面向盲人回声定位的回声建模与信号处理方法研究

Like echolocating bats, some blind humans are capable of echolocation. By making a click with their tongue and listening to returning echoes, they can perceive their silent surrounding and target. To date, most researches are describing the echolocating ability of the blind for certain tasks with behavioral and neural methods, lack of study on the cognitive signal process and inner mechanism. Based on previous work, we will focus on the following research contents: (1) Study an echo modeling method for human echolocation, generating echo signals which arrive at human ears; (2) Study how echo features that determine echolocation are represented and extracted in the auditory system; (3) Study the signal processing methods for tasks of distance and shape recognition respectively and reveal some inner mechanism. Our research is helpful for the blind to enhance their cognitive ability and thus of positive social significance. The methods delivered by this research are important not only to the current research of human echolocation in academic value, but also to radar, sonar, and etc. in application prospect.

一些盲人具备类似于蝙蝠的回声定位能力，他们通过嘴巴发出声音、耳朵接听回声，实现对周围环境和目标的感知。目前，对盲人回声定位的研究多数是从行为学和脑神经学的层面考察盲人在不同感知任务中的回声定位能力，缺乏对其中的认知信号处理方法及其内在机理的研究。本项目以盲人回声定位为研究对象，在前期研究工作的基础上进一步开展以下研究内容：（1）研究面向盲人回声定位的回声建模方法，模拟产生进入人类听觉系统的回声信号；（2）研究对盲人回声定位其关键作用的听觉回声特征的表征与提取方法；（3）针对目标距离识别和形状识别两种典型的盲人回声定位感知任务，研究其依赖的回声特征以及相应的信号处理方法，并对其内在机理提供合理解释。本项目研究有助于帮助盲人提升自身认知能力，具有积极的社会意义；所研究的方法对该领域的进一步发展和开拓具有重要的科学意义和学术价值，相应的成果在雷达、声呐等领域具有重要的应用前景。

一些盲人具备类似于蝙蝠的回声定位能力，他们通过嘴巴发出声音、耳朵接听回声，实现对周围环境和目标的感知。目前，对盲人回声定位的研究多数是从行为学和脑神经学的层面考察盲人在不同感知任务中的回声定位能力，缺乏对其中的认知信号处理方法及其内在机理的研究。本项目以盲人回声定位为研究对象，主要研究内容如下：（1）基于声学后向散射原理，研究目标脉冲响应的计算方法，结合tongue click信号的空间分布特性以及HRIR的空间滤波特性，模拟产生进入人耳的回声信号；（2）基于听觉外围数学模型，研究回声信号在听觉外围中的处理过程，研究有效的特征计算模型，提取和表征对盲人回声定位其关键作用的听觉回声特征；（3）基于特征计算模型输出的听觉特征，针对目标距离测量和形状识别两种典型的盲人回声定位感知任务，研究其依赖的回声特征以及相应的信号处理方法。通过该项目的研究，（1）建立了一套完整的面向盲人回声定位的目标回声建模方法，在一定程度上解决了目前盲人回声定位研究中所面临的难以获取真实有效的回声数据这一困难，同时积累了一批关键数据，包括：tongue click信号及其空间分布函数、HRIR数据、以及四个平面目标的多视角回波库。（2）建立了一套由MAP外围听觉模型、基于自相关分析的听觉回声特征计算模型、简化听觉中枢模型组成的听觉系统处理模型，有效表征和提取出若干关键的听觉回声特征，包括：回声总能量、重复音调、谱质心以及下丘发送次数，这对于从信号处理的角度去研究盲人回声定位的内在机制具有重要的学术价值。（3）提出了分别面向目标距离测量和形状识别的回声定位信号处理方法，该方法可为盲人利用回声定位进行特定感知任务的内在机理提供了一种合理解释，对于其它复杂感知任务的研究具有一定的指导意义。总之，本项目的研究工作对盲人回声定位研究领域的发展和开拓具有非常重要的科学意义和学术价值。