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Frequency and Energy Difference Detection of Dolphin Biosonar Signals Using a Decomposition Algorithm
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作者 Mark W. Muller 《Open Journal of Acoustics》 2016年第1期1-12,共12页
A set of dolphin echolocation signals previously collected from an Atlantic bottlenose dolphin in Kaneohe Bay, Hawai’i are decomposed using a matching pursuit algorithm to further investigate the role of four types o... A set of dolphin echolocation signals previously collected from an Atlantic bottlenose dolphin in Kaneohe Bay, Hawai’i are decomposed using a matching pursuit algorithm to further investigate the role of four types of echolocation signals outlined elsewhere [1]. The method decomposes the echolocation signals into optimal linear expansions of waveforms, which are Gabor functions defined in a dictionary. The method allows for study of the changes in frequency content within a dolphin’s functional bandwidth during discrimination tasks. We investigate the role of the functional bandwidth in terms of the signal energy levels and echolocations task performance. Furthermore, ROC analysis is applied to the relative energies of the matched waveforms to determine probability of discrimination. The results suggest that dolphins may discriminate by inspection of the relevant frequency differences between targets. In addition, the results from the ROC analysis provides insight into the role of the different classes of dolphin signals and of the importance of modification of the outgoing echolocation clicks, which may be fundamental to a dolphin’s ability to identify and discriminate targets. 展开更多
关键词 DOLPHIN biosonar DETECTION DISCRIMINATION DECOMPOSITION
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Adaptive mechanisms underlying the bat biosonar behavior
2
作者 Philip H.-S.JEN 《Frontiers in Biology》 CSCD 2010年第2期128-155,共28页
For survival,bats of the suborder Microchiropetra emit intense ultrasonic pulses and analyze the weak returning echoes to extract the direction,distance,velocity,size,and shape of the prey.Although these bats and othe... For survival,bats of the suborder Microchiropetra emit intense ultrasonic pulses and analyze the weak returning echoes to extract the direction,distance,velocity,size,and shape of the prey.Although these bats and other mammals share the common layout of the auditory pathway and sound coding mechanism,they have highly developed auditory systems to process biologically relevant pulses at the expense of a reduced visual system.During this active biosonar behavior,they progressively shorten the pulse duration,decrease the amplitude and pulse-echo gap as they search,approach and finally intercept the prey.Presumably,these changes in multiple pulse parameters throughout the entire course of hunting enable them to extract maximal information about localized prey from the returning echoes.To hunt successfully,the auditory system of these bats must be less sensitive to intense emitted pulses but highly sensitive to weak returning echoes.They also need to recognize and differentiate the echoes of their emitted pulses from echoes of pulses emitted by other conspecifics.Past studies have shown the following mechanical and neural adaptive mechanisms underlying the successful bat biosonar behavior:(1)Forward orienting and highly mobile pinnae for effective scanning,signal reception,sound pressure transformation and mobile auditory sensitivity;(2)Avoiding and detecting moving targets more successfully than stationary ones;(3)Coordinated activity of highly developed laryngeal and middle ear muscles during pulse emission and reception;(4)Mechanical and neural attenuation of intense emitted pulses to prepare for better reception of weak returning echoes;(5)Increasing pulse repetition rate to improve multiple-parametric selectivity to echoes;(6)Dynamic variation of duration selectivity and recovery cycle of auditory neurons with hunting phase for better echo analysis;(7)Maximal multiple-parametric selectivity to expected echoes returning within a time window after pulse emission;(8)Pulse-echo delaysensitive neurons in higher auditory centers for echo ranging;(9)Corticofugal modulation to improve on-going multiple-parametric signal processing and reorganize signal representation,and(10)A large area of the superior colliculus,pontine nuclei and cerebellum that is sensitive to sound for sensori-motor integration.All these adaptive mechanisms facilitate the bat to effectively extract prey features for successful hunting. 展开更多
关键词 adaptive mechanisms bat biosonar BEHAVIOR
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利用残差网络分析普氏蹄蝠耳朵对恒频声源定向的影响 被引量:2
3
作者 杨璐慧 杨蕊 +1 位作者 张留军 庄桥 《声学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期406-414,共9页
为研究恒频蝙蝠耳朵与空间定位的关系,利用深度学习算法和仿蝙蝠静态双耳接收器,分析蝙蝠耳朵对恒频声源定向的影响。首先根据普氏蹄蝠耳朵模型设计不同双耳夹角和间距的仿生双耳接收器,并从多个空间方位采集声源发射的不同频率的恒频... 为研究恒频蝙蝠耳朵与空间定位的关系,利用深度学习算法和仿蝙蝠静态双耳接收器,分析蝙蝠耳朵对恒频声源定向的影响。首先根据普氏蹄蝠耳朵模型设计不同双耳夹角和间距的仿生双耳接收器,并从多个空间方位采集声源发射的不同频率的恒频声呐信号,然后提取双耳同步采集信号的时频图并归一化作为输入特征,最后利用残差网络实现声源定向。实验结果表明,静态双耳接收器对恒频声源的定向误差平均值基本保持在3.5°以下,但高于动态单耳接收器的定向误差;定向精度与声源频率及声源所在空间方位有关,声源位于接收器水平方向±30°范围内时,定向精度相对较高;双耳夹角和间距也会影响定向精度,且前者影响较为显著。 展开更多
关键词 蝙蝠声呐 耳朵 声源定向 残差网络
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利用生物声纳中双耳多普勒效应探讨定量神经编码
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作者 钱鸣奇 覃曦 +2 位作者 刘淑芳 张宏 童勤业 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第2期195-200,共6页
为了探讨不稳定的生物神经系统检测变化信号的方法,以及变化信号与神经系统输出脉冲的定量关系,本研究基于神经元模型(H-H方程),用计算机仿真研究生物声纳对双耳多普勒效应的处理机制。双耳多普勒效应差可以确定运动物体的运动方向,由... 为了探讨不稳定的生物神经系统检测变化信号的方法,以及变化信号与神经系统输出脉冲的定量关系,本研究基于神经元模型(H-H方程),用计算机仿真研究生物声纳对双耳多普勒效应的处理机制。双耳多普勒效应差可以确定运动物体的运动方向,由于双耳检测到的频率差别非常小,因此神经系统必须具有很高的信号分辨能力。本研究的仿真分析结果,证明神经系统存在高灵敏地区分多普勒信号的可能性,讨论了神经系统实现"定量"处理的可能性。 展开更多
关键词 多普勒效应 生物声纳 神经编码 序空间 圆映射
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双耳幅值差确定声源方向的神经信息处理机理研究
5
作者 张宏 丁炯 +1 位作者 童勤业 程千流 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第18期470-476,共7页
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... 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. 展开更多
关键词 生物声纳 双耳幅值差 圆映射 符号动力学
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生物声纳探测机器人机械手关节控制设计
6
作者 王茂森 伍亚冰 张兰兰 《机械制造与自动化》 2013年第4期160-163,共4页
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。 展开更多
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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齿鲸生物声呐发射特性与波束调控研究 被引量:2
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作者 宋忠长 张宇 +2 位作者 魏翀 杨武夷 徐晓辉 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第15期169-180,共12页
齿鲸生物经过长期自然选择,进化出小巧、灵敏、高效的声呐系统.齿鲸生物声呐研究涉及海洋物理、声学、生物学、仿生学和信息学等学科,对于生物仿生、水声声呐、信号处理、水下探测与通信等领域具有参考价值.本文从声呐系统解剖结构、声... 齿鲸生物经过长期自然选择,进化出小巧、灵敏、高效的声呐系统.齿鲸生物声呐研究涉及海洋物理、声学、生物学、仿生学和信息学等学科,对于生物仿生、水声声呐、信号处理、水下探测与通信等领域具有参考价值.本文从声呐系统解剖结构、声呐信号与声呐波束调控三方面出发介绍齿鲸声呐发射系统.首先,介绍如何利用计算机断层扫描成像与超声测量技术重建齿鲸声呐发射系统的高精度三维结构,获取其声速、密度分布,为声呐系统的功能研究建立基础.随后,探究声呐系统发出的声信号的特性,研究声信号与生物行为之间的联系.最后,参考齿鲸生物声呐解剖结构与声呐信号特性建立数值模型研究声发射系统的气质结构、软组织结构和骨质结构组成的声学多相介质对声波传播的控制作用.齿鲸生物能利用其声呐信号的多样性与声呐发射系统结构的复杂特性动态调整声波传播与波束形成.探究齿鲸生物声呐工作原理能加深对生物多相介质中的声传播过程的理解,有望为水下仿生声探测与感知技术的发展提供新思路. 展开更多
关键词 齿鲸 回声定位 生物声呐 发声物理机理
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齿鲸生物声呐目标探测研究综述 被引量:1
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作者 宋忠长 张金虎 +2 位作者 冯文 杨武夷 张宇 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第15期1-12,共12页
齿鲸依靠其天然的声呐系统进行水下目标探测.齿鲸通过前额的声发射系统发出超声脉冲,经声阻抗各异的声学结构调控形成波束,作用于目标,利用下颌区域的多相声接收通道接收目标回波.齿鲸通过分析目标回波中蕴含的时域、频域与能量等多维... 齿鲸依靠其天然的声呐系统进行水下目标探测.齿鲸通过前额的声发射系统发出超声脉冲,经声阻抗各异的声学结构调控形成波束,作用于目标,利用下颌区域的多相声接收通道接收目标回波.齿鲸通过分析目标回波中蕴含的时域、频域与能量等多维度信息,并进行非线性组合,实现目标探测与辨别.齿鲸目标探测过程蕴藏复杂的物理机理.本文以目标探测实验测量、目标回波散射分析与仿齿鲸声呐系统为出发点,回溯齿鲸声呐目标探测的相关研究.齿鲸在目标探测过程中,会根据目标强度、回波的时频信息,自适应调整其声发射脉冲频率、发射系统几何形态,实现高效探测,是优越的水声探测系统.参考齿鲸声呐设计人工探测系统可获取多维度的声场信息,与生物实验测量相辅相成,加深对生物多相介质中的声发射与声接收过程的理解,丰富齿鲸目标探测物理机理认知,为人工仿生声探测技术的发展与仿生水下装置设计提供新参考. 展开更多
关键词 生物声呐 目标探测 水声探测 齿鲸
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动物声通信的非线性频率—重量标度特性
9
作者 杨帅 张宇 王睿卿 《南京大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2015年第S1期112-115,共4页
自然选择使不同的动物使用不同的声音频率进行交流,动物根据自身的条件和最佳的声音传播距离选择最优发声频率.本文考虑发声频率f和声门下压P之间的非线性关系,采用被动生物声呐理论和离体喉实验,对预测动物发声频率标度特性进行优化.... 自然选择使不同的动物使用不同的声音频率进行交流,动物根据自身的条件和最佳的声音传播距离选择最优发声频率.本文考虑发声频率f和声门下压P之间的非线性关系,采用被动生物声呐理论和离体喉实验,对预测动物发声频率标度特性进行优化.分别对声门下压为10cm H_2O到31cm H_2O之间的发声频率进行线性拟合,声门下压为10cm H_2O到49cm H_2O之间的发声频率进行非线性拟合(拟合优度分别为R2=0.98、R2=0.99).结果显示,考虑声门下压和发声频率之间的非线性关系,得到动物发声最优频率和体重的0.67次幂呈反比. 展开更多
关键词 非线性 声门下压 发声频率 被动生物声呐 离体喉
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白鳍豚超声波束形成的流固耦合机理
10
作者 宋忠长 张宇 魏翀 《南京大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2015年第6期1240-1246,共7页
研究了无指向性点声源在白鳍豚生物头部声呐系统作用下形成的声场.与传统鲸豚仿生声呐模拟中将上颌骨当作流体的模型不同,本文顾及到实际白鳍豚上颌骨的固体性质,利用流固耦合模型在仿真模拟中同时考虑了上颌骨的压力波与剪切波,并在此... 研究了无指向性点声源在白鳍豚生物头部声呐系统作用下形成的声场.与传统鲸豚仿生声呐模拟中将上颌骨当作流体的模型不同,本文顾及到实际白鳍豚上颌骨的固体性质,利用流固耦合模型在仿真模拟中同时考虑了上颌骨的压力波与剪切波,并在此基础上对比了流固耦合模型下和流体模型下的白鳍豚产生的声场.结果表明,在流固耦合模型中,白鳍豚的上颌骨中存在沿着上颌骨界面传播的固体声波,而流体模型中的上颌骨则没有观察到固体声波,且固体声波的传播特点随着频率变化和上颌骨厚度变化都会发生变化.这些表明,白鳍豚生物声呐系统中上颌骨除了被广为接受的反射作用外,还起着引导产生固体表面波的作用.此外,两种模型的主瓣角和-3分贝带宽的频响特性表明剪切波的存在不会对这两项声场参数造成太大影响.这些对了解上颌骨等骨质结构在声波波束形成过程中的作用具有参考意义,为今后鲸豚仿真模拟以及生物声呐设计提供了一定的参考. 展开更多
关键词 白鳍豚 生物声呐 声波 流固耦合
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普氏蹄蝠声呐脉冲序列与结构形变的模式匹配
11
作者 刘彦茗 张舒心 杨璐慧 《声学技术》 CSCD 北大核心 2021年第2期269-274,共6页
普氏蹄蝠的声呐系统具有显著的动态特性,包括声呐结构的动态形变(鼻叶运动、耳廓运动)和超声脉冲序列的动态调整(脉冲数目、激发时刻等)。为了研究这两种动态特性之间是否存在耦合关系,通过生物实验同步采集普氏蹄蝠的鼻叶运动、耳廓运... 普氏蹄蝠的声呐系统具有显著的动态特性,包括声呐结构的动态形变(鼻叶运动、耳廓运动)和超声脉冲序列的动态调整(脉冲数目、激发时刻等)。为了研究这两种动态特性之间是否存在耦合关系,通过生物实验同步采集普氏蹄蝠的鼻叶运动、耳廓运动和声呐脉冲序列;针对出现频率较高的两种鼻叶/耳廓耦合运动模式,利用神经脉冲模式分类方法(Spike train SIMilarity Space,SSIMS),对其同步的声呐脉冲序列进行分类。分析结果表明,普氏蹄蝠声呐脉冲序列的变化与其声呐系统结构的动态形变相匹配,即不同鼻叶/耳廓耦合运动模式对应不同脉冲数目和脉冲激发时刻的声呐脉冲序列。 展开更多
关键词 普氏蹄蝠 鼻叶/耳廓运动 生物声呐脉冲序列 脉冲模式分类
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蝙蝠听觉神经系统如何在复杂环境中识别昆虫 被引量:2
12
作者 丁炯 张宏 童勤业 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第15期73-83,共11页
生物声纳的高灵敏度和高可靠性一直是仿生设计所追求的目标,然而至今仍没有一个令人信服的物理模型能很好得解释生物声纳优越性能的原因,其主要是缺乏对动物听觉系统神经信息编码的认识.本文从蝙蝠听觉神经系统的生理结构出发,用圆映射... 生物声纳的高灵敏度和高可靠性一直是仿生设计所追求的目标,然而至今仍没有一个令人信服的物理模型能很好得解释生物声纳优越性能的原因,其主要是缺乏对动物听觉系统神经信息编码的认识.本文从蝙蝠听觉神经系统的生理结构出发,用圆映射和符号动力学方法讨论了蝙蝠听觉神经系统在复杂环境中处理多普勒信号的一种可能性方案,并通过计算机仿真证明了其合理性.针对蝙蝠神经系统的不稳定性,用符号动力学的方法分析神经系统信息处理的机理具有良好的鲁棒性和高灵敏度.这种新的信号处理方法的研究,为生物声纳信号的处理过程的进一步认识提供了一种新的解释. 展开更多
关键词 生物声纳 圆映射 符号动力学 简并
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