基于MEMS矢量水听器微弱信号提取电路的设计与测试

文中介绍了一种基于纤毛式MEMS矢量水听器微弱信号提取电路。该电路采用两级信号放大,两级之间设计二阶巴特沃斯低通滤波器。该电路设计经电路仿真软件进行仿真和水下测试。测试结果表明:该微弱信号提取电路可以很好地对水听器采集到的信号进行放大,表现为水听器的接收灵敏度为-160 dB(0 dB=1 V/μPa)。采用这种电路设计的MEMS矢量水听器不仅具有令人满意的"8"字形方向特性,而且具有良好的低频特性,可以满足低频声学测试需要。     

大深度同振式矢量水听器耐压结构设计

针对当前矢量水听器工作深度小,无法在水下滑翔机、剖面浮标等大深度水下无人平台上应用的问题,设计了一种大深度同振式矢量水听器的耐压结构。通过分析同振式矢量水听器的拾振原理可知,在设计大深度矢量水听器时,要在满足耐压要求的前提下,使其平均密度与水相当,并使其体积尽量小。采用胶囊形铝合金薄壳方案设计耐压结构,并对该结构的强度失效和稳定性失效临界压力进行了理论计算和有限元仿真,计算和仿真结果显示该耐压结构能够承受20 MPa的压力。最后对矢量水听器样品进行了声学性能测试和耐压测试,该矢量水听器声学性能良好,耐压能力为20 MPa。海上试验表明,该同振式矢量水听器可以在"海燕-Ⅱ"水下滑翔机等大深度水下无人平台上应用。     

MEMS矢量水听器的温度特性及其补偿方法研究

文中以MEMS矢量水听器为研究对象,分析其温度特性,采用BP神经网络方法进行温度补偿。海水的温度范围为-2~30℃,在该范围内对水听器的温度特性进行测试。测试结果表明:随着温度的变化,MEMS矢量水听器产生温度漂移,使其灵敏度发生浮动,这样严重制约了水听器的测量精度和应用范围。采用BP神经网络算法对水听器进行温度补偿,将水听器测量电压值和实时温度进行数据融合,削弱了环境温度的影响。补偿后,水听器的温度漂移显著降低,不同工作温度下的灵敏度曲线高度重合,灵敏度浮动不超过2 d B。     

单矢量水听器DOA估计算法研究

近年来,一种新型声传感器--矢量水听器引起了人们极大的关注.这种传感器不仅能获取声压这一声场的标量参数,而且能同时获取质点振速这一矢量参数,为完整地利用声场信息进行信号处理提供了充分的可能性.这里将单个矢量水听器理解为一个标量传感器阵列,根据平面波声场模型,按照阵列信号处理的原理对其输出的标量场和矢量场信息进行联合处理,构造了DOA估计算法,推导了算法原理,分析了算法的定向性能,并利用计算机仿真和海上试验数据对算法进行了验证.理论推导、仿真和试验结果均表明,该方法是一种有效的目标方位估计算法.     

用于矢量水听器的加速度敏感结构

同振式矢量水听器中常用的商用压电加速度计具有质量较大的缺点,限制了矢量水听器的性能提升。为了解决该问题,设计了一种三轴加速度敏感结构,采用厚度剪切压电效应,具有质量轻、灵敏度高等优点。该加速度敏感结构的质量仅为0.039 kg,灵敏度在200 Hz处约为3 000 mV/g,工作频段为20～2 000 Hz,工作频段内最大横向灵敏度比小于8%。将该加速度敏感结构安装在球形耐压矢量水听器中进行测试,其直径为72 mm,x,y,z通道在200 Hz处的等效声压灵敏度级分别为-191.6,-191.4和-191.8 dB,具有良好的余弦指向性,各通道一致性较好,证明其适合应用在矢量水听器中。并与安装商用加速度计的矢量水听器进行对比,证明其能够有效降低矢量水听器的平均密度,提高灵敏度。     

MEMS水听器信号FPGA自适应滤波处理

为提高MEMS水听器自主定向能力，需要硬件处理水声信号。由于水下环境系统复杂，水听器工作中经常受到各种噪声的强烈干扰，对目标定位的准确性产生极大影响。为获得优质水声数据以提高目标定位精度，基于自适应滤波原理，以FPGA为核心对水听器接收到的信号进行自适应滤波处理，将LMS自适应算法集成到硬件电路中，对接收到的原始信号进行滤波后保存至SD卡，采集完成后通过USB接口将数据传输至上位机。经验证该系统在水下工作稳定，可以对原始水声信号进行自适应滤波处理和存储，获得稳定目标信号，对后续MEMS水听器的离线目标定位有重要作用。     

单矢量水听器的几种DOA估计方法

针对单矢量水听器,将旋转不变技术(estimation of signal parameters via rotational invariance techniques,ESPRIT)等参数估计算法用于直方图统计,并提出了基于单矢量水听器的多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)算法,推导出波束形成的功率谱公式和半功率波束宽度公式以及不同声压振速组合情形下定向性能的理论下界,同时也对其他波达方向(direc-tion of arrival,DOA)估计方法进行了总结。理论分析和实验结果表明:ESPRIT等用于直方图统计后能够获取更为全面准确的目标信息;MUSIC算法可获得比最小方差无畸变响应(minimum variance distortionless response,MVDR)更高的分辨率,而且同样满足实时处理要求;MVDR的半功率波束宽度与信噪比大致呈现反比例关系,而常规波束形成(conventional beam-forming,CBF)的半功率波束宽度收敛于131.06°,两者都只与信噪比有关;声能流法等适用于较高信噪比情形,而波束形成和子空间方法的定向精度在较低信噪比情形下仍能接近理论下界,尤其是波束形成具有良好的宽容性;功率谱估计的3种算法具有相同的估计误差边界;各定向算法的时间花销都较小,均可应用于实时系统。     

MEMS矢量水听器海洋环境适应性研究

海流、温度及压力等复杂海洋环境因素会对微机电系统（micro?electro?mechanical?system，简称MEMS）矢量水听器正常工作产生干扰，影响其对微弱声信号的拾取能力。首先，建立了基于“三明治”式抗流封装结构数学模型，通过仿真得到了不同抗流结构参数对海流噪声抑制效果；其次，利用Comsol软件仿真研究了海水温度、水深（静水压强）等变化对MEMS矢量水听器灵敏度的影响；最后，通过试验验证，得出了“三明治”式抗流封装结构具有20?dB以上的抑制流噪声能力，在0~40 ℃的海水温度范围内MEMS矢量水听器的灵敏度变化量小于±0.5?dB，在0~12?MPa的静水压强范围内灵敏度变化量小于±0.9?dB，与理论分析及仿真结果基本一致。     

确定性采样的矢量水听器阵列舰船目标方位估计

使用较少的硬件电路和计算量实现高分辨率的目标方位估计一直是海域防御系统具有挑战性的研究工作。将压缩感知理论应用于矢量水听器阵列,利用确定测量矩阵建立了确定压缩采样的矢量水听器阵列(DCV)结构,并将其与改进的多重信号分类算法(MMUSIC)相结合,提出了确定压缩采样的矢量水听器阵列的MMUSIC(DCV-MMUSIC)算法。将该算法用于相关或非相关模拟舰船目标的方位估计,通过对算法的可行性、高分辨能力和改变测量次数、信噪比和快拍数等多种仿真,得出该算法可以在低信噪比和小快拍下对舰船目标进行方向估计,并且具有使用硬件电路少、计算量低和估计偏差小等优点。又将其用于实际商船目标的方位估计,得到了较好的方位估计性能。     

煤矿井下矿用本安型钻机开孔定向仪的研制

为满足煤矿井下钻机高精度、低成本开孔定向需求,提出一种集成单轴光纤陀螺和MEMS陀螺一体的开孔定向仪。论文重点介绍了系统整体方案和姿态解算算法,最后针对原型样机进行了静态性能、动态跟踪和综合性能实验,试验结果表明钻机开孔定向仪的测量精度达到了钻机定向指标要求,系统采用单轴光纤陀螺和MEMS陀螺相结合方式,发挥了两种传感器的各自优点,降低系统成本,为煤炭领域相关定位定向测试仪器研制提供了一种新思路。