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。     

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。     

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。     

单矢量水听器被动测距方法研究

提出一种利用单矢量水听器接收信号的相位信息实现目标被动测距的方法。该方法借鉴匹配场被动定位的思想,首先根据简正波声场模型建立匹配模板,然后引入图像处理中的相位相关算法,将目标的相位信息与模板进行匹配,从而得到目标的距离。对该方法的有效性与稳健性进行了详细地研究与分析。仿真结果表明,该方法可以有效地实现目标的被动测距,且具有稳健性强、计算速度快、不需要考虑阵型姿态失配等优点,是声呐信号处理的新途径,为实际的工程应用奠定了理论基础。     

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。     

基于确定压缩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。本文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（deterministic compressive sampling vector hydrophone array,DCV）结构,并将其与改进的多重信号分类算法（modified multiple signal classification,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。     

仿生偏振视觉定位定向机理与实验

为了有效利用全天域的偏振光信息,探究仿生偏振光导航机理,设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法,推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式,将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题,推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后,设计了静态实验与转动实验,对理论分析结果进行了验证。实验结果显示:测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致,并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°,误差标准差为0.14°;基于1h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°,误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理,为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。     

基于眼动跟踪实验的产品形态仿生设计研究

为解决形态仿生设计特征确定的问题,以认知学和仿生学相关理论为基础,将眼动跟踪技术运用于形态仿生样本测试,提出一种通过确定形态仿生特征来激发设计师产品造型创意的方法。以平地机造型概念设计为例,选用螳螂为仿生对象,通过眼动跟踪实验得到眼动路径、注视频率、注视时间和注视点数量等数据,以定量实验方法分析得出生物原型的典型形态特征排序,以此作为设计人员进行创意设计的重要参考。     

新型谐振式传感器研究

讨论了一种新型声波测距系统的机理。由赫姆霍茨谐振器的原理知，容器体积V与其谐振频率ω0之间存在着数学关系；当传感器探头向料仓扫描式发射频率段时，探头同时接收回波并由单片机检测出谐振频率ω0。依据谐振频率ω0值求出料仓体积V，从而求出料位H。谐振式传感器探头由动圈式高频电动扬声器、电容传声器及单片机控制板组成；声波由电动扬声器发射，声波接收采用电容传声器。该传感器可应用在精度要求不高的固态料位、粉状料位和液位的检测。     

仿生MEMS功能表面的分形设计

从研究具有超疏水能力荷叶表面结构特征出发，设计减摩防粘的MEMS功能表面分形模型。通过设置表面接触角等表面参数，建立了满足条件的MEMS功能表面，以达到减摩防粘的性能要求。     

咽颌运动模式仿生胸鳍的建模及试验研究

从咽颌运动模式鱼类胸鳍的骨骼结构和神经肌肉控制机理出发,充分发挥导边鳍条和后缘边鳍条的引导作用,设计一套新型的柔性仿生胸鳍,建立此仿生胸鳍的样机及其运动学和动力学模型。并对仿生胸鳍的推进运动进行了仿真分析和试验研究。将上述仿生胸鳍推进运动的仿真结果、试验结果以及实际胸鳍推进运动的观测结果进行了比较研究可以看出,所建立的仿生胸鳍数学模型是合理、有效的,能够较好地仿真仿生胸鳍的推进运动,同时从中也可以看出,所建立的胸鳍仿生机构能够较好地模拟鱼类胸鳍的推进运动。     

一种基于MEMS技术的新型谐振式微流量传感器

提出了一种新颖的微机械谐振式微流量传感器.该传感器采用电磁激励方式.传感器主要由1个3 μm 厚H型谐振器、1个40 μm厚的悬臂梁平板(2 000 μm×5 000 μm)以及连接平板和框架的2根40 μm厚的支撑梁组成.谐振器采用低应力富硅氮化硅SiN制作,可以方便地使用湿法腐蚀释放谐振器,从而简化工艺流程,提高成品率.文中分析了理论模型、有限元仿真(FEA)、工艺制造和测试结果.测试结果显示,传感器在1 SLM(标准L/min)流量下,频率漂移为500 Hz,分辨率达到5/1 000.但在输出(谐振器频率漂移)和输入(气体流量)间存在二次曲线关系.     

基于谐振式MEMS传感器的仪表开发关键技术

针对基于谐振式MEMS传感器开发数字智能仪器仪表的高精度、快响应频率测量技术展开研究。以一谐振式MEMS气压传感器为开发样件,其差分输出是两路40～70 kHz之间的正弦频率信号。对传统的频率测量方法进行阐述分析,提出一种新的结合传统测频方法各自优点的频率检测方法。设计实现相关软、硬件,搭建测试系统,实验结果表明该测频方案针对40～70 kHz的频率信号误差小于±0.02 Hz,响应时间为1 s以内。     

基于矢量阵测量的振速重构近场声全息技术

近场声全息技术是一种声源识别和声场可视化技术,它通过在辐射体的近场测量声压数据可以重建和预测出整个三维空间声场的声学量.针对水中声源的振速重构问题,采用质点振速测量来进行声全息重构,推导基于振速重构的平面近场声全息技术的重建公式.利用所编制的程序进行仿真验证,采用矢量水听器进行水中全息试验,验证矢量阵应用于水中近场全息测量的可行性和准确性.试验结果表明,该技术在水中声源辐射声场的噪声源识别和定位中有着明显的优势.     

微小型仿生变体驱动机器人的研究

为了满足各种极限环境下的检测和作业要求,需要研制一类环境适应性强,负载能力大的机器人。本文运用变体仿生学的原理,结合机械手D－H法,研制成功微小型仿生变体驱动机器人。实验证明,机器人控制灵活,具有较大的负载能力和很强的环境适应能力,有望完成在各种特殊微小领域的在线检测和作业。