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°。     

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.     

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.     

声传感器阵列的实验研究

海洋中对目标的判决主要依靠于水听器阵列对水声信号的检测。为了对比声压阵与矢量阵对信号的检测能力,首先计算机仿真了声压阵和矢量阵的增益及其对目标方位的估计,而后加以实验验证。实验结果表明,矢量阵的增益高于声压阵,且其克服了声压阵左、右舷模糊的问题,能精确的对目标方位进行估计并完成对水下运动目标的航迹跟踪,从而验证了矢量阵的优越性。     

基于MUSIC算法的矢量阵波达方向估计

矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,可以空间共点、同步测量声压和质点振速的各正交分量。本文采用矢量水听器均匀线阵研究了利用MUSIC算法对声源进行方位估计,并详细描述了该算法的原理及应用过程,最后进行了几个仿真对比试验。仿真结果表明,在SNR=10dB条件下,相对于Capon波束形成器输出,MUSIC空间谱的主波束宽度锐化了2.6~0,旁瓣降低了12dB左右,利用该算法可提高对信号源的定向精度及对多目标的分辨能力。     

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。     

水下目标定向及遗传算法仿真

传统的水声定位需要一个庞大的声压水听器阵,技术复杂,耗费可观。矢量传感器是一种新型的水声传感器,仅用单个的矢量传感器就可以进行水下目标的方位估计。该文分析了矢量传感器声压梯度法和互谱声强法的定向原理,在互谱声强法仿真的基础上,将遗传算法引入水下目标定向中。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。     

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.     

矢量阵一种简单的相位误差校正方法

分析了矢量水听器阵的阵列流型和误差模型,针对矢量水听器阵列声压和振速通道存在相位误差问题,应用常规波束形成方法和MUSIC方法进行方位估计误差大。并对通道存在估计性能下降的问题,提出了一种简单的相位误差校正方法。利用阵列流型向量在信号子空间的投影,得出存在相位误差的阵列流型向量就是信号子空间的特征值为＂一＂的特征向量,通过与精确的阵列流型向量比较求出矢量阵的相位误差。最后,修正矢量阵的相位误差,得到准确的方位估计能力。通过计算机仿真,验证了算法的可行性和准确性。     

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。     

基于声矢量阵小样本数据的DOA估计研究

根据水下目标在其到达方位(DOA)搜索空间的稀疏性,采用稀疏分解理论实现了小样本、低信噪比条件下的声矢量阵DOA估计。通过分析,构造出基于声矢量阵阵列流型形式的过完备原子库,并采用正交匹配追踪算法得到目标的DOA估计。通过仿真,基于稀疏分解的声矢量阵DOA估计算法对单快拍数据进行处理,即可得到比较准确的DOA估计结果。对湖试数据进行了处理,验证了算法的有效性和优越性。     

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GA的矢量水听器阵相位误差校正方法

针对矢量水听器阵的阵列流型和误差模型,研究当矢量水听器各通道存在相位误差时,应用music算法进行方位估计和应用遗传算法进行相位误差校正的问题。为校正误差,针对传统遗传算法在对方位和相位误差进行联合估计时可能存在早熟等缺点,提出了一种将自适应和小生境技术混合的遗传算法,用动态的自适应函数值分配传统遗传算法中固定的交叉、变异概率,得到最优解,用小生境技术可以得到全局最优解。最后通过计算机仿真,验证了算法的可行性和准确性。     

基于频域相关和SVM的宽带多信号测向方法研究

提出一种基于SVM的宽带测向新方法,利用频域相关技术提取宽带范围内感兴趣的信号的相位差,利用此相位差作为支持向量机的输入特征训练DOA（Direction Of Arrival）估计模型,对宽带范围内的多个窄带或宽带信号进行测向。训练后的模型针对的是一个较宽的频段范围,有效避免了其他算法要针对不同频率频繁调整模型的问题,大大降低了计算量。实验结果也验证了该方法具有较高的测向精度和较快的测向速度。     

遗传算法用于波达方向估计的线阵优化

利用遗传算法优化阵列设计来改善声目标波达方向估计性能.研究波达方向估计采用信号相位匹配原理的奇异值分解法SVDSPM,利用遗传算法对线阵进行了优化.优化时,阵列孔径不变,将阵元数目作为优化变量,优化目标是降低DOA估计误差.仿真结果标明:优化后在阵元数目减少的情况下,DOA估计偏差和均方误差更小.而且优化的阵列有好的低信噪比及宽带信号波达方向估计的能力.     

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.     

基于Parylene 封装的宽频带MEMS矢量水听器

针对目前水听器的聚氨酯封装所导致的窄频带问题,提出一种新的高疏水Parylene薄膜无透声帽封装矢量水听器,即利用Parylene薄膜的淀积高保形性、低渗透性和高绝缘性实现无透声帽封装,解决透声帽带来共振峰引入问题,拓宽水听器的频带。实验结果表明：水听器的共振峰由450 Hz提高到了1400 Hz。     

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.     

一种实用的盲波束形成和DOA估计方法

基于子空间分解的原理对相关文献的方法进行了改进.用平均时间延迟协方差矩阵的奇异值分解代替传感器数据矩阵的奇异值分解,大大地提高了运算速度,使模型和算法能更有效地应用于实际情况.同时仿真实验和海上实测数据结果表明,该方法能很好地实现方位估计和信号恢复,而且性能更佳.