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计算神经科学在生物声纳中的应用

计算神经科学在生物声纳中的应用

作者：张海浪浙江大学

学位级别：硕士

在海洋开发和反潜战的需求这两个巨大动力的推动下，进入21世纪的声纳技术面临了机遇和挑战。相关和临近学科又不断产生一些新的概念，这些课题是不胜枚举的，于是越来越多的人开始研究生物声纳系统。本文基于神经计算的方法来模拟研究... 详细信息

在海洋开发和反潜战的需求这两个巨大动力的推动下，进入21世纪的声纳技术面临了机遇和挑战。相关和临近学科又不断产生一些新的概念，这些课题是不胜枚举的，于是越来越多的人开始研究生物声纳系统。本文基于神经计算的方法来模拟研究生物声纳，用神经元为基础，基于单个神经元编码原理以脉冲信号代表外界信息输入神经元来得到输出脉冲序列的符号序列。再用输出脉冲序列的符号序列来表征外界信息，得到输出脉冲时间发放模式与外界信息的对应关系，达到信息识别的目的。以上方法基于圆映射和序空间这两个理论。基于上述方法和理论依据，本文用计算机模拟的方法来研究生物声纳的各种功能，包括回声定位、多普勒效应、测量目标角速度以及生物声纳除噪。其中回声定位基于两耳时间差原理把目标定位在与某一时间差相对应的双曲线上，通过分析输出脉冲符号序列与两耳时间差的关系得到定位的机制。多普勒效应处理基于回收声波频率和目标相对运动速度大小相关的原理研究回收声波频率大小与输出符号序列大小之间的关系，从而得到生物声纳判断目标相对运动速度的机理。在测量目标角速度中，基于目标角速度与两耳频率差成很好的线性关系原理，用两耳频率差表征目标角速度，研究输出符号序列与两耳频率差大小的关系，得到符号序列大小与目标角速度大小的关系以得出测量目标角速度的原理。本文在除噪部分把噪声分成内部噪声、和外部噪声两类分别进行了讨论，得出了生物声纳中除噪的几种可能机制。

关键词：生物声纳脉冲神经网络 HH方程回声定位多普勒效应

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新型生物声纳探测装置的设计与优化

新型生物声纳探测装置的设计与优化

作者：符涛涛南京理工大学

学位级别：硕士

从仿生学角度出发,利用现代电子科学技术研究设计了一套新型生物声纳探测装置,该设计主要应用于盲人,第一章绪论中主要展开了对国内外助盲探测装置的调研,但是其也可以应用于其他领域。基于国家自然科学基金(编号：60772004),提出了种... 详细信息

从仿生学角度出发,利用现代电子科学技术研究设计了一套新型生物声纳探测装置,该设计主要应用于盲人,第一章绪论中主要展开了对国内外助盲探测装置的调研,但是其也可以应用于其他领域。基于国家自然科学基金(编号：60772004),提出了种仿蝙蝠的新型生物声纳探测装置,通过发射仿蝙蝠生物声纳信号,可以探测到前方不明物体的距离信息、方位信息、形状信息等。首先研究和分析了生物声纳的原理,蝙蝠通过发射声纳信号获取对物体比较精准的的位置信息和形状信息等,经过对此类信息的分析处理后成功躲避障碍物和捕获猎物。正是基于这种原理,设计的探测装置主要包括两大部分,第一部分是声纳头部分,由驱动电路和三个超声波换能器组成,主要是实现仿生声纳信号的前端发射和前端采集功能。第二部分是所设计的核心,该部分主要分为三大模块,基于FPGA的主控模块、基于DSP6000的数据处理模块和电源模块。基于FPGA主控模块外接数模转换器,与声纳头部分中的一个超声波换能器相连实现仿生声纳信号的发射,外接模数转换器与另外两个超声波换能器相连完成对回波信号的采集,经过预处理后通过在其内部构造的FIFO实现与DSP6000处理模块的高速数据交换。DSP6000处理模块对数据加以提取、重构和降频的算法处理,最终以音频的形式输出给使用者,警示使用者对前方不明物体信息的把握。同时DSP6000处理模块引入了对视频信息采集的功能,因此该系统可以通过对软件的升级来实现对一维音频信号和二维图形信息的处理,可以通过对音频和图形信息的比对最大程度上帮助使用者获取周边信息。设计制作的新型生物声纳探测装置经过实验测试,信噪比较高,探测距离、探测角度较理想,经过对控制器和处理器的分离,提升了系统的整体性能,不仅拥有对内部各器件强大的控制协调能力,还拥有强大的数据传输和处理能力。与市场上现有助盲探测装置相比,其性能得到提升。研究结果对生物声纳探测技术研究具有一定的参考意义。

关键词： FPGA DSP 生物声纳探测

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一种新型生物声纳导盲仪的研究与开发

一种新型生物声纳导盲仪的研究与开发

作者：王猛南京理工大学

学位级别：硕士

关心和帮助盲人是社会文明进步的重要标志,利用仿生原理开发一种实用、低廉、便携导盲器材是帮助盲人的新的技术手段。本文基于国家自然科学基金研究（编号：60772004）,针对目前超声波导盲器材提供的信息量少、价格昂贵等问题,提出了... 详细信息

关心和帮助盲人是社会文明进步的重要标志,利用仿生原理开发一种实用、低廉、便携导盲器材是帮助盲人的新的技术手段。本文基于国家自然科学基金研究（编号：60772004）,针对目前超声波导盲器材提供的信息量少、价格昂贵等问题,提出了一种新型的仿蝙蝠声纳导盲仪,该导盲仪吸收了蝙蝠声纳的优点,对物体的距离、方位、大小、形状等均有较好的体现。本文分析了蝙蝠声纳的基本特征,论证并设计了以DSP为核心、双通道采集、立体声输出方案,制作原理样机并开展了相关试验。首先,在分析蝙蝠声纳脉冲特点的基础上,模拟蝙蝠声纳脉冲的基本形式,设计了恒频（CF）和调频（FM）两种探测波源;然后针对回波信号降频输出的问题,提出了等比例降频方法,并使用信号重构的方法解决了等比例降频方法中有效信号频率集中、播放时间短两个关键问题,保留了有效信号的幅值变化,提高了不同物体的回波信号特征的区分度;此外,还设计并制作了声纳导盲仪的全套软硬件,包括回波信号发射接收模块、DSP主控模块、音频DA输出模块、电源模块、波源数据产生与输出程序、双路回波信号采集程序、音频信号输出程序、信号重构算法程序、键盘功能程序等。本论文设计制作的声纳导盲仪经测试表明：信噪比较高、探测距离可达8m、探测广角约为34°、探测物体分辨度可达1.5cm。与现有装置最大的区别是该装置对物体的距离、方位、形状等特征均有较好的复现能力,具备了较好的导盲潜力。由于本研究处于该研究领域的前沿,其研究结果对导盲技术和生物声纳技术研究具有参考意义。

关键词：生物声纳导盲器材 DSP 降频处理信号重构

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基于移动平台的生物声纳系统目标探测研究

基于移动平台的生物声纳系统目标探测研究

作者：章鹏南京理工大学

学位级别：硕士

在空气环境中蝙蝠能够利用它们的生物声纳系统实现超声波回声定位,具体表现为通过发射超声波声纳脉冲,利用从物体反射回来的回波来进行捕食或者导航。本文为研究蝙蝠的生物声纳回声定位机理,设计完成了一套基于移动平台的生物声纳系统,... 详细信息

在空气环境中蝙蝠能够利用它们的生物声纳系统实现超声波回声定位,具体表现为通过发射超声波声纳脉冲,利用从物体反射回来的回波来进行捕食或者导航。本文为研究蝙蝠的生物声纳回声定位机理,设计完成了一套基于移动平台的生物声纳系统,并通过该系统进行了仿生生物声纳目标探测识别的探索性研究。首先本文根据模仿蝙蝠生物声纳的功能的要求完成了生物声纳系统的硬件设计和软件设计。硬件包括根据生物声纳特性确定系统硬件组成,完成超声波换能器选型、发射端信号调理电路和接收端信号调理电路的设计制作、电源模块电路的设计制作、系统信噪比改善、声纳头“嘴巴”转动控制的电机选用和控制器硬件电路设计制作。软件设计包括声纳发射脉冲的软件实现、回波信号接收的软件实现、声纳头“嘴巴”转动控制的上位机与下位机软件设计。在基于移动平台的生物声纳系统研制的基础上,研究利用该系统进行了仿生生物声纳目标探测识别的探索性研究。具体研究内容包括：根据蝙蝠的自然声纳探测策略设计了适用于本文移动平台的生物声纳探测策略;利用数字信号处理技术模仿动物听觉模型对回波信号预处理,包括Gammatone带通滤波、半波整流、低通滤波算法;利用间接水下目标定位方法对大足鼠耳蝠捕鱼机理展开了探索性研究,成功捕捉到鱼的游动轨迹,并根据误差传递函数得出在现有探测策略和算法下的定位误差;采用归一化互相关算法对模板和待匹配样本的二维声纳回波图像进行相似度判断,在本文设定的探测策略下开始了对复杂反射面植物目标的成功识别。

关键词：仿生生物声纳探测策略回波信号预处理目标定位识别

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蝙蝠生物声纳声场波束的本征分析

蝙蝠生物声纳声场波束的本征分析

作者：颜振山东大学

学位级别：硕士

本文通过研究运用数值模拟方法得到的蝙蝠耳瓣声场波束方向图,通过分析不同蝙蝠声场波束的共性及特性,在全局的角度细致探讨蝙蝠生物声纳声场波束形成的特点。为提高信号的信噪比,保证信号传输过程中的可靠性,智能天线技术成为近年... 详细信息

本文通过研究运用数值模拟方法得到的蝙蝠耳瓣声场波束方向图,通过分析不同蝙蝠声场波束的共性及特性,在全局的角度细致探讨蝙蝠生物声纳声场波束形成的特点。为提高信号的信噪比,保证信号传输过程中的可靠性,智能天线技术成为近年移动通信领域中的一个研究热点。而波束形成是智能天线中的关键技术之一现在智能天线一般通过阵列天线的相位调制,进行声场波束的调制。而蝙蝠的耳瓣仅通过单个天线对声音的反射,即达到声场形成的目的,这为设计新型智能天线提供了一个非常好的依据。但蝙蝠耳瓣在形态上千差万别,如何选取具有特定功能的形状是非常重要的一个课题。这首先需要对蝙蝠声场波束进行分析,得到本征波束以及人工合成特定声场波束的方法,在分析本征声场波束与外耳形态的对应关系后,最终达到设计新型智能天线日的。蝙蝠外耳的复杂结构是蝙蝠调解波束的重要手段。由于其过于复杂,通过蝙蝠外耳形状得到声场解析解不太可能。但通过数值模拟可以得到近场声压数值解,进而得到声场波束远场方向图。本项研究选取了50种蝙蝠分别计算其外耳在其所用频率下的声场波束。由于很多蝙蝠属于变频（FM）蝙蝠,所用频率属于宽带,每种蝙蝠我们在其发声范围选取步长相等的十个频率进行计算。在进行声场指向调整,球面小波压缩后,运用主成分分析的方法求得蝙蝠声纳平均波束以及本征波束。通过改变本征波束权重对声场波束的影响,分析本征波束的物理意义。根据不同蝙蝠声场波束在本征波束空间中的分布特点,分析蝙蝠生物声纳功能特性的一般特点,在声场波束形成这一功能性方面分析生物声纳波束形成的一般规律。并在平均声场的基础上加上不同权重的本征声场合成人工声场波束。解决声场波束形成问题。从平均声场波束来看,蝙蝠平均声场波束为单一指向的简单结构,随频率增加伴有轻微收束现象,而随频率增加的收束是所有天线系统的共有特性。根据平均声场波束叠加不同权重的本征波束得到的变化规律。研究发现,第一本征波束代表波束宽度,即第一本征波束权重增大将导致波束宽度变宽。第二本征波束代表旁瓣大小及收束特性,即第二本征波束权重越大,旁瓣越大,随频率增大的收束现象越明显,当第二本征波束为负值时,不表现这些特性。由不同蝙蝠声场波束在本征波束空间中的分布,得到蝙蝠根据声纳信号分类出现聚集性的特点。根据在本征空间中,距离远近表示其相似性程度,以及第一本征波束的物理意义,得到恒频蝙蝠波束宽度较窄,聚集程度较高,调频蝙蝠波束宽度较宽,聚集程度较低,具有多样性的特点。将本征声场波束根据不同权重系数并与平均声场波束进行叠加,即可产生特点形状的波束。也可设计特定形状波束,与本征声场波束内积得到其权重系数。如下一步计算得到本征波束与本征外耳形态的对应关系,即可用于设计具有特定声场波束的天线。

关键词：蝙蝠生物声纳波束形成本征分析小波分解

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生物声纳探测机器人机械手关节控制设计

机械制造与自动化 2013年第4期42卷 160-163页

作者：王茂森伍亚冰张兰兰南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

生物声纳探测仪在目标感知和识别的过程中,需要灵活的运动控制来采集目标在三维空间内的离散特征。针对生物声纳自然探测的运动需求和全地形机器人行走控制过程较复杂的特点,采用了机械手控制实现生物声纳探测仪的空间运动扫描。介绍了... 详细信息

生物声纳探测仪在目标感知和识别的过程中,需要灵活的运动控制来采集目标在三维空间内的离散特征。针对生物声纳自然探测的运动需求和全地形机器人行走控制过程较复杂的特点,采用了机械手控制实现生物声纳探测仪的空间运动扫描。介绍了生物声纳探测方法,给出了机械手连杆坐标系和控制系统结构方案。提出了以STM32F103为微控制器的全地形机器人的机械手关节控制系统,并引入了模糊PI位置伺服控制策略,实现了对全地形机器人关节的实时精确控制。仿真结果验证了模糊PI位置伺服控制系统的可行性。

关键词：生物声纳全地形机器人机械手关节控制位置伺服控制系统

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蝙蝠的生物声纳和神经计算

科学（中文版） 1990年第10期 16-24页

作者： Suga,N 周世英

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生物声纳技术有望用于机器人

企业技术开发 2010年第11期 64-64页

一直以来蝙蝠都被认为具有非凡的能力,能通过自己的回声"看到"黑暗中的物体,分辨出前方究竟是天敌、食物还是障碍物。英国研究人员正试图将这种生物声纳系统应用到机器人中,使其产生"机器视觉概念",识别出周围物体的形状。相关论文发表... 详细信息

一直以来蝙蝠都被认为具有非凡的能力,能通过自己的回声"看到"黑暗中的物体,分辨出前方究竟是天敌、食物还是障碍物。英国研究人员正试图将这种生物声纳系统应用到机器人中,使其产生"机器视觉概念",识别出周围物体的形状。相关论文发表在近日出版的《生物灵感和仿生学》杂志上。

关键词：机器人食物人工智能生物声纳蝙蝠机器视觉计算机视觉回声反射声仿生学生物物理学论文发表

双耳幅值差确定声源方向的神经信息处理机理研究

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物理学报 2015年第18期64卷 470-476页

作者：张宏丁炯童勤业程千流浙江大学生物医学工程系杭州310027 浙江大学、生物医学工程教育部重点实验室杭州310027 中国计量学院计测工程学院工业与商贸计量技术研究所杭州310018 中国船舶重工集团公司第715研究所声纳技术重点实验室杭州310023

神经信息系统实质上是定量系统,应引起足够重视.关于神经系统的定量研究方面的报道比较少见.这一问题将会影响进一步的研究,如双耳声音定向.双耳定向是定量测量,用定性分析的方法无法满足要求.已有的生理实验发现声音输入信号强度与听... 详细信息

神经信息系统实质上是定量系统,应引起足够重视.关于神经系统的定量研究方面的报道比较少见.这一问题将会影响进一步的研究,如双耳声音定向.双耳定向是定量测量,用定性分析的方法无法满足要求.已有的生理实验发现声音输入信号强度与听觉神经的输出频率存在单调递增关系,所以本文中声音强度的变化被简化成神经脉冲频率的变化.本文基于圆映射和符号动力学原理,建立了神经回路定量模型,模型中对同侧输入回路采用兴奋性耦合,对侧输入回路采用抑制性耦合,并考虑神经元间突触连接的量子释放特征,采用化学耦合模型实现连接,用耦合系数表示神经元间的耦合程度.采用Hodgkin-Huxley模型仿真研究听觉神经回路的输入/输出脉冲序列关系.在已经仿真过的参数范围,模型在输入信号变化与输出脉冲频率变化间存在单调递增/递减的关系.对于单输入单输出的神经元,采用符号动力学方法进行符号化;对于多输入单输出的神经元,采用分析各输出脉冲的产生时间,判断其变化位置,从神经脉冲序列中得到对应的两耳声音幅值差变化,以此定位声源.随着输出脉冲数的增加,符号序列的长度增加,符号序列对输入信号变化敏感,能够得到较高的测量精度.仿真结果表明这个模型是定量的,神经脉冲序列能够区分信号的大小.

关键词：生物声纳双耳幅值差圆映射符号动力学

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