基于三维渐变的生物声呐的波束形成特性的数值研究

指向性是远场波动技术设备性能的关键。长期进化的蝙蝠所形成的无线感应生物声呐系统，为我们提供了丰富的天线优化解决方案。本项目的研究将首次建立起融合不同种蝙蝠鼻叶形状的虚拟中间体鼻叶数字模型，并研究其远场波束形成指向性。课题的目标是建立一套新的研究方法，利用数字图像三维变形技术以及数值计算模拟技术对比研究两种或两种以上的蝙蝠鼻叶的声学特性。项目的主要任务是选择和优化恰当的方法，通过计算机断层扫描技术和数字图像处理算法的有机结合来生成蝙蝠鼻叶的高精密信息图像和相应的数字化模型，在两种或两种以上不同种蝙蝠鼻叶的数字化模型上应用三维变形技术，将会得到一系列形态渐变的虚拟中间体鼻叶数字模型，对这些虚拟中间体鼻叶模型利用数值计算方法研究其远场波束形成指向性，进而分析鼻叶形状上各部分结构在生物声呐波束形成中对指向性的影响。该方法将完善目前单种类研究的不足，为天线的优化设计提供更多参考模型。

本项目主要通过计算机断层扫描技术和数字图像处理算法生成蝙蝠鼻叶的数字化模型，在两种或两种以上不同种蝙蝠鼻叶的数字化模型上应用三维变形技术，得到一系列形态渐变的虚拟中间体鼻叶数字模型，对这些虚拟中间体鼻叶利用数值方法计算远场波束形成指向性，进而分析鼻叶形状上各部分结构在鼻叶的波束形成中对指向性的影响，为声呐的优化设计提供更多参考模型。项目执行期间主要研究了在两种蝙蝠鼻叶之间的融合渐变结果，对两种以上的鼻叶的融合研究结果表明，如果多种蝙蝠鼻叶形态相似，则多种形态之间的融合渐变与两种鼻叶形态之间结果基本无异，而多种蝙蝠如果形态差别较大，则融合结果就不能确切反映蝙蝠鼻叶上各个部分对指向性的影响。通过对不同种属的蝙蝠的鼻叶外形进行比对，确定了两种类型的三维渐变：第一类为形态结构相似度较高的鼻叶模型之间的三维渐变，选取了两组进行研究：高鞍菊头蝠与贵州菊头蝠鼻叶间的渐变；马铁菊头蝠与菲菊头蝠鼻叶间的渐变。第二类为虽然生物种属相近，但形态结构差别较大的蝙蝠鼻叶模型之间的三维渐变，对第一类渐变，起始模型与目标模型的形状特征相似度高，程序采用了基于边界的混合算法，对于高鞍菊头蝠到贵州菊头蝠鼻叶间的渐变过程描述较好，中间体鼻叶模型光滑，无明显异变，可以比较准确的控制中间体形成的外形特征。对第二类渐变，起始模型与目标模型的形状差别较大，而且存在不同的生物结构，有些结构在某些种类的蝙蝠鼻叶上已经退化，不易控制中间体结构。为此采用了在三维生物医学模型中常用的基于距离场的混合算法来改进程序，首先对物体进行体元分解,再通过交互地选取匹配控制点来定义弯曲函数，实现面的渐变，该算法受物体几何和拓扑结构的限制较小，对于拓扑结构差别较大的模型之间也可以产生平滑、自然的渐变过程。对于两类渐变模型分别进行了声场仿真计算，基于远场波束形成指向性的结果，分析其受到中间体鼻叶模型所占不同鼻叶结构权重的影响。对两种菊头蝠鼻叶的中间体模型的数值分析表明，从菲菊头蝠向马铁菊头蝠的渐变过程中，随着鼻叶尺寸的增加，必须降低超声频率才能保证远场主波瓣宽度不变窄，亦即鼻叶尺寸与超声频率之间存在着明显的负相关。这些研究工作对于目前的蝙蝠声呐研究方面，发展了新的方法和分析技术，改善了目前主要研究真实鼻叶模型的现状，能提出更多的声呐设计模型。