。

当前基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法主要通过阵列及滤波器复现蝙蝠头相关传输函数。Herbert等人在文献“Steckel J,Peremans H.Anovel biomimetic sonarhead using beamforming technology to mimic bat echolocation[J].IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,2012,59(7):1369-1377.”中提出了一种基于蝙蝠头相关传输函数的仿生阵列设计方法，该方法首先得到矛吻蝠头相关传输函数的实测数据，再利用均匀平面阵及滤波器复现矛吻蝠头相关传输函数。该方法通过调整权值适应各种蝙蝠声场特性，节省存储空间并减少运算量。然而由于未考虑蝙蝠接收声场的高频宽带特性及高阶频率响应成分，基于该方法的仿生阵列与蝙蝠头相关传输函数误差较大。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法，在阵列结构相对简单的前提下减小复现误差。

技术方案

一种基于蝙蝠接收声场的仿生阵列设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用滑动频率窗平均处理法对蝙蝠头相关传输函数实测数据进行平滑滤波处理，滤除头相关传输函数中幅度谱的高阶成分，将处理后的头相关传输函数作为仿生阵列设计的复现样本；

已知空间(θ，φ)方向的蝙蝠头相关传输函数为H(f,θ,φ)，对于给定方向简记为H(f)，采用滑动频率窗对蝙蝠头相关传输函数实测数据进行平均：

f₁-f₀表示频率窗宽度，当取