基于矢量水听器的水下声学浮标系统设计

针对海洋安全技术发展对无人自主探测平台的迫切需求,设计了一种具有海洋目标探测功能的水下声学浮标系统,该系统声学探测单元基于姿态感知复合同振式矢量水听器,水声数据采集与实时分析单元采用FPGA+DSP的设计方案,可控制声学探测单元工作时序,并完成水声和姿态信息联合信号处理。为验证水下声学浮标系统目标探测能力,在南海某海域开展目标探测能力试验验证。结果表明,深海良好水文环境条件、浮标采用定深漂流工作模式,对600 t级、10节航速航行科考船探测距离≥10.3 km。     

一种自主定向磁复合三维MEMS矢量水听器

设计了一种自主定向的磁复合三维MEMS矢量水听器。该矢量水听器采用三维MEMS加速度传感器与磁传感器结构复合设计,并采用与信号处理电路紧靠方式,可减小噪声干扰及抑制信号衰减。通过磁复合三维MEMS矢量水听器解决单个矢量水听器定向精度不高问题。该矢量水听器完成了水下驻波场测试和无磁转台测试,测试结果验证了利用磁传感器补偿矢量水听器定向方法的可行性。     

基于MEMS标矢量一体化水听器的浮标系统设计

MEMS标矢量一体化水听器为一种新型的复合式水听器,针对其特性与应用前景和海洋探测需求,基于该传感器设计了一种声呐浮标系统。该系统由STM32、模数转换模块AD7606、无线模块AS01-ML01DP等构成,实现了数据采集存储、无线发送等功能,探测频率为20Ｈｚ~1ｋＨｚ,数据传输速率为2Ｍｂｉｔ/ｓ,由基站实时接收来自水下传感器的信号,经试验验证,该系统能够正常工作,满足传感器工程应用需求。     

高灵敏度扇面纤毛式MEMS矢量水听器

目前微机电系统（MEMS）矢量水听器的研究出现瓶颈。大量实验表明,水听器的灵敏度与探测带宽存在着相互制约关系。为保证水听器具有20~500 Hz的针对远距离船舶辐射噪声的可探测带宽,急需提高MEMS矢量水听器在低频探测的灵敏度。该文在普通纤毛式MEMS矢量水听器的基础上,提出在柱形纤毛上集成十字扇面,通过增大声压接收面积,来提高低频探测的灵敏度。通过ANSYS Workbanch多参优化确定十字扇面的尺寸,通过ANSYS15.0对优化后的尺寸进行验证。利用微机械加工法集成扇面与柱形纤毛,利用水听器校准系统来测试扇面纤毛式矢量水听器的灵敏度,结果表明,灵敏度满足每频程6 dB的增长趋势,在500 Hz时灵敏度达到-183.6 dB（0 dB=1 V/μPa）,比普通结构提高了近5 dB。     

一种新型三维MEMS电容式矢量水听器研制

介绍了一种基于MEMS工艺设计的电容式矢量水听器.该矢量水听器的检测单元包括一个“三明治”结构敏感芯片和一个采用变送集成技术的信号调理电路.通过优化敏感芯片的结构和低噪声的信号调理电路,使矢量水听器得到很高的灵敏度、分辨率.利用MEMS微机械加工工艺制作出矢量水听器,检测单元相互正交并进行了声学灌封.矢量水听器完成了水下驻波场测试,测试结果表明:该矢量水听器的接收灵敏度在1 000Hz时达到-180 dB(0 dB re 1 V/μPa),动态范围大于120 dB.     

基于RHC-7水听器对液体中固体目标声波探测研究

为了实现液体中微小固体目标在线探测,设计了基于RHC-7水听器采集系统探测液体中微小固体目标的新方案。探测系统利用脉冲激励瓶体产生混响声波,RHC-7水听器浸入瓶内液体中采集声波,经UTC1250VA带通滤波器放大滤波后,对采集的混响声波信号进行Mallat多分辨率时频分析,分离提取微弱的探测目标信号。由于液体中固体目标粘滞声吸收和散射声吸收会影响水声信号的频谱分布,计算探测信号各频段频谱与基准信号的相关度,确定检测阈值,并作为识别瓶体中有无固体目标的指标。实验表明,该方法简单、实用,可实现探测一定尺度的悬浮和沉淀目标。     

基于三元阵列式MEMS水听器的被动定位系统设计

声纳系统是水下武器装备的重要组成部分,其发展趋向隐蔽性、小型化。文章提出了一种基于小型化三元阵列式微机电系统(MEMS)水听器的被动定位系统。首先,设计了一种三元阵列式MEMS水听器,即在同一芯片上集成三个不同角度偏差的MEMS矢量敏感单元;其次,在充分分析水听器工作原理的基础上建立了阵列式水听器的定位模型,并通过仿真验证了其设计的合理性;最后,以STM32单片机为控制核心设计了阵列式MEMS水听器的信号处理与目标定位系统。这种三元阵列式MEMS水听器在仿真定位中展现了良好的定位精度,充分证明了本系统设计的正确性及实用性。     

基于HTCC电路的MEMS复合同振型水听器设计

矢量水听器是感知水下声信息的重要设备,基于MEMS微加工工艺研制了一种复合同振型矢量水听器,将MEMS矢量水听器芯片与压电陶瓷环在结构上组合在一起,能够同时拾取水下目标信号的标量信息和矢量信息。内部集成了HTCC调理电路,能够有效降低传感器耦合噪声,提高检测信号的信噪比。通过驻波管计量,MEMS复合式水听器的工作频率范围为20～1 000 Hz,矢量振速通道灵敏度为-170.5 d B@1 k Hz,标量声压通道灵敏度为-174.7 d B@1 k Hz。通过内嵌电路,信噪比提高了15 d B。     

高灵敏度宽频带阵列式仿生矢量水听器研究

针对MEMS仿生矢量水听器灵敏度和频带相互制约,不能同时满足宽频带高灵敏度测量的问题,在单个MEMS矢量水听器的基础上,设计了由四个单元构成的2×2单片集成微敏感结构阵列,实现了水听器的高灵敏度和宽频带。通过理论分析和ANSYS仿真分析,确定阵列微结构的尺寸,采用硅微机械加工工艺完成了阵列微结构的加工,最后在水声一级计量站对封装好的水听器进行了灵敏度和指向性校准测试。测试结果表明:该阵列式仿生矢量水听器未加前置放大时灵敏度达到-189 dB,频响范围20～5 000 Hz,具有良好的"8"字型指向性。     

一种堤坝渗漏探测系统的设计

针对可视化的堤坝渗漏点检测方法精度低、成本高的缺点,设计了一种堤坝渗漏探测系统。该系统采用ARM作为控制核心,由水听器完成水声信号采集,由ADS1256芯片对水声信号进行A/D转换,由LM393芯片完成入水检测,由MS5837芯片检测入水深度,经RS485总线完成数据高速传输,在上位机上使用LabView编写软件对数据进行处理和显示。实验结果表明,该系统在水面以下堤坝深度600 m范围内可以精确检测堤坝渗漏位置,而且图像显示实时性强,能够广泛满足堤坝渗漏探测的需求。     

矢量水听器阵列在分界面上的空间谱估计

矢量水听器通常由3个空间轴向垂直的振速水听器和1个声压水听器构成,可同时测量水声信号的振速和声压。为了了解复杂分界面上矢量水听器阵列的定向性能,根据分界面上平面波的反射模型,提出了改进的Bartlett和Capon空间谱,建立了统一框架,并且以绝对硬边界为例,对矢量水听器阵和声压水听器阵的定向性能进行了比较。仿真实验结果证明了该方法的正确性。     

基于自愈光网络的水声信号同步采集系统设计

为了提高水声探测能力,提出了一种基于环形自愈网络的水声信号同步采集系统。系统具有链路保护、实时监测控制、网络管理、信号延时同步等特点,并详细介绍保护倒换原理和延时同步控制原理。同时进行了合理的软、硬件设计,实现了水声信号的同步采集传输。     

MEMS仿生矢量水听器封装结构的隔振研究

利用隔振原理,设计了矢量水声传感器系统中一种新型隔振封装结构模型,即加入橡胶减振器的新型封装结构。采用ANSYS软件对封装模型进行模态分析,研究模型结构和几何尺寸对其隔振性能的影响,确定最优隔振封装结构;对模型的几何尺寸及橡胶隔震材料力学参数进行优化,并对优化模型的隔振性能进行实验测试和评估。实验结果表明：所设计的新型橡胶减振结构具有一定的减振效果,隔离了一定程度的核心器件以外的外界振动干扰,提高了原有封装结构矢量水听器的探测灵敏度。再次验证了硅微MEMS仿生矢量水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单,而且具有低频灵敏度高等优点。     

基于FPGA的多普勒测振计信号采集与处理系统设计

为了实现激光水声浅海地形遥感探测中水声信号的实时解调与处理,设计了一种基于FPGA的激光多普勒测振计信号采集与处理系统。以CycloneⅡ系列FPGA为核心控制模块,结合ADS1174模数转换芯片、DAC8551数模转换芯片和MAX3232收发芯片,实现了高速数据采集和串口通信。该信号采集系统具有性能可靠、实时性强、集成度高、扩展灵活等特点,并且通过试验验证了其功能的正确性。     

基于FBG对的低加速度灵敏度拖曳声纳阵水听器

拖曳声纳阵列要求水听器在进行变速运动时不影响对水声压力信号的正常探测,这就要求水听器具有很高的抗加速度能力.为此介绍一种利用光纤光栅设计制造的对加速度不敏感而对水声压力信号具有高灵敏度的光纤水听器的实验研究结果.研制的光纤水听器声压灵敏度约为-140 dBrad/μPa,在25～6 300 Hz频率范围内具有平坦的声压...     

用于水声通信的矢量水听器研究

水声通信系统使用传统的声压水听器接收信号,无法获得水质点的振速信息。该文研制了直径为?38 mm、高为46 mm的同振型矢量水听器,可以同步共点地获取水质点的声压信息与振速信息,解决水声通信系统对8~13 kHz的信号获取不全面问题。矢量水听器内部采用专门设计的一种共用惯性质量块的一体化三维加速度传感器,空间3个轴向的灵敏度均大于328.0 pC/g(g=9.8 m/s²)。采用PZT-5压电陶瓷圆环作为矢量水听器的声压通道,研制了具有x、y、z通道和声压p通道的矢量水听器样机,并在水池中对矢量水听器样机进行测试。测试结果表明,10 kHz处x、y、z通道的声压灵敏度级均大于-172 dB(0 dB参考值1 V/μPa),且具有良好的余弦指向性;声压通道灵敏度级达到-198 dB,可以用于水声通信中8~13 kHz信号的获取。     

一种仿侧线神经丘的MEMS矢量水听器设计

基于仿生学原理,设计了一种仿侧线神经丘的微电子机械系统(MEMS)矢量水听器。该水听器采用环形纤毛模拟鱼类侧线神经丘中的纤毛束与胶质顶,通过4个十字梁与集成在梁上的压敏电阻将声信号转换为电阻变化量,由电阻构成Wheatstone电桥将电阻变化量转换为电压信号。使用ANSYS软件对水听器结构进行了仿真,得到环形纤毛的结构参数。制作了水听器样机,通过比较校准法进行测试。测试结果表明该水听器带宽为20～1 000 Hz,灵敏度达到了-179.81 dB@1 kHz,在带宽内较单个十字梁与纤毛结构的纤毛式矢量水听器平均提高了15.55 dB,测试结果与仿真结论基本一致。     

低频水声通信系统水听器流噪声数值分析

低频水声通信是实现远距离水下无线通信的一种重要方式，在海洋科考、环境监测及军事等领域应用广泛。流噪声是制约低频水声通信传输距离的重要因素之一。不同于以往对充油的拖曳线列阵声呐的流噪声研究，由于低频水声通信系统常用换能器和裸露水听器实现水下信号的发送和接收，本文以该系统中裸露水听器流噪声为研究对象，采用大涡模拟方法（Large Eddy Simulation, LES）和声学类比方法方法对水听器周围的流场、声场进行数值模拟计算分析，研究在不同外形参数、运动参数下的水听器周围的流噪声。分析对比结果表明裸露水听器周围的流噪声对低频水声通信存在影响，且流噪声声压级随着运动速度的增加而提高。本研究为提升远程低频水声通信性能提供了噪声方面的理论基础。      

复合式MEMS水听器的设计

针对微机电系统(MEMS)仿生矢量水听器工作频带窄,灵敏度低,且存在左、右舷模糊问题,设计了高灵敏宽频带复合式MEMS水听器。矢量部分选择4个不同纤毛长度的仿生矢量水听器组成阵列,各结构间采用并联方式,工作频带拓宽到4 800Hz,并分割出4个不同的频率段,在拓宽了频响带宽的同时保证了灵敏度。标量部分采用低频电容水声传感器进行优化设计,空腔注满硅油、振膜开设声学孔,提高振膜承压性的同时保证了良好的动态性能。后续对标量和矢量信息进行声能流联合算法处理,解决了左右舷模糊的难题。该文主要介绍了复合式MEMS水听器的工作原理,结合ANSYS workbench进行了仿真验证。选用玻璃片及绝缘衬底上的硅(SOI)片键合的单片集成复合结构工艺设计,在玻璃上定义空腔及下电极,在SOI片上定义十字梁和振膜,整体结构一致性好,定位精度高。     

薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器

分析了薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器的基本原理.用光纤迈克耳孙干涉法测量水声压差信号,用琼斯矩阵理论分析了干涉系统的偏振衰落原因并用法拉第镜实现偏振补偿.分析了压差判向的声学原理,仿真了余弦指向性曲线.用轴对称问题的准静态弹性力学原理分析了水听器背衬结构模型,得出声压差相移灵敏度的解析式.实验设计并实现了薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器样机,其测量的声压相移灵敏度与理论计算结果基本吻合,其指向性测量与计算机仿真分析基本一致.在低频段灵敏度上取得了突破,为低频水声环境应用压差式矢量水听器提供了依据,为小尺寸高灵敏度光纤矢量水听器的研制提供了参考.