蹄蝠科和菊头蝠科蝙蝠能够在非常复杂的自然环境中自由穿梭并高效地完成目标识别、猎物捕捉等传感任务,它们都是由鼻孔发射超声声呐信号,利用耳朵接收回声信号,通过分析回声信号获取关于周围环境的传感信息。其声呐系统都具有独特的动态特性,主要表现为:(1)蝙蝠能够根据周围环境和传感任务的不同,动态调整超声声呐信号的强度、方向、持续时间和发声频率等参数,如在植被较密集的区域或猎物的捕捉阶段,蝙蝠发射的超声声呐信号更多、信号频率更高;(2)声呐系统结构,即鼻孔周围挡板形状的褶皱结构(即“鼻叶”)和耳廓,在超声信号发射和回声信号接收过程中受肌肉的控制可以发生不同形态的动态形变,如鼻叶可发生闭合-开启运动(即合开运动)和随机运动;耳廓可发生刚性运动和柔性运动。数值模拟和仿生研究表明鼻叶和耳廓运动能够显著地改变声场分布,并为蝙蝠提供额外有用的传感信息,生物研究发现鼻叶运动和耳廓运动存在一定的耦合关系,即超声发射系统和回声接收系统的结构动态特性之间存在耦合关系,而蝙蝠声呐系统的两种动态特性(即动态声呐信号和动态结构形变)之间是否存在耦合关系仍然是未知的。本文以普氏蹄蝠为研究对象,利用高速摄像机和超声麦克风同步采集蝙蝠的鼻叶/耳廓运动数据及其对应的声呐脉冲序列数据;针对出现频率较高的两种传感端耦合运动模式,即鼻叶合开-耳廓柔性运动、鼻叶随机-耳廓刚性运动,利用机器学习算法,对两种耦合运动模式对应的声呐脉冲序列进行分类,以研究动态结构形变与动态声呐信号之间是否存在耦合关系。这将完善蝙蝠声呐系统动态特性的理论模型,加深蝙蝠对编码信息高效的理解;基于声呐信号在某些介质中衰减小的特性,拓宽工程传感系统的工作范围;为仿生传感系统的研制提供技术指导,进而优化工程声呐的探测性能和结构尺寸。本文的主要研究内容和成果如下:一、熟悉传感端运动的超声采集系统。系统主要包括硬件、软件。硬件有双目高速摄像机阵列、超声麦克风、辅助设备等,软件则包括与摄像机配套GigaView采集软件、Matlab控制和超声数据可视化代码。通过软硬件交互控制和数据流向,控制实验步骤中可能影响实验精度的因素,进而减少实验误差。二、基于传感端运动的超声采集系统,获取14只雄性普氏蹄蝠66次实验的102组的图像和超声数据,并使用立体视觉、声学信号处理等方法分别还原鼻叶/耳廓上标记的三维坐标和简化超声脉冲序列成时间点的组合。由三维坐标点间确定的运动量化指标,如鼻叶宽度、高度,耳廓宽度,定义蝙蝠鼻叶运动模式有合开、随机运动;耳廓运动有刚性、柔性运动。同时,存在出现频率较高的两种传感端耦合运动模式,其中鼻叶合开-耳廓柔性运动53组、鼻叶随机-耳廓刚性运动49组。不同鼻叶/耳廓耦合运动模式中声呐脉冲序列的差异主要表现为脉冲数目和脉冲激发时刻的差异,其中,脉冲数目的差异最为显著,鼻叶合开-耳廓柔性运动期间都只存在1个脉冲,鼻叶随机-耳廓刚性运动期间都存在2个脉冲;三、利用机器学习算法,Spike train SIMilarity Space(SSIMS)、Spike Community Detection(SCD)两种方法,分别分类和聚类两个角度,挖掘鼻叶合开-耳廓柔性运动、鼻叶随机-耳廓刚性运动对应的超声脉冲序列模式差异。实验用数据集分析结果表明,SSIMS和SCD方法均在一定程度上建立了超声脉冲序列特性和传感端运动类型的匹配,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。