专利名称：四传感器蝙蝠回声信号声场空间分布动态测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属声场空间分布测量装置，特别涉及一种蝙蝠叫声声场的测量系统。
背景技术：
目前，有关蝙蝠回声定位信号的研究在国际上一直是热点和重点，对于蝙蝠回声定位研究的测量仪器多集中在对叫声信号本身的时频特性的测量研究，而从声学本身出发看待蝙蝠信号，它的空间声场场强分布是一个不可忽视的特征。应用现有的测量仪器对蝙蝠叫声的空间声场场强分布测量时，必须用大量传感器(远大于四个)来进行空间测量采样，以便保证测量信号空间分辨率的要求，这就使得测量仪器的成本大大增加，测量系统结构变得非常复杂，不利于在相关科研人员中的推广使用。
发明内容
为了克服现有蝙蝠叫声声场测量系统的成本高，结构复杂方面的不足，本测量系统提供一种低成本，结构简单，易于推广使用，便于工作人员野外操作的轻巧仪器。
本测量系统解决其技术问题所采用的技术方案是系统由信号采集模块，信号预处理模块和微机接口模块三部分组成。信号采集模块是由四个超声波传感器、一个四通道A/D转换器、调理电路组成，此模块是对蝙蝠叫声信号进行调理、采集并将采样结果传送到DSP中；信号预处理模块由DSP，FLASH，数据RAM组成，是对采样模块送来的数据进行预处理，包括对测量数据的选取和归一化；微机接口模块由RS-232接口芯片组成，将系统与微机连接，把经过预处理的测量数据传送到微机中，以便作进一步处理。在本仪器中，四个超声波传感器分别通过四个调理电路接到A/D转换器的四个信号输入端，A/D转换器的控制引脚和输出引脚接到TMS320VC5402的相应引脚，并通过TMS320VC5402对A/D转换器进行控制，TMS320VC402的多通道缓冲串行口接到RS-232接口芯片上，并通过它连接到PC机，TMS320VC5402的数据引脚、地址引脚和相应控制引脚同时接有数据RAM和FLASH，对TMS320VC5402进行数据存储器和程序存储器空间的扩展。
测量时，将四个超声波传感器放置在一个固定在空中的半圆弧形杆上，声源蝙蝠处于半圆弧的圆心处，依次改变半圆弧杆上传感器的位置(传感器与声源连线与水平方向的角度)来对蝙蝠叫声信号进行测量，由于四路传感器在参数上无法达到一致，即对于同样的蝙蝠叫声其输出的模拟电压是不完全一致的，我们在传感器与A/D转换器之间加有简单的调理电路，负责将四路传感器在输入输出关系上尽量达到一致，减小测量系统的误差；A/D转换器直接接到数字信号处理器TMS320VC5402上。我们给TMS320VC5402数字信号处理器扩展有一个64K字的数据RAM，负责暂时存储A/D转换器输出的数字信号和TMS320VC5402对数据的预处理结果；一个FLASH，用来存储整个系统的程序，在给系统加电时，存储在FLASH中的程序通过TMS320VC5402中的boot-loader程序传送到TMS320VC5402中，系统自动执行应用程序；一个RS-232接口芯片，用来将TMS320VC5402对数据的处理结果传送到PC中，对数据作进一步处理。在使用该系统时，只需给系统提供5V电压，通过观察系统外部发光二极管的亮灭来判断系统在现测量角度上是否测量结束，然后改变半圆杆上四路传感器相对于水平位置的角度，重新启动系统，进行下一位置的测量。
从数据处理角度来讲，空间对称的动态场在某时刻、某频率的场强分布是对称的，故先将四个传感器摆放至距离声源为L，与水平位置夹角为0度、30度、60度和90度处，对采集得到的数据进行归一化，即将30度、60度和90度位置处系统采集的数据除以我们选定的基准值S(即此时在0度角位置处超声波传感器所采来的数据)。接下来我们将各超声波传感器距声源的距离保持在L不变，调整传感器与水平位置夹角为0度、10度、20度和30度，再将系统通过10度、20度和30度处传感器所测得的数据除以基准值S。同样道理，固定距离L，调整传感器与水平位置夹角为0度、40度、50度和60度，将在40度、50度和60度处传感器所采得的数据除以基准值S。固定距离L，调整传感器与水平位置夹角为0度、70度、80度和90度，再将在70度、80度和90度处传感器所测得的数据除以基准值S。这样，通过对传感器布局的多次调整完成了对采样空间的一级细化。只要传感器线度允许，便可调整传感器角度反复测量，进行多级细化。最终根据声场的对称特性绘出距声源固定距离L处的整个球面上各个点的场强值。此外，当传感器线度达到极限但传感器灵敏度能达到要求的情况下，理论上可以通过加大距离L来达到进一步提高角分辨率的目的。这里，细化的级数以及L值都视具体工作的要求而定。采用上述方法可不受蝙蝠每次叫声大小不同的影响，绘出整个蝙蝠发声声场强度分布图，以达到节省传感器数量的目的。且描绘出的场强分布的空间分辨率，理论上只与测量次数有关，而与布置传感器的数量没有关系。这样，系统将归一化后的数据存储在数据RAM中，对于系统采来的数据，每采来5K字为一组，计算这组中采样数据数值大于定标值A(可人为设定)的个数，当这个个数大于定标值B(可认为设定)时，将这组数据传送到微机中，作进一步处理，否则不取这组数，进行下一组数据测量。这样的目的是保证所测数据是在蝙蝠叫声幅度较大时进行采样，并且节省了外扩数据RAM空间的大小。
本发明对蝙蝠叫声声场空间动态分布进行测量，更好的了解蝙蝠在生态系统中特殊的生态位及其声行为的独特性，并且该系统具有较高的采样率可对蝙蝠回声信号进行波形采样，已达到对空间、时间、频域上的分析，填补国内外在这方面研究的测量系统的空白；另外该套系统利用归一化方法还可应用于其它动态、非对称、具有稳定空间场分布的测量，具有广阔的推广价值。
下面结合附图对本套系统进一步说明附图四传感器蝙蝠回声信号声场空间分布动态测量系统方框图.
附图中，A/D转换器选用TI公司的高速10位并行A/D THS10064芯片，当它的四个通道同时工作时，每个通道最高转换率达1.5MSPS；数据RAM选用ISSI高速数据存储器IS61LV6416芯片，对采集数据进行存储；FLASH选用AMD公司的Am29AL800B芯片进行程序存储，用于开机时程序的自动加载；TMS320VC5402采用TI公司的TMS320VC5402数字信号处理器；RS-232接口采用Maxim公司的MAX3238电平转换芯片。
权利要求
1.一种四传感器蝙蝠回声信号声场空间分布动态测量系统，其特征是系统由信号采集模块，信号预处理模块和微机接口模块三部分组成，信号采集模块是由四个超声波传感器、一个四通道A/D转换器、调理电路组成，信号预处理模块由DSP，FLASH，数据RAM组成，微机接口模块由RS-232接口芯片组成，四个超声波传感器分别通过四个调理电路接到A/D转换器的四个信号输入端，A/D转换器的控制引脚和输出引脚接到TMS320VC5402的相应引脚，并通过TMS320VC5402对A/D转换器进行控制，TMS320VC402的多通道缓冲串行口接到RS-232接口芯片上，并通过它连接到PC机，TMS320VC5402的数据引脚、地址引脚和相应控制引脚同时接有数据RAM和FLASH。
2.按权利要求1所述的四传感器蝙蝠回声信号声场空间分布动态测量系统的测量方法，其特征是测量时，将四个超声波传感器放置在一个固定在空中的半圆弧形杆上，声源蝙蝠处于半圆弧的圆心处，依次改变半圆弧杆上传感器的位置，即先将四个传感器摆放至距离声源为L，与水平位置夹角为0度、30度、60度和90度处，对采集得到的数据进行归一化，即将30度、60度和90度位置处系统采集的数据除以我们选定的基准值S，即此时在0度角位置处超声波传感器所采来的数据，接下来将各超声波传感器距声源的距离保持在L不变，调整传感器与水平位置夹角为0度、10度、20度和30度，再将系统通过10度、20度和30度处传感器所测得的数据除以基准值S，同样，固定距离L，调整传感器与水平位置夹角为0度、40度、50度和60度，将在40度、50度和60度处传感器所采得的数据除以基准值S，固定距离L，调整传感器与水平位置夹角为0度、70度、80度和90度，再将在70度、80度和90度处传感器所测得的数据除以基准值S，通过对传感器布局的多次调整完成了对采样空间的一级细化，调整传感器角度反复测量，进行多级细化，对采样模块送来的数据进行预处理，包括对测量数据的选取和归一化，最终根据声场的对称特性绘出距声源固定距离L处的整个球面上各个点的场强值，亦可通过加大距离L来达到进一步提高角分辨率。
全文摘要
本发明属声场空间分布测量装置。本发明由信号采集模块，信号预处理模块和微机接口模块三部分组成。信号采集模块是由四个超声波传感器、一个四通道A/D转换器、调理电路组成，测量时先将四个传感器摆放至距离声源为L，与水平位置一定夹角处，然后不断改变位置。对采集得到的数据进行预处理，包括对测量数据的选取和归一化，得到蝙蝠叫声声场场分布的结果。本发明具有较高的采样率对声信号进行波形采样，达到对空间、时间、频域上的分析。利用归一化方法还可应用于其它动态、非对称、具有稳定空间场分布的测量，具有广阔的推广价值。
文档编号G01H17/00GK1584519SQ20041001093
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月15日 优先权日2004年6月15日
发明者王双维, 冯江, 曹晓琳, 杨雪梅, 曹忠义 申请人:东北师范大学