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。     

Sagnac干涉式光纤水听器传感特性理论研究

从理论上分析了Sagnac光纤水听器传感特性与信号频率、探头传感光纤长度、延时光纤长度之间的关系.分析结果表明,Sagnac光纤水听器对于相同的信号频率,其声压相位灵敏度变化周期仅与探头在Sagnac环中位置有关,延时光纤长度增加,声压相位灵敏度周期随之变短.水听器声压相位灵敏度的幅值仅与传感光纤长度有关,传感光纤长度增加,水听器声压相位灵敏度随之提高.仿真计算验证了理论分析结果,对Sagnac光纤水听器的设计和应用有一定的指导意义.     

应用于舷侧阵的分布反馈式光纤激光水听器研究

为减小分布反馈式(DFB)光纤激光器在水声探测时的扰动,设计了一种双膜片式封装结构的光纤激光水听器。该结构通过膜片增大声压作用面积,并转化为激光器的轴向应变以实现增敏。利用有限元软件ANSYS对该结构进行了仿真分析,加工制作了双膜片式结构封装的DFB光纤激光水听器原型样品,并对其进行了水声实验研究。实验测得,研制的双膜片端面增敏结构的DFB光纤激光水听器在2.5~10kHz的平均声压灵敏度为-136.9dB,波动幅度不高于±0.5dB,水听器的工作频带向高频得到了有效拓宽,使其能很好地满足舷侧阵的工程化应用要求。     

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。     

基于相位载波解调的声低通滤波光纤水听器抗混叠性能实验研究

报道了声低通滤波光纤水听器的抗混叠实验结果.声低通滤波光纤水听器足为解决高频混叠问题而提出的一种新型光纤水听器.理论分析和实验研究已经表明.该类光纤水听器的声压灵敏度频响具有较好的低通滤波特性,对高频声信号有很强的抑制作用.通过设计对比实验,研究了高频干扰对普通光纤水听器系统信号解调的影响,以及声低通滤波光纤水听器的抗混叠性能.结果表明,当强高频干扰使得普通光纤水听器系统无法进行正确的信号解调时,声低通滤波光纤水听器的信号解调系统仍然能够正常工作,解调得到的声信号与没有干扰时的结果一致性非常好,相关系数在0.99以上.     

基于矢量水听器的信号调理电路设计研究

矢量水听器可以有效地获取水下的声信号,并将其转化成可以进行处理的电信号,但是此信号十分微弱,并且掺杂着水中复杂的噪声,为了有效实现信号处理,设计了信号调理电路,分为电源模块、放大模块和滤波模块,可以提高输出信号的信噪比。通过对电路进行仿真以及测试实验,验证了设计的有效性。     

确定信号情况下矢量水听器检测及估计性能研究

在某些场合,例如水下定位、编码通信,信号具有确知脉冲信号特性,声源相对于接收器的方位,可以采用矢量水听器处理来获得。对于确知脉冲信号,本文证明了在各向同性噪声场下,参考声压和振速的相关处理器的方向是声源方位的最大似然方位估计,以及方位估计的克拉美-罗界CRB(Cramer-Rao Bound)。给出了计算机的仿真结果。     

一种跨介质的空中-水下激光致声探测技术研究

跨空水介质间的探测技术是世界主要海洋国家的热点研究问题。为研究空中平台与水下的激光致声探测技术,文中在光击穿机制下采用纳秒脉冲激光与水听器之间的光声信号转换来进行空-水跨介质探测模拟实验研究及验证工作。搭建了激光致声空气-水下实验测试系统,采集了激光声扫描探测数据,对典型实验数据在时域内进行分析得出了激光激励声波的传播特性,根据时间互易原理实现了水下激光声信号的三维探测成像。利用有限元法进行激光在水下激发声波及传播的数值仿真,据此对实验进行了验证。此外,从仿真中发现通过提高脉冲能量至2.8×1010 W/cm2所激励的声波在传播400 m后仍能观测出明显的信号,信噪比约为11.3 dB,证明了百米级传输及探测的可能性。此研究结果为采用激光致声技术进行跨空-水介质探测提供了依据。     

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。     

新型水听器电缆

一、前言新型水听器电缆用于水下信号测试。水听器是一种压电晶片,它把海洋中的声压转换成电压,通过水听器电缆传输到高阻抗高增益放大器来实现测试,在海洋的干扰中提取微弱的信号。由于传输的信号极其微弱,传输的距离     

非合作水声脉冲信号的单水听器匹配场定位研究

该文以非合作水声脉冲信号为对象,研究非合作条件下水声信号的单水听器匹配场定位。首先根据水声脉冲信号的短时瞬态非平稳特性,设计具有自适应径向高斯核函数的时频分布进行频率估计。然后利用声场传播模型计算声场,求解海洋信道脉冲响应。由计算出的信道脉冲响应和水听器上的接收信号,使用时域最小二乘的方法得到搜索网格区域上的拷贝场信号。最后通过建立误差代价函数,获得表征目标位置的模糊表面,实现利用单个水听器对非合作水声脉冲信号的匹配场定位。通过仿真实验和实际海试数据的验证,证明了该方法的有效性。     

遗传算法在矢量传感器对目标进行定向中的应用

矢量传感器通过测量水中质点的振速信息,仅用单个的矢量传感器就可以进行水下目标的方位估计。本文分析了声压梯度法和互谱声强法的定向原理,并将遗传算法引入互谱声强法目标定向中。通过构建适应度函数,根据信号适应度函数进行遗传选择,舍弃不稳定信号,对有用信号进行杂交,从而获得较高的定向精度。仿真结果表明,该算法可以有效地进行目标方位估计,进一步提高定向精度。     

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。      

压差式光纤矢量水听器声压相位灵敏度研究

该文介绍了压差式光纤矢量水听器及其基元的工作原理,并分析了光纤层等效处理对仿真结果的影响。基于有限元法对压差式光纤矢量水听器的基本性能进行了仿真分析,根据仿真模型所选定的参数研制压差式光纤矢量水听器样品,并对样品在频率为20～1 000 Hz时进行了测试。测试结果表明,声压相位灵敏度的仿真计算结果与实验测试结果基本一致,平均差值约为1.0 dB。研究结果表明,采用有限元法对压差式光纤矢量水听器的声压相位灵敏度进行仿真具有可行性。     

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。     

压差式光纤矢量水听器驻波场校准特性研究

利用压差式光纤矢量水听器获取复声阻抗下的声场信息,不仅需对实声阻抗下声信号的相位进行校准,还必须对虚阻抗下声信号的幅度作校准。驻波场下声阻抗为虚数,可实现声信号幅度的校准,由于2个传感基元灵敏度存在差异,声压梯度值与理论值存在幅度的差异,指向性特性为一大一小的"8"字型,凹点发生偏移。采用双光纤干涉仪结构的一维压差式光纤矢量水听器进行测试,证明了上述结论,采用灵敏度修正,可将两基元灵敏度非一致对指向性造成的影响消除,得到较理想的指向性曲线,实现对声信号幅度的校准。     

混沌滤波器对水声信号非线性动力学特性的影响

 本文探讨了混沌滤波器在水声信号处理中的一种新的应用.混沌蔡氏电路产生的信号进行频带调制和高通IIR滤波后,由水声换能器发射并经过水池传播和接收.实验结果表明混沌滤波器实现了频带搬移,且接收到的水声信号具有与原始的混沌发射信号相似的宽频带特性.进一步,运用非线性动力学方法对原始混沌电路信号和接收水声信号进行时间序列分析比较.发现接收的水声信号具有比发射的原始混沌信号更为不规则的重建相空间和更高的分形维数.混沌滤波器运用于水声信道提高了接收信号的非线性复杂特性.     

电容式微机械超声换能器封装设计

针对电容式微机械超声换能器(CMUT)封装材料阻抗匹配失衡,应力大及声波能量损失大等问题,设计了一种在水下10m透声性能好、弯曲形变小的聚氯乙烯封装结构。依据透声理论和材料属性,计算封装结构参数。利用COMSOL Multiphysics 5.0建立封装结构三维有限元模型,通过模态分析和静态分析分别得到封装结构的固有属性和水下机械性能。封装结构的一阶共振频率为792.47Hz,不会对CMUT 400kHz的工作频段产生干扰。利用压力平衡装置保护水下系统安全性,水下10m最大形变为1.12mm,最大应力为14.4 MPa,未超过聚氯乙烯的弯曲强度。实际测试声压与理论值最大误差为4.8%,物距测量误差为1mm,设计的CMUT封装结构满足设计要求。