[发明专利]一种生物声纳探测装置及其探测方法

说明书

技术领域

本发明属于新型传感技术领域，特别是一种生物声纳探测装置及其探测方法。

背景技术

生物声纳技术工作是研究具有自然生物声纳的生物(如蝙蝠、海豚等)的声纳系统，通过一些电子技术手段模仿自然声纳的嘴巴和耳朵发射超声波脉冲和接收回波，采集到不同环境的回波波形，然后对回波进行分析研究，在一定程度上能够实现自然声纳的诸如识别、定位、追踪功能。现有应用于生物声纳研究工作的生物声纳装置主要包括依托于电脑和高性能数据采集终端的生物声纳系统以及基于差频原理的导盲仪。

依托于电脑和高性能数据采集终端的生物声纳系统，因数据采集终端可以提供很高的采样频率和采样精度，采集到的回波信号附带更多目标的细节信息，同时电脑也具有很强的信号分析处理能力，然而限于人工智能技术的限制，目前电脑和简单算法的工程处理方法的效能尚不及蝙蝠和海豚的动物大脑的识别效能，而且因其体积、重量较大，不便用于室外环境下的目标探测。

基于差频原理的导盲仪(市场上现有的凯氏导盲仪)，是CTFM(Continues Transmitted Frequency Modulated，连续发射调频波)模型在超声波探测中的一种应用。其工作原理如下：CTFM模型是一种线性扫频波，它具有较宽的频带，其范围从f_l至f_h。当接收端接收到回波信号后，回波信号会与发射信号在某一时段相混叠。因为回波信号与反射信号具有相同的波形模式，只是在时间上有一个长度为τ的延迟，所以回波信号与发射信号相乘得到的输出信号在每一时刻都有相同的频率f_α，等于差频f_h-f_l。通过f_α便能够得到发射物与发射端之间的距离大小。通过耳朵分辨差频信号的频率高低可以判断有无障碍物和障碍物距离，可以实现一定程度的导盲功能及目标探测功能。不过，相较于蝙蝠或海豚的声纳回波信号，差频信号所携带的目标特征信息少且不具有自然感知的直观信息，限制了对环境目标的识别能力。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种便携的生物声纳探测装置及其探测方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种生物声纳探测装置，包括声纳信号发射模块、回波接收模块，微型计算机模块，双通道音频输出模块；声纳信号发射模块发射声纳信号，回波接收模块接收反射回来的回波信号并将其传输给微型计算机模块，微型计算机模块对信号进行处理后通过双通道音频输出模块输出；

所述声纳信号发射模块包括声纳信号发生单元、发射端信号调理单元和发生端超声波换能器，声纳信号发生单元产生声纳信号，发射端信号调理单元将声纳信号发生单元输出的声纳信号放大、低通滤波后通过发射端超声换能器向环境或目标发射；

所述回波接收模块为双通道结构，该模块包括两个相同的接收端超声换能器，两个相同的接收端信号调理单元以及一个回波信号采集单元，每个接收端超声换能器对应一个接收端信号调理单元，接收端超声换能器接收环境中反射回来的回波信号并将其传输给与其对应的接收端信号调理单元，接收端信号调理单元对回波信号进行放大、滤波；回波信号采集单元同时采集经过信号调理的两路回波信号，并输出给微型计算机模块；

双通道音频输出模块包括音频数模转换单元、音频信号调理驱动单元和双声道播放器，音频数模转换单元将微型计算机模块处理得到两路数字音频回波信号转换为模拟信号输出给音频信号调理驱动单元，音频信号调理驱动单元将两路音频回波信号放大并驱动双声道播放器输出。

一种生物声纳探测方法，包括以下步骤：

步骤1、声纳信号发射模块向外界发射声纳信号；

步骤2、回波接收模块接收环境中反射回来的回波信号并将其传输给微型计算机，所述回波接收模块为双通道模块，可以分别接收同一反射目标反射回来的回波信号；

步骤3、微型计算机将接收到的信号进行在时域上的线性比例投影处理，保留回波波纹的幅值和频谱比例特征，得到具有直观意义的两路音频回波信号；

步骤4、双通道音频输出模块将两路音频回波信号输出给人耳。

本发明的工作原理为：发射声纳信号探测目标，对回波信号进行处理得到音频回波信号并通过双声道播放器输出给人耳，借助人脑实现对目标的定位、识别等功能，可以帮助盲人或特定使用环境下的正常人感知环境和目标。