李金平，史 鑫，王 曄，孫立凱，張 鵬

（中國電子科技集團公司第49所，哈爾濱 150001）

一種自主定向磁復合三維MEMS矢量水聽器

李金平，史 鑫，王 曄，孫立凱，張 鵬

（中國電子科技集團公司第49所，哈爾濱 150001）

設計了一種自主定向的磁復合三維MEMS矢量水聽器。該矢量水聽器采用三維MEMS加速度傳感器與磁傳感器結構復合設計，并采用與信號處理電路緊靠方式，可減小噪聲干擾及抑制信號衰減。通過磁復合三維MEMS矢量水聽器解決單個矢量水聽器定向精度不高問題。該矢量水聽器完成了水下駐波場測試和無磁轉臺測試，測試結果驗證了利用磁傳感器補償矢量水聽器定向方法的可行性。

MEMS；矢量水聽器；磁傳感器；水聲探測；定向精度

0 引 言

隨著水聽器技術的發(fā)展，利用矢量水聽器獲取水下聲信息并進行水下目標的探測、定向方法，正逐漸成為海洋環(huán)境監(jiān)視、探測及水下目標識別的一種有效手段［1，2］。1997年國內(nèi)首次通過技術引進，系統(tǒng)地開展矢量水聽器技術專題研究。1998年進行了國內(nèi)首次矢量水聽器外場試驗，2000年進行了國內(nèi)首次矢量水聽器海上試驗，效果良好，為矢量水聽器的工程應用做出了重要貢獻［3，4］?；贛EMS技術研制的矢量水聽器正逐漸向微型化，集成化發(fā)展［2］。利用MEMS技術研制的單矢量水聽器可以實現(xiàn)目標定向功能，但如何使單個矢量水聽器能更好地為對空間目標進行定向是當前研究的重點和難點。

設計了一種自主定向及目標判別的磁復合三維MEMS矢量水聽器，采用磁傳感器、三維MEMS矢量水聽器結構復合設計技術及信號處理技術相結合，使該矢量水聽器具有三維聲信號檢測、低頻檢測能力，目標定向能力，同時具有結構簡單、小型化，穩(wěn)定可靠等特點，能夠提高對水聲信號的探測能力。

1 理論基礎

1.1 柱體聲學理論［5，6］

聲學理論研究表明，如果聲學剛硬柱體的幾何尺寸遠遠小于聲波波長，剛硬柱體的振動速度幅值V與聲場中柱體幾何中心處介質(zhì)質(zhì)點的振動速度幅值V0之間存在以下關系：

式中：ρ0是介質(zhì)密度；ρ是剛硬柱體的平均密度。

由式（1）可知，當剛硬柱體的平均密度等于介質(zhì)密度時，其振動速度幅值與聲場中柱體幾何中心處介質(zhì)質(zhì)點的振動速度幅值相同，這樣只要有敏感單元能通過剛硬柱體拾取該振動信息即可獲得聲場中柱體幾何中心處介質(zhì)質(zhì)點的振動信息。

1.2 磁信號與聲矢量信號定向算法［7］

建立平面直角坐標系，矢量水聽器指向性如圖1所示。三維矢量水聽器輸出相互正交的三個方向的質(zhì)點振速和聲壓分別為vx、vy、vz和p；磁方位傳感器輸出相對于磁北極的方位角φ。

圖1 矢量水聽器指向性圖

對聲壓p（t）及三個正交振速分量vi（t）（i＝x，y，z）作FFT變換，得到相應的譜為P（f）及V（f），則聲壓信號、振速分量互譜函數(shù)為

式中，符號*表示共軛運算。

采用滑動窗函數(shù)對互譜函數(shù)做時間平均，對式（1）的互譜作平均，得到平均周期圖輸出為

式中，〈·〉表示滑動窗平均周期圖。

目標聲源相對矢量水聽器主響應軸的水平方位α（f）為

水下待測目標相對于矢量水聽器主響應軸的水平方位角α（f）和矢量水聽器主響應軸的相對于磁北極的方位角φ，計算出目標方位θ；實現(xiàn)對水下待測目標的定向。

根據(jù)式（2）計算出Im Spvi（f），若該值為負，則水下待測目標的深度小于矢量水聽器的深度，否則水下待測目標的深度大于矢量水聽器的深度；實現(xiàn)對水下待測目標的判別。

2 結構設計

磁復合三維MEMS矢量水聽器主要由3個一維矢量單元、磁傳感器、母塊、信號處理電路、聲學透聲灌封材料的外殼和輸出電纜等組成。一維矢量單元采用電容原理、體硅MEMS技術制作而成，磁傳感器利用一個三軸磁阻傳感器搭建一個三軸地球磁場強度測量單元［8］，利用雙軸加速度計感測地球重力，通過姿態(tài)計算、坐標變換得到磁航向角，經(jīng)過修正得到載體的地理航向角。磁復合三維MEMS矢量水聽器結構如圖2所示。

圖2 MEMS矢量水聽器示意圖

3 電路設計

磁復合三維MEMS矢量水聽器電路主要包括聲信號處理電路、磁傳感器處理電路和數(shù)字處理電路。

聲信號處理電路實現(xiàn)對聲信號的轉換、放大、濾波，將水聲信號轉換為聲模擬信號。聲信號轉換電路是電容式信號測量變送集成電路，該電路主要包括電荷放大器、移相器、相敏解調(diào)、低通濾波及放大幾部分，如圖3所示。一維矢量單元電路設計的目標是在單元尺寸做得小的情況下，獲得大的靈敏度、動態(tài)范圍和頻響，有效減小甚至消除寄生電容影響。

圖3 電容檢測電路原理框圖

磁傳感器處理電路實現(xiàn)對磁阻電橋的交變激勵及信號放大、濾波、A／D轉換，將三維磁場分量處理得到真北磁方位角φ，如圖4所示。

圖4 磁傳感器電路框圖

數(shù)字處理電路是由高速A／D轉換器、DSP處理器等數(shù)字器件構成，其利用高速A／D轉換器將模擬聲信號和模擬磁信號轉換成數(shù)字信號，采集后的數(shù)字信號傳輸給DSP處理器，DSP處理器實現(xiàn)以下功能：第一，根據(jù)式（4），解算出目標相對于矢量水聽器的水平方位角α；第二，根據(jù)磁方位傳感器輸出的真北磁方位角φ；求得目標真實的方位（α＋φ）；第三，根據(jù)式（3），計算矢量水聽器Z軸垂直聲強流的無功分量Im Spvi（f），若Im Spvi（f）為負，則水下待測目標的深度小于矢量水聽器的深度，否則水下待測目標的深度大于矢量水聽器的深度；實現(xiàn)對水下待測目標的深度與方位的判別。磁復合三維MEMS矢量水聽器信號處理流程如圖5所示。

圖5 信號處理流程框圖

4 設計樣品的性能測試

采用電容原理、體硅MEMS技術制作成聲敏感基元，再將聲敏感基元與信號調(diào)理電路集成制作成一維矢量單元，再利用多片式組合技術、拾振技術及灌封技術等制作成三維MEMS矢量水聽器。磁方位傳感器敏感方向平行于矢量水聽器y軸，且北極指向與矢量水聽器的y軸平行。同振柱形矢量水聽器如圖6所示。

在水下駐波場中對其靈敏度、頻響和指向性進行測試，在無磁轉臺上測試磁傳感器與地磁北極的夾角。

（1）靈敏度和指向性

圖6 磁復合三維MEMS矢量水聽器實物圖

利用國防水聲一級計量站的矢量水聽器校準裝置，采用駐波場比較法對MEMS單矢量水聽器進行了初步的標定，主要包括水聽器的聲壓靈敏度及指向性能的相關測試。磁復合三維MEMS矢量水聽器被固定在圓形框架上，如圖7所示。進行性能測試，接收靈敏度－179.9 dB（dB re 1 V／μPa）在1 000 Hz頻率點。矢量水聽器垂直分布于圓形框架的水下聲場中，沿著框架的軸向進行旋轉，旋轉角度同時測量傳感器的輸出電壓。傳感器在500 Hz頻率點時指向性如圖8所示。明顯可以看出傳感器不僅有很好的“8”字型的指向特性且凹點深度約26.7 dB。

圖7 測試安裝圖

圖8 指向測試圖

（2）頻率響應

理想的矢量水聽器很好的頻率響應，MEMS矢量水聽器以三分之一倍頻程2 dB趨勢上升，頻率響應范圍從直流到2 000 Hz。頻率響應測量數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 頻響測試曲線

（3）磁方位測試

采用無磁轉臺對磁傳感器測量的方向角進行性能測試及標定，在一個圓周均勻選取24個點包括－180°及180°點，用計算機通過RS485總線采錄傳感器輸出，并采用標準磁羅盤作為測試對比標準，記錄測量數(shù)據(jù)并誤差修正，其結果如圖10所示。

圖10 磁傳感器方向角測量曲線

5 結 語

測試結果證明了磁傳感器、三維MEMS矢量水聽器結構復合設計技術及信號處理技術相結合設計制造矢量水聽器的可行性，該矢量水聽器很容易實現(xiàn)水下目標的精確定向。在惡劣海洋環(huán)境中，磁復合三維MEMS矢量水聽器具有更好的環(huán)境適應性，因為該矢量水聽器可實時補償方位角α，更精度定向及跟蹤目標。目前二維矢量水聽器技術僅具備平面指向能力，不能滿足自主探測及判斷的需要，磁復合三維MEMS矢量水聽器可實現(xiàn)自主精確定向能力。該矢量水聽器為水下目標被動定向提供了一種新的發(fā)展思路。

［1］陳洪娟.矢量傳感器［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社.2006

［2］陳麗潔，張鵬，徐興燁，等.矢量水聽器綜述［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（6）：5+8.

［3］楊德森，等.矢量水聽器湖試報告［R］／／中國國防科學技術報告.哈爾濱工程大學水聲研究所.1998.

［4］楊德森，等.矢量水聽器海試報告［R］／／中國國防科學技術報告.哈爾濱工程大學水聲研究所.2000.

［5］陳麗潔，楊士莪.矢量水聽器測試模型及拾振條件探討［J］.應用聲學.2006，25（6）：334+339.

［6］何祚鏞，趙玉芳.聲學理論基礎［M］.北京：國防工業(yè)出版社.1981.

［7］李金平，張鵬，徐興燁，等.具有目標定位及判別功能的磁復合三維矢量水聽器及該水聽器的目標定位及判別方法：中國，20141020852.2［P］.2014－05－02［8］宮占江，李金平，張鵬，等.一種新型三維MEMS電容式矢量水聽器制［J］.中國電子科學研究院學報，2013，8（2）：205+208.

李金平（1978—），女，吉林人，工程師，主要研究方向聲傳感器技術；

史 鑫（1985—），女，黑龍江人，工程師，主要研究方向傳感器技術；

王 曄（1972—），女，黑龍江人，高級工程師，主要研究方向信號處理技術；

孫立凱（1977—），男，黑龍江人，高級工程師，主要研究方向磁傳感器技術；

張 鵬（1981—），男，吉林人，高級工程師，主要研究方向水聲傳感器技術。

An Independent Orientated M agnetism-multip le Three-dimensional MEMS Vector Hydrophone

LIJin+ping，SHIXin，WANG Ye，SUN Li+kai，ZHANG Peng
（The 49th Research Institute of CETC，Harbin 150001，China）

An independent orientated magnetism+multiple three+dimensional MEMS vector hydrophone is presented that can be used for target differentiating.The vector hydrophone is designed by a three+dimen+ sional MEMS accelerometer and magnetism sensor.The accelerometer is closemounted to the signal pro+ cessor so that the noise can be reduced and signal attenuation can be restrained.Since the single vector hydrophone cannot achieve a high orientate precision，it is solved by this magnetism+multiple three+di+ mensional MEMS vector hydrophone.The underwater standing wave field test on this vector hydrophone，as well as the non+magnetism rotate platform test，has been completed.The results demonstrate that it is feasible to raise directional precision by a vector hydrophone integrated with amagnetism sensor.

MEMS；vector hydrophone；magnetism sensor；underwater sound detection directional accura+ cy

TP221

：A

：1673+5692（2014）06+653+05

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.020

2014+10+20

2014+11+26