单矢量水听器对海面目标高分辨定位方法研究

建立单矢量水听器简正波接收模型,引入高分辨算法构造代价函数对目标的距离和角度进行匹配搜索,实现对浅海中水面目标的定位。仿真结果表明：当接收信噪比不低于15 dG时,该方法依靠单矢量水听器就可以对水面目标进行定位。通过海试数据处理结果分析,在3 km范围内,在较高信噪比时,定位误差小于5%。实验数据验证了算法的有效性。     

四元阵型MEMS矢量水听器微结构设计

针对当前的MEMS矢量水听器存在左右舷模糊问题,提出了一种四元阵型MEMS矢量水听器微结构。首先,从理论上分析了当前的MEMS矢量水听器左右舷模糊问题,从而提出了可消除左右舷模糊的四元阵型MEMS矢量水听器微结构。其次,对四元阵型MEMS矢量水听器微结构进行有限元仿真,声源方向可以通过分析各阵元应力分布情况而唯一确定。最后,通过驻波声场试验验证其可行性,结果表明,该微结构可实现左右舷分辨,有效消除左右舷模糊。     

MEMS矢量水听器阵列信号处理研究

MEMS矢量水听器是一种新型的水声传感器,对这种传感器的原理进行了简要介绍。为了验证该MEMS矢量水听器阵列的目标估计性能,进行了矢量阵的深海实验研究,选取了MUSIC算法应用于该MEMS矢量阵。实验结果表明:在复杂海洋环境中,该MEMS矢量阵能够实现对目标的方位估计和水下运动目标的航迹跟踪,从而验证了该MEMS矢量水听器成阵的可行性,为工程化应用奠定了基础。     

基于压差式矢量水听器的多目标分辨

矢量水听器是一种既能测量声场中的声压信息,又能测量声场中的振速信息的换能器.矢量特性使得单个矢量水听器就可以实现信号的方位估计,但是传统的矢量水听器处理方法只是利用了信息量增加这一优点,因而提出了一种利用单个压差式矢量水听器进行非相关目标方位估计方法,该方法有效利用声场中声压和质点间振速之间的互相关性,仿真和测试结果表明该方法能有效地进行双目标分辨.     

单片集成四元阵列式MEMS矢量水听器的研究

针对当前对MEMS矢量水听器高可靠性迫切要求,设计了2×2单片集成四元阵列式MEMS矢量水听器,以保证其中一个敏感微结构失效损坏或工作不正常时,水听器仍能正常工作.结合ANSYS软件对阵列敏感微结构进行了仿真分析;设计了该微结构的加工工艺流程;最后,对阵列式MEMS矢量水听器进行水声校准测试.测试结果表明:阵列式水听器可靠性明显提高,灵敏度达到-179 dB(0 dB =1V/μPa),具有良好的“8”字指向性.     

MEMS矢量水听器及其方位估计研究

水下目标被动侦测对高灵敏、低频检测矢量水听器提出了越来越高的要求,传统的矢量水听器已不能满足需求。基于新原理的矢量水听器的大量研究,提出了一种新的MEMS矢量水听器,介绍了该水听器方位检测原理;设计了方位估计实验方案,完成了实际的方位估计实验。测试结果表明：该水听器角度测试值与真实值基本相符,误差约为2°。     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果。通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性。实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500Hz时达到-189.6dB(0dB=1V/μPa),并具有良好的“8”字形的指向性。     

基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向研究

MEMS矢量水听器不仅可以测量声压信号,还可以测量质点的振速信号,它具有与频率无关的偶极子自然指向性.单一的矢量水听器就能够测量水中的声压和质点振速.利用矢量水听器的这种特性,结合波束形成原理,采用数字信号处理(DSP)技术,设计了基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向系统,并进行了实际测试,结果表明:该系统能很好地实现对目标360°方位的定向功能.     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果.通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性.实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500 Hz时达到-189.6 dB(0 dB=1 V/μPa),并具有良好的"8"字形的指向性.     

流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响

由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器具有低频、灵敏度高等性能特点,但是由于流体的影响,水听器微结构在空气中的共振频率与液体中不同,为此研究了流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响。首先,理论上分析了流体对共振频率的影响。然后,采用ANSYS对空气中和液体中MEMS矢量水听器的共振频率进行仿真。最后分别采用振动台和矢量水听器校准系统进行了测试。结果表明MEMS矢量水听器在水中的共振频率较空气中下降了约31.2%。     

磁方位修正MEMS矢量水声传感器研制

介绍了一种磁方位补偿微机电系统(MEMS)矢量水声传感器.采用电容原理MEMS技术构造内部振子,并与信号处理电路紧靠方式设计,可减小噪声干扰并抑制信号衰减.利用磁方位修正技术,对MEMS矢量水声传感器判定的方位进行修正,解决了单个矢量水声传感器定向精度不高问题.传感器完成了国家一级计量站标定和磁方位误差修正测试,测试结果验证了定向方法的可行性,矢量水声传感器可实现水下目标探测、定位及导航等任务.     

Advancements in technology and design of NEMS vector hydrophone

This paper reports on recent developments to improve the performance of hair vector hydrophone by means of several technological advancements in the fabrication procedures and corresponding sensor design. With fish’s lateral line organs as prototypes, NEMS (Nano-Electromechanical System) vector hydrophone with directivity has been designed. This paper describes the meso-piezoresistance effect of resonant tunneling thin-film, and the NEMS hydrophone based on this effect is highly sensitive and small size. The application of bionics structure may improve the low-frequency sensitivity of hydrophone. The calibration test shows that NEMS vector hydrophone’s receiving sensitivity is up to −170 dB (0dB = 1 V/μPa), has a good directional pattern in the form of “8” shape. The sea test shows that the direction of target can be detected by single NEMS vector hydrophone. In the anechoic tank, it has been verified that NEMS vector hydrophone can track the trajectory of the moving target.     

低频矢量水听器目标绝对方位估计海上试验研究

矢量水听器技术目前已被广泛应用于目标到达方位估计领域。因其具有与频率无关的指向性特点,即使利用单个矢量水听器也可以测定低至几十赫兹的低频目标方位,而标量水听器在低频的到达方位估计则需要巨大孔径的阵列才能完成上述测量功能。针对矢量水听器这一优点,对低频(100～300 Hz)声信号的方位估计性能进行了海上试验研究,并结合罗经同步测得的平台方位数据,给出了目标在大地坐标系下的绝对方位。海上试验结果表明:矢量水听器低频方位估计结果与GPS测量结果一致,在3.6km距离范围内,到达方位估计标准差不超过5°。     

纳机电矢量水听器耐压结构设计

纳机电矢量水听器具有低频性能好,灵敏度高等性能优点,在深海探测领域具有巨大的应用潜力,为满足超深水工作的要求提出了绝缘托盘式新型封装结构,解决了纳机电矢量水听器的耐高静水压技术难题。首先,进行聚氨酯透声帽外围封装承压分析,理论论证聚氨酯基体树脂材料的极限耐静水压强度为42.3 MPa。然后,对MEMS芯片输出电压进行理论计算以及对其进行模态仿真,得出在高达20 MPa的静水压作用下,传感器的输出灵敏度基本无变化,而且工作频带有所拓宽。测试结果表明:改进封装的纳机电矢量水听器在高压20 MPa时,可以实时获得敲击信号;加压前后,该水听器在20 Hz~1 000 Hz工作频带内水听器的灵敏度和指向性基本一致。     

新型三维MEMS矢量水听器的设计

根据国内对高灵敏度、低频小体积三维矢量水听器的需求,提出了一种仿鱼侧线纤毛的MEMS三维矢量水听器。该水听器采用多纤毛结构分别用来接收X、Y与Z方向的声信息,采用ANSYS进行仿真,静力分析得出了布放压阻的合理位置,谐响应分析得出该结构的固有频率在1.5 kHz左右;驻波桶校准测试结果表明:该水听器的灵敏度范围在-200 dB到-180 dB左右;在25 Hz～2 000 Hz频段内具有良好的频响特性;指向性分辨率大于等于30 dB,具有良好的"8"字形指向性。     

基于共振隧穿二极管的矢量水声传感器设计

提出了一种基于共振隧穿二极管(RTD)的矢量水声传感器,传感器采用共振隧穿二极管作为敏感元件,共振隧穿二极管布置在传感器结构中柱体的四周边缘.两个反方向变化的基于共振隧穿二极管的振荡器的输出信号通过信号处理电路预处理后输入微处理器,计算出声源水平方位角和声压.分析并设计了基于共振隧穿二极管的振荡电路、矢量水声传感器物理结构以及制作工艺,讨论了传感器信号处理方法.