仿生MEMS声定位传感器的设计与仿真

针对目前声定位采用声传感器阵列所带来的系统结构复杂、体积较大的缺点,以奥米亚寄生蝇的听觉系统为仿生模型,详细分析了其生物学模型,并利用MATLAB对其力学模型进了仿真分析。结合仿生学,设计了一种新型MEMS声定位传感器。利用ANSYS对该传感器进行了声-结构耦合分析,分析得出,该传感器能够敏感声源入射角的变化,在声源频率为2597 Hz,在入射角在0-180°变化时,传感器两薄片的振动强度差的变化范围为-6.17 dB至5.8 dB。

基于奥米亚棕蝇定位机理的仿生耦合处理系统

考虑超短基线的奥米亚棕蝇能精确地定位其寄主声源,建立了基于奥米亚棕蝇的仿生耦合处理系统以提高小型化测向设备的性能。依据奥米亚棕蝇听觉耦合结构的力学模型,计算听觉结构振动的时域响应、频域响应和响应的相位差,构建了仿生耦合处理系统的模型。分析了仿生耦合处理系统的性能,结果显示:通过设置合适的耦合参数,该系统可处理任意频段的信号,有效地增强信号间的相位差,理想条件下相位差可被放大18倍左右。针对确定的耦合参数,系统存在唯一的最敏感频率和最敏感入射角,即当信号频率等于最敏感频率时,耦合处理后的响应相位差可以达到180°;当以最敏感入射角入射时,响应相位差的变化率最大。该仿生耦合处理系统可采用两种体制测量方向:即依据测量的耦合相位差直接测向和在最敏感频率和最敏感入射角概念的基础上利用基线旋转实现测向。文中的分析结果为仿生耦合处理系统的应用提供了理论基础。

基于奥米亚寄生蝇的三维声定位MEMS器件设计

为进一步减小声定位器件尺寸、提高测量精度,我们提出了一种微型仿生三维声定位传感器,利用MALAB对该听觉模型进行了分析,结合ANSYS进行了器件的设计与仿真。仿真结果表明:该传感器很好的实现了耦合放大机制,对于244 Hz的声波,入射角度在XZ平面内从90゜变化至0゜时,振幅值比从1变化至3.11,时延从0变化至45μs,YZ平面内,振幅值比从1变化至2.85,时延从0变化至43μs。

寄生蝇声源定位机制分析

奥米亚棕蝇尺寸微小,其两耳间距与寄主声音信号的波长极不匹配,却能在极短的时间内利用双耳接收的声音信号对其寄主声源实现精确定位,针对奥米亚棕蝇的惊人定位能力展开研究,分析其定位机制。在奥米亚棕蝇听觉系统力学模型的基础上,建立其数学模型,求解其频域响应,并利用模态分解方法求解两侧鼓膜的时域瞬时响应。通过理论计算和仿真分析了两鼓膜的振动特性,仿真结果表明,奥米亚棕蝇的定位能力要归功于其独特的耦合听觉结构,该结构能放大双耳接收声音信号的强度差和时间差、且随着入射角的变化而变化,从而实现了极短基线的高精度定位。

基于奥米亚棕蝇的测向天线阵列研究

目前的测向技术主要是采用天线阵列来接收信号,通过对接收到的信号进行后处理从而对目标实现测向。为了保证测向精度,天线阵元间需保持较大的间距,使得测向系统尺寸较大、集成度较低。奥米亚棕蝇(Ormia ochracea)听觉系统尺寸微小,能通过其双耳的耦合构造对微小的差异进行有效的放大进而实现寄主声源定位。将奥米亚棕蝇听觉系统的耦合结构引入到常规的测向天线阵,以便在天线间距很小时,放大天线接收信号的相位差,实现高精度的测向。设计适合的耦合网络,设置合理的参数,对不同频率、不同角度的入射波进行仿真,仿真结果表明,这种基于外部耦合网络的天线阵列在天线间距较小时能实现接收信号相位差的放大,验证了耦合网络的有效性。与传统的测向阵列相比,该测向结构具有微型化和集成化的特点。

一种仿生技术用于小尺度阵列测向的可行性分析

为实现远距离探测,阵列孔径往往十分庞大,严重影响系统机动性和隐蔽性。奥米亚棕蝇双耳间距非常小,但却可以对其寄主实现高精度定位,研究表明此特性主要归功于其双耳之间的一种特殊耦合结构。将此耦合结构运用于阵列测向系统,可以在保证测向精度和空间分辨力的前提下,大大缩小阵列孔径。通过仿真分析了此仿生技术在小尺度阵列测向系统中使用的可行性,分析结果表明此技术在阵列测向系统小型化方面具有较大的潜力。

仿奥米亚棕蝇的小型短波天线阵测向算法

根据奥米亚棕蝇(Ormia ochracea)的耦合听觉系统放大两耳信号相位差的机制,提出将奥米亚棕蝇耦合听觉系统运用于小型天线阵列的测向中.通过调整天线的导向矢量,放大包含来波信号到达角信息的不同通道接收信号间的相位差,再利用多重信号分类(MUSIC)算法进行测向.利用垂直放置的二元单极子交叉环阵列进行仿真实验,结果表明:利用奥米亚棕蝇耦合系统的MUSIC算法估角具有更高的估角精度,10 dB信噪比条件下估角均方根误差相对传统MUSIC算法估角降低了2°,估角精度提升了约55%,验证了该方法应用于小型天线阵列测向的可行性.