动物的声信号介导一系列如捕食防御、资源竞争和配偶选择等生活事件,是维持动物群落稳定和平衡的重要信息载体。发声动物进化出独特声信号的原因,是生态学和进化生物学的热门主题,是阐明动物环境适应性进化的关键所在,也为破译物种形成提供全新视角。蝙蝠在生态系统中具有特殊的生态位和独特的声行为,经过长期进化,其声行为具有多样化、复杂化的特点,因此,对蝙蝠回声定位机制进行分析对于行为生态学研究具有重要意义。声呐波束(Sonar Beam),简称声束,是声呐信号发声强度在方向和频率上的函数。蝙蝠的三维声束决定了其在特定频率和时间上对空间环境的感知。声束的调节保证了飞行中的蝙蝠对周围环境的连续探测、对感兴趣物体的选择性聚焦以及对移动猎物的持续跟踪。因此,声束是蝙蝠声呐系统的一个重要特征。目前,关于蝙蝠三维声束的研究非常少,且大多是采用数学建模和数值分析的方法。为了更真实地了解蝙蝠声呐波束特征,本文旨在通过实验测量的方法构建一个蝙蝠三维声束可视化系统,为蝙蝠声束研究提供更科学、形象、直观的参考。重建蝙蝠三维声束图需要同步获取蝙蝠声呐信号在方向和频率上的发声强度。为了实现对蝙蝠飞行位置的高精度定位,采用英国Oxford Metrics Limited公司Vicon系统的整套方案——包括8台高速红外网络摄像机(Vicon 5,采集频率为240帧每秒)与配套数据生成软件,来获取蝙蝠位置数据;为了实现蝙蝠空中叫声数据的同步采集,搭建了由27个超声麦克风组成的双U型麦克风阵列,并基于Labview平台设计了多通道同步声数据采集的上位机软件系统。为了能够形象地表示蝙蝠声呐波束特征,本文提出了一种利用阵列信号处理技术和三维可视化技术构建蝙蝠三维声束的可视化方法。基于声束球面可视化模型,利用Matlab平台对采集的多通道蝙蝠回声定位数据和位置数据进行处理、分析实现了对蝙蝠声束的三维可视化。首先,采用移动平均算法对蝙蝠飞行轨迹进行滤波、通过中心差分法获取蝙蝠飞行方向、经过坐标系转换建立以蝙蝠为中心的坐标系;其次,研究了基于声达时间差(TDOA)的声源定位算法,利用基本互相关算法估计时延,通过位置已知的激励信号实验确定了阵列麦克风的位置坐标,并分析了算法的定位精度;再次,基于点声源模型的大气声传播和衰减理论对多通道蝙蝠声呐数据进行补偿、校正;采用语音端点检测(VAD)方法提取蝙蝠单次叫声数据,并进行频谱分析获取蝙蝠发声强度参数;通过将提取到的蝙蝠声呐信号发声方向和发声强度在以蝙蝠为中心的球面坐标系下用色标图显示,达到了蝙蝠声呐波束可视化的目的;最后,利用Sobel算子边缘检测方法检测二值声束图中的声束边缘,提取了蝙蝠声束参数。为了验证蝙蝠三维声束可视化系统的有效性,进行了恒频型马铁菊头蝠障碍物躲避飞行实验的研究。在体积为7×4.5×2.7m~3的吸声室内搭建了蝙蝠飞行实验平台,收集了5只恒频型马铁菊头蝠在300次障碍物躲避飞行实验中的多通道回声定位数据和位置数据。利用设计的蝙蝠三维声束可视化系统获得了马铁菊头蝠回声定位声波的三维声束图和声束参数,观察可视化系统测试结果和声束参数提取结果发现:马铁菊头蝠在躲避障碍物逐渐靠近出口的过程中,会在水平及竖直方向上均增大其声束宽。本文提出的蝙蝠声束可视化方法系统不仅能够用于恒频型蝙蝠障碍物躲避时声束调节策略的研究,也可用于蝙蝠声束系统其它特性的研究。