用刚性表面球形传声器阵列重构入射波声场与识别定位声源

刚性表面球形传声器阵列是测量三维声场常用的前端,由于刚性球面对入射波声场有散射影响,直接测量值不是原入射波声场的声压值,因而不能使用在自由声场条件下建立的声场模型和近场声全息方法来重构入射波声场.通过刚性球体表面声波散射的数学模型,建立起入射波声压与发生散射后总声压之间的关系,进而通过刚性表面球形传声器阵列测量声压,计算入射波声场分布,并进行声源识别定位.通过仿真与实验,检验了球面入射波遇到刚性表面球体发生散射后,球体表面处声压分布的变化.由球面近场声全息方法,重构球形阵列表面及外部空间的入射波声场,检验了波数、重构距离参数变化对声场重构精度的影响.结果表明:采用刚性表面球形传声器阵列测得的声场总声压,运用根据声波散射模型建立的球面近场声全息方法,可以以一定的精度重构出入射波声场的三维空间分布.     

同面散射场电容式砂含水量传感器的研究

针对电容式砂含水量传感器的特殊结构,本文从同面散射场电容传感器的等效电容的分析出发,优化了电容极板的大小;使用有限元法分析了极板间距、极板对数以及极板结构对传感器灵敏度的影响;并对传感器的隔离板材料的介电常数选择问题进行了探讨。结果表明双电极小极板结构的普通陶瓷隔离的传感器结构尺寸小,灵敏度高。本研究对同面散射场电容式砂含水量传感器的结构参数优化有实际指导意义。     

基于矢量传感器的海洋声场观测潜标系统

以三维矢量传感器为核心,构建海洋矢量声场观测潜标系统。潜标由定深锚固定,工作于指定海深,可完成海洋矢量声场信息的观测与存储。矢量传感器输出的矢量声信号,经前置预处理后采样,并以文件分配表（FAT）32文件格式存储于潜标微型快擦写存储卡（CF）中;矢量传感器水下姿态由潜标中三维地磁姿态仪实时给出。潜标集成USB传输模块,回收后可通过USB串口完成数据上传PC机。海试结果表明：潜标系统可正确记录海洋矢量声场信息,且可稳定水下工作90d以上。     

浅海表面散射敏感核函数特性研究

海水表面因海浪等因素引起的水面散射会造成声场的扰动,为研究高频条件下海面起伏对接收声场的影响,基于表面散射敏感核函数(SSK)的推导结果,分别从声场的数值仿真和敏感核正演两个角度对接收声场的声压相对变化进行了分析.结果表明表面散射敏感核的空间分布特性与本征声线在水面反射的位置有关,通过线性分析说明了在较小的扰动范围内,...     

丝网印刷法制备极限电流氧传感器扩散孔的研究

为了研究采用丝网印刷法制备的小孔扩散障对极限电流氧传感器的影响,采用流延法制备8%molY_2O_3稳定ZrO_2(8YSZ)膜片;通过丝网印制法制备了敏感电极和扩散障,最后通过共烧获得小孔扩散障型极限电流氧传感器。利用扫描电镜(SEM)等手段对氧传感器进行物理结构的表征,发现通过丝网印刷获得的传感器扩散障结构良好,多层对位效果良好。通过计算验证了8YSZ电导率能产生足够大的泵氧电流。进一步对传感器的气敏特性进行测试,发现传感器具有一定的饱和平台,工作温度对极限电流具有一定的影响,同时发现极限电流与氧气浓度存在正常扩散模型的线性关系。     

四元声传感器面阵快速测向算法及误差分析

为了对低速移动的声源目标进行较高实时性的方向跟踪,把四元声传感器面阵分为两个二元线阵,分别对目标进行测向,然后融合两组测量结果,给出了目标方位角的计算公式.根据线阵在被跟踪目标方位角不同时测向精度的不同,用加权因子增加较高精度的线阵测量结果的影响,降低误差较大的线阵测量结果的影响.该算法可对传感器阵列所在平面内任意方位的声源快速进行测向,完成一次测向只需对两对时间采样序列分别进行互相关运算,并可获得较高的定向精度,通过实验验证了该算法的精度和有效性.     

基于信噪比估计和矢量平均的干涉仪抗噪声测向方法

针对低信噪比条件下干涉仪测向准确度低的问题,提出了一种基于信噪比估计和相位差矢量平均的自适应测向方法。本文方法通过对多次测量的相位差复数矢量求平均来提高相位差的测量精度和稳定性,从而提高测向性能。提出的自适应准则通过估计来波信噪比,可快速确定不同信噪比下矢量平均所需样本量,使处理后信号达到设定信噪比阈值,获得稳定的测向准确度。分析了信噪比阈值对本方法测向性能的影响。本文方法计算复杂性小,对测向实时性影 响小。理论分析和仿真结果表明：本方法在低信噪比条件下可以达到很高的测向准确度,对低信噪比条件下的测向性能改善明显。     

多元高斯声束模型相控阵超声传感器声场仿真

由于高斯函数积分的简单性,利用扩展多元高斯声束模型对矩形相控线阵超声传感器偏转聚焦时的辐射声场进行了理论计算,并在一种介质中与更精确的瑞利积分进行了分析和对比,在偏转角度不是很大的情况下,计算结果非常符合。利用该方法计算了传感器安装在契块上时固体试件中的声场分布,并在入射角大于10°(折射角大于20°)时,对结果进行了修正,使声场计算的偏转范围增大,进一步丰富了高斯叠加方法的适用范围。     

基于矢量信号处理的水下目标定位和跟踪设计

通过仿真实验,提出基于矢量信号处理的水下目标定位和跟踪设计.以传统的三元对称阵和单站纯方位目标被动测距方法为基础,根据被动测向得到的目标方位信息,利用三个矢量传感器阵元组成联合测量阵,进行水下目标的被动定位和轨迹跟踪.考虑现场实际测量情况,对目标测向得到的方向信号就时间延迟进行补偿,提高了水下目标被动定位和跟踪的精度及可靠性.仿真实验说明,设计实际操作性好,能够对目标进行更加理想的跟踪定位.     

基于二维压差矢量传感器的定向误差分析

由于压差矢量传感器自身的结构和实际工程应用中,它的四基元制作工艺的不完全一致和自身的装配误差,导致水下目标定向时定向精度不准确。以二维压差矢量传感器为研究对象,分析了单个二维压差矢量传感器的结构和原理,在低噪声情况下采用相关性定向的方法实现目标的精确定向,同时分析二维矢量传感器产生的基元位置偏差与基元通道不一致性对目标方位估计的影响,并进行仿真,得出并验证影响矢量传感器方位估计的主要因素,方便方位估计的补偿研究。     

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%。     

矢量水听器综述

概述了水声换能器的内涵,水声测量用传感器的分类和作用;介绍了国外矢量水听器的技术发展及应用动态。归纳了矢量水听器在低频、高灵敏度的检测需求趋势和在高性能、小型化的实用需求以及包括薄膜检测、阵列检测的微光学检测、MEMS检测的技术发展趋势。     

基于压电加速度计的同振型矢量水听器的设计

介绍一种压电加速度计在新型水声接收换能器———同振型矢量水听器设计中的应用方法。叙述了采用压电加速度计设计同振型矢量水听器的理论依据,并给出根据此方法设计制作的同振型矢量水听器的自由场开路电压灵敏度和指向性图测试结果:自由场电压灵敏度为-190～-200dB(0dB=1V/μPa,测试频率1000Hz),指向性图分辨力kd>20dB。     

Modeling and characterization of a micromachined artificial hair cell vector hydrophone

In the paper, a micromachined artificial vector hydrophone arises from a biological inspiration, the fish hair cell is presented. It is desirable that the application of piezoresistive effects combined with ingenious bionic structure and MEMS technology may improve the low-frequency sensitivity of the vector hydrophone as well as its miniaturization. Modeling processes for realizing the artificial hair cell hydrophone, along with preliminary characterization results in terms of sensitivity, frequency response and directivity patterns are also introduced. The microstructure of the sensor consists of four vertical cantilever beams with attached rigid plastic cylinder in the center of the structure. By locating eight piezoresistors logically formed the Wheatstone bridges; they can detect two components of underwater acoustic signal simultaneously. The prepared vector hydrophone has been measured in the standing wave field finally. The experiment results show that the vector hydrophone has good low-frequency characteristic, the free-field voltage sensitivity is −197.2 dB (0 dB = 1 V/μPa) at 400 Hz with a about 2 dB one-third octave positive slope over the 40–400 Hz bandwidth. The depth of pits of the directivity pattern is about 34.6 dB.     

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.     

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°。     

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.     

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°。     

应用匹配场实现单矢量水听器被动定位

将匹配场原理应用到单矢量水听器上,实现对目标声源的被动定位。对常用的2种Bartlett处理器进行仿真分析,提出了一种改进的Bartlett处理器,可以抑制旁瓣个数并提高主瓣强度。通过试验数据分析,在1.3 km的范围内,接收信噪比不低于10 dB时,测距和测向误差可以控制在10%以内。该研究为单矢量水听器的实际应用提供了重要的参考依据。     

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.