硅微矢量水声传感器的封装及测试方法研究

针对目前矢量水声传感器存在的高灵敏度、低频检测以及小型化等问题,提出了一种新型的硅微MEMS矢量水声传感器.利用敏感材料的压阻效应?传感器精巧的微结构以及硅微MEMS技术,实现矢量水声传感器的低频特性和小型化的可行性.以声场中的刚硬圆柱在声波作用下的声散射问题作为切入点,对传感器的同振原理进行分析,并基于该机理以及传感器的特殊结构,提出采用注入蓖麻油的方法实现微结构的柱体与所处介质质点同振.分别采用振动台标定和驻波场测量的方法完成了传感器的灵敏度、频响以及指向性的测试,最后对2种测试结果进行了分析和比较.研究结果表明:所研制的水声传感器具有较低的工作频率,其水下自由场声压灵敏度值为-207.6 dB(0 dB=1 V/μPa,测试频率为200 Hz),指向性图的零点深度为50.9 dB.     

弹性球壳声衍射对矢量传感器测量影响

声矢量传感器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器组成,被应用于水声测量和探测领域,但作为水声测量设备它会受到安装载体衍射声场的影响,使其接收声场失真和指向性发生畸变.以实际应用需求为背景,从理论上分析了平面声波在弹性球壳上的衍射声压场和振速场;采用薄壁球壳机械阻抗近似公式,计算了球壳声衍射对矢量传感器声场测量和指向性的影响.根据共振散射理论,弹性球壳衍射声场的共振项与壳体的机械阻抗和辐射阻抗有关,而其背景项与刚性球和绝对软球的声衍射有关.计算和分析结果表明,在球壳散射声场的共振项频率处,矢量传感器的接收声场严重失真,且其指向性图变得复杂;另外,它们也与声波的入射方向和距离有关.这些结果为利用矢量传感器进行水声测量和探测提供基本的物理基础.     

单矢量传感器倍频窄波束技术研究

在小尺寸声呐平台中单个矢量传感器较水听器阵有优越性,但其自然指向性波束较宽,-3dB波束全宽度约为90°,通常不能分辨多目标.本文分析了瞬时声强流(声压和振速的乘积)中所含基带频率的倍频成分,提出的倍频窄波束技术在不降低抗各向同性干扰能力前提下利用单矢量传感器形成尖锐指向性.仿真计算表明新方法形成的-3dB波束全宽度约为26°.这使得单矢量传感器有初步的双目标分辨能力.     

矢量圆阵测向方法

为了实现矢量传感器在圆阵阵型条件下的应用,研究了均匀矢量圆阵的测向方法.利用声场分解理论将接收声场分解为一系列相互正交的相位模态,给出了声压、径向振速和切向振速的预处理矩阵的生成方法,利用预处理矩阵将矢量圆阵阵元域信号变换到相位模态域,在相位模态域提出了一种矢量圆阵测向方法,实现了声压振速的相干信号处理.仿真和试验结果表明,本方法可以将矢量传感器的抗噪能力与阵列系统的分辨能力有机结合起来,获得比相同阵型的声压阵更好的检测和估计性能.     

声矢量传感器线阵的左右舷分辨

声矢量传感器由声压传感器和惯性传感器复合而成,可同时测量声场一点处的声压标量和质点振速矢量的各正交分量,为解决传统声压水听器线阵固有的左右舷模糊难题提供了新的方法和手段.利用声矢量传感器线阵指向性函数研究了3种常规波束形成器的左右舷抑制比,然后简要分析了MVDR波束形成器的左右舷抑制比.理论分析和海试结果均表明:1)左右舷抑制比除了都不可避免地与信噪比有关之外,相比于具有一定左右舷分辨能力的声压水听器多线阵和三元组声压水听器线阵,声矢量传感器线阵的左右舷分辨性能主要取决于与频率无关的矢量传感器阵元指向性;2)声矢量传感器线阵MVDR波束形成器的左右舷分辨性能大大优于常规波束形成器.     

三列不同相位原波形成的参量阵声场研究

参量阵能生成低频、高指向性声束,在海底地层剖面测量、掩埋目标探测与识别、水下通信等水声工程领域有着广泛的应用。理论研究表明,当三列原波相互作用时,能形成具有两个差频分量的参量阵辐射系统,但尚未有文献对受原波相位影响的多频参量阵声场进行系统分析。基于此,本文综合计算精度和效率的需求,借鉴算子分离思想,利用时频域相结合的方法求解KZK方程,实现对三列不同相位原波相互作用形成的参量阵声场的描述。计算结果表明:参量阵差频信号的声压幅值随着原波相位的改变而改变,并且原波相位均为零时,两个差频分量的声压幅值最大。最后进行了试验研究,实验结果与仿真结果吻合较好。     

中心对称声矢量圆阵的相干双声源方位估计方法

针对水下2个相干目标的远程探测问题,本文提出了一种基于前后向空间平均的声矢量圆阵方位估计方法。该方法根据中心对称声矢量圆阵的结构特性,将声矢量传感器顺序重新排列建立中心对称的阵列形式。利用声压振速联合处理构建声压与振速的互协方差矩阵,引入后向互协方差矩阵,从而通过平均前向和后向矩阵得到前后向平均的互协方差矩阵。采用最小方差无畸变响应波束形成器完成2个相干目标的方位估计。理论分析与仿真结果表明:与声压处理方法、声压振速独立处理方法以及相位模态域声压振速联合处理方法相比,本文所提方法具有较高的角分辨能力、方位估计精度以及较强的噪声抑制能力;相比相位模态域声压振速联合处理方法,该方法可适用的频带范围更宽。试验结果进一步验证了该方法具有较好的相干双目标方位估计能力。     

单矢量水听器OFDM水声通信技术实验

针对水声通信中信道特性复杂、低信噪比的情况,为提高水声通信质量,在理论研究OFDM与矢量信号处理技术基础上,提出并设计了一套基于DSP平台和三维同振型矢量水听器的矢量OFDM实时水声通信调制解调器.在哈尔滨市松花江水域中进行了水平方向上矢量水声通信实验.实验结果表明,系统达到实时通信的要求,在4.3 km的水平通信距离上、QPSK调制、1/2卷积码编码、通信频带4～8 kHz的条件下,通信速率达到1 873 bit/s,最终误码率低于10-4,矢量OFDM比标量OFDM水声通信误码率有明显改善.     

高速突发模式下π/4-DQPSK的相位捕获与跟踪

基于高速突发通信对同步时间的要求,提出了π/4-DQPSK调制信号的载波同步方案.根据最大似然估计原则,对一种数据辅助式快速相位捕获算法进行了深入研究.仿真表明,当信噪比不小于8dB时,该相位捕获算法仅需10个左右码元符号就能快速捕获载波相位;另外,通过相位旋转,将π/4-DQPSK变换成DQPSK信号解调判决,能带来4dB左右的解调增益,并可以将常用的QPSK载波跟踪环应用于π/4-DQPSK系统.     

分层介质波导中的声矢量场传播

目前,矢量传感器在水声测量的探测技术中的应用已逐渐受到重视,但所采用的声压p和振速(Vx,Vy,Vz)联合处理技术还是建立在假定海洋波导中各位置处的声波阻抗数值都相同且为实数的基础上,而海洋环境效应的作用将不同程度地导致矢量处理器性能的降低.从实际应用的需求出发从理论上研究浅海分层介质波导中声压和振速场的传播特性,分析了声波阻抗率与频率、声源和接收器水平距离间的变化关系.理论分析和计算结果表明,只有在远场条件下,声压和水平振速信号才趋向于同相位;在通常噪声测量要求的距离上,声压和水平振速的传播损失相当,但必须注意声压和水平振速间的相位差随频率和声源距离的变化,而声压p和振速垂直分量Vz比值的模和相位差随频率和距离的变化复杂.这些结果为利用声矢量场进行水声测量和探测提供了基本的物理图像     

基于小波和图论的空间结构传感器优化布置

针对小波智能方法的特点并运用图论理论，将空间结构或其一部分抽象为有向图。根据各杆件的连接关系确定距离矩阵，并运用Floyd算法，综合考虑结构模态动能和模态应变能等参数，提出了一种新的传感器优化布置方法。应用该法对一个单层网壳进行了传感器优化布置，通过数值模拟对节点上的加速度传感器信号进行特征提取，并运用支持向量机进行了损伤识别，通过对比分析，验证了所提出的传感器优化布置方法和小波智能方法的实用性和有效性。     

基于通信质量约束的主轴热监测无线传感器布点优化

引入信息论和图论的相关方法,采用互信息量来描述测点温度与主轴热变形的相关性.通过图论中的邻接矩阵来表示无线传感器间的通信路径,利用Warshall算法判断图的连通性,得到传感器间的通信可达性,从而保证测点选择满足通信可靠性约束条件.采用人工鱼群算法求解在该约束条件下的大规模组合优化问题,在合理的时间耗费内得到可选测点组合的优化解.在数控机床主轴热误差建模实验中,通过有、无约束条件2种情况下的建模实验验证了该传感器方法的有效性     

基于EMD和SVM的传感器故障诊断方法

为了解决自确认压力传感器的故障诊断问题,提出了一种基于经验模式分解(EMD)和支持向量机(SVM)的传感器故障诊断方法,该方法对传感器输出信号进行经验模态分解,将其分解为若干个固有模态函数(IMF),对每个IMF通过一定的削减算法增强故障特征,然后计算每个IMF和残余项的能量以及整个信号的削减比作为特征向量,以此作为输入来建立支持向量多分类机,判断传感器的故障类型.通过压力传感器的故障诊断结果表明,该方法能有效的应用于传感器的故障诊断中.     

雷达组网多传感器选择快速启发式算法

为了提高雷达组网目标跟踪系统的跟踪能力,常用方法是增加组网中的传感器个数,但同时伴随而来的是传感器选择算法的计算量增加问题。该文结合信息增量和协方差控制的优点提出了一种多传感器选择快速启发式算法,给出了一种"最佳"传感器排序准则和传感器优化组合的选择方法,在满足目标跟踪精度的前提下,提高传感器管理的运算效率,仿真结果验证了算法的有效性。     

界面噪声声压与质点振速的时空相干特性

海洋环境噪声矢量场空间相干特性与矢量传感器阵的性能密切相关.应用海洋混响相干特性分析方法应用海洋混响相干特性分析方法研究了均匀半无限空间界面噪声声压与质点振速的空间相干特性问题,得到了相干特性的解析表达式.研究结果表明,界面噪声场的空间相干特性相比于均匀各向同性噪声场要复杂得多,其相干特性在空间上是不均匀的,并且与噪声源的指向性也有复杂的关系.虽然只给出噪声源无指向性和余弦的垂直指向性2种情况下场的相关系数,但该文的研究方法可以推广到任意指向性噪声源的场的相干特性的分析中.当获得了噪声场空间相干特性的解析解时,矢量水听器输出信噪比增益可以很容易地给出,同时对矢量水听器基阵的布阵及应用也具有重要的意义.     

Application of the sun line-of-sight vector in the optimal attitude estimation of deep-space probe

This paper proposed an optimal algorithm using the sun line-of-sight vector to improve the probe attitude estimation accuracy in deep-space mission.Firstly,the elaborate analysis of the attitude estimation error from vector observations was done to demonstrate that the geometric relation between the reference vectors is an important factor which influences the accuracy of attitude estimation.Then,with introduction of the sun line-of-sight vector,the attitude quaternion obtained from the star-sensor was converted into a pair of mutually perpendicular reference vectors perpendicular to the sun vector.The normalized weights were calculated according to the accuracy of the sensors.Furthermore,the optimal attitude estimation in the least squares sense was achieved with the quaternion estimation method.Finally,the results of simulation demonstrated the validity of the proposed optimal algorithm based on the practical data of the Deep Impact mission.     

远程水声通信MC-MPSK及均衡方法

水声信道是一种多途、时变和频散的信道，声波在其中的传输行为十分复杂，加之水声传输的带宽有限及远距离传输时的载波频率较低，使得传输距离和数据率这一对矛盾尤为突出，如何在增大作用距离的同时提高传输数据率是水声通信的难点。在80km海上试验和分析研究MC、MPSK编码调制的基础上，提出了适合于远程高速水声通信的MC-MPSK的编码调制方法，以及基于MC-MPSK编码调制的梳状均衡方法，建立浅海远程水平通信的信道模型，对均衡器及系统的性能进行仿真，仿真结果表明该编码调制方法可实现低信噪比、多径水声信道的高数据率传输。     

小波包主成分分析在气液两相流流型识别中的应用

针对气液两相流特征参数与流型之间复杂的非线性关系,提出了一种基于小波包主成分分析和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的气液两相流流型识别方法。该方法首先对采集的3个不同取压间距差压波动信号进行4层小波包分解,形成小波包特征向量矩阵,然后运用主成分分析方法降低特征向量矩阵的输入维数,并用于LS-SVM训练和识别。试验结果表明,融合3个传感器信息的主成分特征可有效地识别流型,与单一传感器的特征相比,具有更高的识别率。