基于對數調頻諧波仿生信號的參量估計

賈 寧, 梁 紅, 楊長生, 杜金香

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基于對數調頻諧波仿生信號的參量估計

賈 寧, 梁 紅, 楊長生, 杜金香

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

介紹了一種基于仿生信號的參量估計方法。首先給出了仿生信號模型, 針對常用的線性調頻(LFM)諧波信號和對數調頻諧波信號, 分析了其寬帶模糊度圖, 比較了兩者的時延分辨率。在此基礎上, 采用仿生生物模型對2種信號進行了處理, 并運用1組Q值相同、帶寬變化的有限脈沖響應(FIR)濾波器組實現耳蝸濾波。最后, 對這2種仿生信號的檢測性能、距離估計的精度及其均方根誤差進行比較。分析表明, 仿生生物模型采用對數調頻諧波信號具有較好的時延分辨性能, 同時具有更好的檢測和參量估計性能。

對數調頻諧波信號; 線性調頻諧波信號; 仿生處理模型; 參量估計

0 引言

蝙蝠具有天然的回聲定位系統, 能在惡劣的環境下估計出目標的距離并迅速準確地捕食到昆蟲。蝙蝠在捕獵過程中根據目標所處位置和狀態, 采用不同頻率和波形的聲波對獵物進行搜索、跟蹤和捕獲。研究表明, 大棕蝙蝠的發聲信號是多次調頻諧波信號[1], 調頻形式更接近于對數時間調頻模型(logarithmic time frequency modulation, LTFM)信號[2]。眾所周知, 在實際應用中人工聲納系統常用線性調頻(linear frequency modulation, LFM)信號[3], 但LFM信號的分辨率不高。

本文采用LFM諧波信號和LTFM諧波信號模擬大棕蝙蝠在捕食終段發出的信號, 分析2種仿生信號的時延分辨性能。運用仿生生物模型對仿生信號進行處理, 其中耳蝸濾波, 運用一組Q值相同, 帶寬呈Lyon′s Cochlear Model[4]變化的有限脈沖響應(finite impulse response,FIR)線性濾波器組實現。

1 仿生信號模型的選取

蝙蝠在捕食的終段, 發出接近LFM和LTFM的寬帶二次諧波信號。現有的寬帶調頻信號可以表示成復指數形式

信號()的寬帶自模糊度函數定義為

1.1 LFM信號

LFM信號形式為

圖1 矩形包絡二次諧波線性調頻信號模糊度圖

圖2 矩形包絡二次諧波LFM信號等高線圖

1.2 LTFM信號

LTFM信號調頻規律為[2]

文獻[2]對不同蝙蝠個體進行研究, 得到頻率衰減常數的變化范圍為-19.6~-14kHz, 時間漸近線t變化范圍為-1.17~-0.37 ms。將脈沖持續時間、基波和諧波頻率變化范圍及t=-0.37 ms代入式(6)得LTFM信號調頻規律參量值=-18.1 kHz。

LTFM信號形式為

式中, 。當時, 表示基波信號; 當時, 表示二次諧波信號。此外, 為截止頻率, 根據文獻[2]選取基波截止頻率為25 kHz, 帶寬40 kHz; 諧波截止頻率為50 kHz, 帶寬40 kHz。由構成的矩形包絡二次諧波LTFM信號模糊度圖如圖3, 等高線圖如圖4。在該信號頻段及信號形式下的仿真中可以看出, 矩形包絡二次LTFM信號模糊度幅值(圖3)隨著遠離(0, 1)點而迅速減小。等高線圖(圖4)隨著時延遠離0時尺度模糊逐漸增大, 隨著尺度遠離1時時延模糊也逐漸增大。與二次LFM信號模糊度圖相比, LTFM信號沒有旁瓣的影響, 時延分辨能力強。運用仿生處理模型分別對LFM仿生信號, LTFM仿生信號的檢測和參量估計性能做進一步分析。

圖4 矩形包絡二次諧波LTFM信號等高線圖

2 仿生處理模型

蝙蝠的聽覺系統由耳蝸、內毛細胞、耳蝸腹側膜細胞和下丘腦細胞4部分組成。耳蝸主要對回聲進行濾波, 內毛細胞起簡化信號的作用。耳蝸和內毛細胞組成了聽覺細胞的外圍。耳蝸腹側膜細胞對簡化的信號進行適度平滑得到信號包絡, 進行時延檢測的過程模擬了下丘腦細胞。

由于蝙蝠聽覺系統與其他哺乳動物類似, 根據文獻[5]中耳蝸模型模擬第1階段的耳蝸濾波器組, 每個耳蝸濾波器帶寬(equivalent rectangular bandwidth, ERB)描述為

式中:f表示高頻;f表示低頻。

濾波器組任意頻段的中心頻率為

第2階段的內毛細胞通過半波整流對信號進行簡化。根據文獻[3], 第3階段的低通濾波器截止頻率為3 kHz。本文低通濾波器采用截止頻率為3 kHz的FIR濾波器得到信號包絡。第4階段對處理后的發射和回波信號進行互相關來實現。關于目標的距離信息可通過上述4個階段獲取。

3 仿真結果及分析

根據仿生處理模型, 首先確定耳蝸濾波器組, 為了獲得較好的濾波效果, 取步長因子為0.5, 由式(9)可計算出要23個濾波器對信號進行濾波, 各濾波器帶寬隨中心頻率變化趨勢見圖5。

圖5 帶寬隨中心頻率變化曲線

假設目標相距發射信號源4 m且有相對運動, 針對第1節中所述仿生諧波信號, 設定虛警概率為0.1%, 采用仿生處理模型分別對LFM信號和LTFM信號進行10 000次蒙特卡羅試驗得到檢測性能曲線如圖6所示。從圖中可以看出, LTFM仿生信號在-9dB時檢測概率達到100%, LFM仿生信號在-7dB時檢測概率達到100%。

圖6 2種仿生信號的檢測性能曲線

在不同信噪比下用仿生處理模型分別對LFM仿生信號和LTFM仿生信號采用10 000次蒙特卡羅試驗得到目標距離估計平均值和均方根誤差如圖7和圖8所示。

圖7采用仿生處理模型, LTFM仿生信號在-10 dB, 而LFM信號在-8 dB能對目標距離進行估計。從圖8中得到, LTFM仿生信號在-7 dB距離估計的均方根誤差達到0, LFM仿生信號-5 dB距離估計的均方根誤差達到0。從圖6~圖8可看出, 仿生處理模型采用LTFM仿生信號的檢測和參量估計性能優于LFM仿生信號。

圖7 不同信噪比下2種仿生信號的距離估計

圖8 不同信噪比下2種仿生調頻信號距離估計均方根誤差

4 結束語

本文針對仿生信號利用仿生技術開展目標檢測與參數估計的方法研究, 以空氣中蝙蝠聲波頻段為例對LFM和LTFM諧波信號模糊度圖進行分析。研究表明, LTFM信號具有較好的時延分辨性能。采用模擬蝙蝠聽覺系統的仿生處理模型方法對回聲信號進行檢測和參量估計, 仿真結果表明, 仿生處理模型運用LTFM諧波信號具有更好的檢測和參量估計性能。作者同時采用類比的方法針對魚雷自導系統開展了進一步研究。研究表明, 運用仿生處理方法將放聲信號應用于水下信號處理中有效且可行, 其研究結果將另文給出。

[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, 張海. 線性調頻信號的仿生處理模型[J]. 系統仿真學報, 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.

國家自然科學基金(61201322), 西北工業大學基礎研究基金(JC20110207).

賈 寧(1986-), 女, 在讀碩士, 研究方向為信號與信息處理.

(責任編輯: 楊力軍)