基于时变自回归模型的蝙蝠回声定位信号建模与生物声纳系统仿生研究

为解决蝙蝠声纳系统工作机制尚未完全揭示的问题，研究人员开展基于时变自回归(TV-AR)模型的蝙蝠发声系统建模研究，提出分段常数和连续变化两种参数轨迹假设，通过正则化最小二乘法与基函数法求解参数，实现高斯白噪声输入下回声定位信号的高质量模拟(相似度达85%)，为生物声纳仿生提供了参数化建模新范式。

　　

蝙蝠凭借其微秒级分辨率的回声定位能力，在复杂环境中实现精准导航与猎物捕捉，其声纳系统在功耗效率和环境适应性上远超现代传感器。然而，这种卓越能力的核心——蝙蝠发声系统的工作机制仍存在关键盲区，尤其是缺乏能够完整描述声带、鼻腔等器官协同作用的参数化模型。现有研究多聚焦于有限器官的物理建模，如通过有限元法分析鼻叶声场或三维重建气管腔，但难以揭示系统级动态调控规律。

针对这一瓶颈，国内研究机构的研究人员创新性地将蝙蝠喉部与上喉结构视为整体系统，建立以高斯白噪声为输入、回声定位信号为输出的时变自回归(TV-AR)模型。研究提出两种参数变化假说：分段常数模型(Sub model 1)假设发声器官在不同时段参数恒定，采用Group-Lasso突变点检测方法求解；连续变化模型(Sub model 2)认为参数持续渐变，通过Legendre多项式等基函数展开求解。研究团队利用实验室记录的普氏圆叶蝠(Hipposideros pratti)着陆任务中的502组信号进行验证，发现连续变化模型输出信号与原始信号相似度高达85%，显著优于分段模型(60.7%)，证实发声器官存在持续动态调控。相关成果发表于《Frontiers in Zoology》。

关键技术方法包括：(1)采集4只成年普氏圆叶蝠在消声室中的回声定位信号(采样率192kHz)；(2)构建6-12阶TV-AR模型，采用四种阶数准则(MMSE/FPE/AIC/MDL)和时变最优参数搜索(TV-OPS)确定模型复杂度；(3)针对分段模型使用正则化最小二乘法，连续模型采用离散余弦基函数(平均维度15.94±1.91)进行参数展开；(4)通过5000次蒙特卡洛实验评估系统性能，以Pearson相关系数作为相似度指标。

研究结果
Bat vocalization mechanism and system modeling
通过解剖学分析明确蝙蝠发声的三阶段机制：肺部气流激发声带振动，环甲肌通过调节甲状软骨倾斜度改变基频，上喉结构(如鼻腔)完成频谱能量调制。将这一过程等效为多共振峰串联系统，每个共振峰用二阶全极点模型描述，整体系统函数H(n,z)通过Z变换构建。

Parameter solution of bat vocal system model
分段常数模型在λ=15%λ^*时，6阶模型检测到显著参数突变点，对应声带张力阶跃式变化；连续变化模型中离散余弦基函数表现最优，12阶模型相关系数达0.850±0.007，其参数轨迹能精确追踪鼻腔形态的连续变化。

Experimental verification
对比三种基函数性能显示，离散余弦基在12阶模型下建模误差下降率v_ξ(j)最快(较Legendre多项式提升14.3%)，且标准差最低(0.007)。TV-OPS分析证实6阶以上模型无冗余项，C_m权重分布均匀。

Discussion
该研究首次实现蝙蝠发声系统的整体参数化建模，突破传统器官孤立研究的局限。连续变化模型的高精度验证表明，CF-FM蝙蝠在发声过程中存在毫秒级参数微调，这种动态特性可能是其环境自适应性的关键。研究提出的基函数展开法可扩展至FM蝙蝠信号模拟(初步验证相似度73.4%)，为仿生声纳设计提供通用框架。未来需建立喉部(如声带振动频率c_i(n))与上喉结构(鼻腔滤波H_k(n,z))的子系统耦合模型，进一步解析生物声纳的多器官协同机制。

研究团队在附录A中对Epicoccus furinalis的FM信号进行初步分析，发现连续变化模型参数在信号调频段呈现密集波动，暗示FM蝙蝠可能采用更复杂的参数调控策略。这为后续比较不同物种声学策略差异奠定方法学基础。