一种自主定向磁复合三维MEMS矢量水听器

李金平，史 鑫，王 晔，孙立凯，张 鹏

（中国电子科技集团公司第49所，哈尔滨 150001）

一种自主定向磁复合三维MEMS矢量水听器

李金平，史 鑫，王 晔，孙立凯，张 鹏

（中国电子科技集团公司第49所，哈尔滨 150001）

设计了一种自主定向的磁复合三维MEMS矢量水听器。该矢量水听器采用三维MEMS加速度传感器与磁传感器结构复合设计，并采用与信号处理电路紧靠方式，可减小噪声干扰及抑制信号衰减。通过磁复合三维MEMS矢量水听器解决单个矢量水听器定向精度不高问题。该矢量水听器完成了水下驻波场测试和无磁转台测试，测试结果验证了利用磁传感器补偿矢量水听器定向方法的可行性。

MEMS；矢量水听器；磁传感器；水声探测；定向精度

0 引 言

随着水听器技术的发展，利用矢量水听器获取水下声信息并进行水下目标的探测、定向方法，正逐渐成为海洋环境监视、探测及水下目标识别的一种有效手段［1，2］。1997年国内首次通过技术引进，系统地开展矢量水听器技术专题研究。1998年进行了国内首次矢量水听器外场试验，2000年进行了国内首次矢量水听器海上试验，效果良好，为矢量水听器的工程应用做出了重要贡献［3，4］。基于MEMS技术研制的矢量水听器正逐渐向微型化，集成化发展［2］。利用MEMS技术研制的单矢量水听器可以实现目标定向功能，但如何使单个矢量水听器能更好地为对空间目标进行定向是当前研究的重点和难点。

设计了一种自主定向及目标判别的磁复合三维MEMS矢量水听器，采用磁传感器、三维MEMS矢量水听器结构复合设计技术及信号处理技术相结合，使该矢量水听器具有三维声信号检测、低频检测能力，目标定向能力，同时具有结构简单、小型化，稳定可靠等特点，能够提高对水声信号的探测能力。

1 理论基础

1.1 柱体声学理论［5，6］

声学理论研究表明，如果声学刚硬柱体的几何尺寸远远小于声波波长，刚硬柱体的振动速度幅值V与声场中柱体几何中心处介质质点的振动速度幅值V0之间存在以下关系：

式中：ρ0是介质密度；ρ是刚硬柱体的平均密度。

由式（1）可知，当刚硬柱体的平均密度等于介质密度时，其振动速度幅值与声场中柱体几何中心处介质质点的振动速度幅值相同，这样只要有敏感单元能通过刚硬柱体拾取该振动信息即可获得声场中柱体几何中心处介质质点的振动信息。

1.2 磁信号与声矢量信号定向算法［7］

建立平面直角坐标系，矢量水听器指向性如图1所示。三维矢量水听器输出相互正交的三个方向的质点振速和声压分别为vx、vy、vz和p；磁方位传感器输出相对于磁北极的方位角φ。

图1 矢量水听器指向性图

对声压p（t）及三个正交振速分量vi（t）（i＝x，y，z）作FFT变换，得到相应的谱为P（f）及V（f），则声压信号、振速分量互谱函数为

式中，符号*表示共轭运算。

采用滑动窗函数对互谱函数做时间平均，对式（1）的互谱作平均，得到平均周期图输出为

式中，〈·〉表示滑动窗平均周期图。

目标声源相对矢量水听器主响应轴的水平方位α（f）为

水下待测目标相对于矢量水听器主响应轴的水平方位角α（f）和矢量水听器主响应轴的相对于磁北极的方位角φ，计算出目标方位θ；实现对水下待测目标的定向。

根据式（2）计算出Im Spvi（f），若该值为负，则水下待测目标的深度小于矢量水听器的深度，否则水下待测目标的深度大于矢量水听器的深度；实现对水下待测目标的判别。

2 结构设计

磁复合三维MEMS矢量水听器主要由3个一维矢量单元、磁传感器、母块、信号处理电路、声学透声灌封材料的外壳和输出电缆等组成。一维矢量单元采用电容原理、体硅MEMS技术制作而成，磁传感器利用一个三轴磁阻传感器搭建一个三轴地球磁场强度测量单元［8］，利用双轴加速度计感测地球重力，通过姿态计算、坐标变换得到磁航向角，经过修正得到载体的地理航向角。磁复合三维MEMS矢量水听器结构如图2所示。

图2 MEMS矢量水听器示意图

3 电路设计

磁复合三维MEMS矢量水听器电路主要包括声信号处理电路、磁传感器处理电路和数字处理电路。

声信号处理电路实现对声信号的转换、放大、滤波，将水声信号转换为声模拟信号。声信号转换电路是电容式信号测量变送集成电路，该电路主要包括电荷放大器、移相器、相敏解调、低通滤波及放大几部分，如图3所示。一维矢量单元电路设计的目标是在单元尺寸做得小的情况下，获得大的灵敏度、动态范围和频响，有效减小甚至消除寄生电容影响。

图3 电容检测电路原理框图

磁传感器处理电路实现对磁阻电桥的交变激励及信号放大、滤波、A／D转换，将三维磁场分量处理得到真北磁方位角φ，如图4所示。

图4 磁传感器电路框图

数字处理电路是由高速A／D转换器、DSP处理器等数字器件构成，其利用高速A／D转换器将模拟声信号和模拟磁信号转换成数字信号，采集后的数字信号传输给DSP处理器，DSP处理器实现以下功能：第一，根据式（4），解算出目标相对于矢量水听器的水平方位角α；第二，根据磁方位传感器输出的真北磁方位角φ；求得目标真实的方位（α＋φ）；第三，根据式（3），计算矢量水听器Z轴垂直声强流的无功分量Im Spvi（f），若Im Spvi（f）为负，则水下待测目标的深度小于矢量水听器的深度，否则水下待测目标的深度大于矢量水听器的深度；实现对水下待测目标的深度与方位的判别。磁复合三维MEMS矢量水听器信号处理流程如图5所示。

图5 信号处理流程框图

4 设计样品的性能测试

采用电容原理、体硅MEMS技术制作成声敏感基元，再将声敏感基元与信号调理电路集成制作成一维矢量单元，再利用多片式组合技术、拾振技术及灌封技术等制作成三维MEMS矢量水听器。磁方位传感器敏感方向平行于矢量水听器y轴，且北极指向与矢量水听器的y轴平行。同振柱形矢量水听器如图6所示。

在水下驻波场中对其灵敏度、频响和指向性进行测试，在无磁转台上测试磁传感器与地磁北极的夹角。

（1）灵敏度和指向性

图6 磁复合三维MEMS矢量水听器实物图

利用国防水声一级计量站的矢量水听器校准装置，采用驻波场比较法对MEMS单矢量水听器进行了初步的标定，主要包括水听器的声压灵敏度及指向性能的相关测试。磁复合三维MEMS矢量水听器被固定在圆形框架上，如图7所示。进行性能测试，接收灵敏度－179.9 dB（dB re 1 V／μPa）在1 000 Hz频率点。矢量水听器垂直分布于圆形框架的水下声场中，沿着框架的轴向进行旋转，旋转角度同时测量传感器的输出电压。传感器在500 Hz频率点时指向性如图8所示。明显可以看出传感器不仅有很好的“8”字型的指向特性且凹点深度约26.7 dB。

图7 测试安装图

图8 指向测试图

（2）频率响应

理想的矢量水听器很好的频率响应，MEMS矢量水听器以三分之一倍频程2 dB趋势上升，频率响应范围从直流到2 000 Hz。频率响应测量数据如图9所示。

图9 频响测试曲线

（3）磁方位测试

采用无磁转台对磁传感器测量的方向角进行性能测试及标定，在一个圆周均匀选取24个点包括－180°及180°点，用计算机通过RS485总线采录传感器输出，并采用标准磁罗盘作为测试对比标准，记录测量数据并误差修正，其结果如图10所示。

图10 磁传感器方向角测量曲线

5 结 语

测试结果证明了磁传感器、三维MEMS矢量水听器结构复合设计技术及信号处理技术相结合设计制造矢量水听器的可行性，该矢量水听器很容易实现水下目标的精确定向。在恶劣海洋环境中，磁复合三维MEMS矢量水听器具有更好的环境适应性，因为该矢量水听器可实时补偿方位角α，更精度定向及跟踪目标。目前二维矢量水听器技术仅具备平面指向能力，不能满足自主探测及判断的需要，磁复合三维MEMS矢量水听器可实现自主精确定向能力。该矢量水听器为水下目标被动定向提供了一种新的发展思路。

［1］陈洪娟.矢量传感器［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.2006

［2］陈丽洁，张鹏，徐兴烨，等.矢量水听器综述［J］.传感器与微系统，2006，25（6）：5+8.

［3］杨德森，等.矢量水听器湖试报告［R］／／中国国防科学技术报告.哈尔滨工程大学水声研究所.1998.

［4］杨德森，等.矢量水听器海试报告［R］／／中国国防科学技术报告.哈尔滨工程大学水声研究所.2000.

［5］陈丽洁，杨士莪.矢量水听器测试模型及拾振条件探讨［J］.应用声学.2006，25（6）：334+339.

［6］何祚镛，赵玉芳.声学理论基础［M］.北京：国防工业出版社.1981.

［7］李金平，张鹏，徐兴烨，等.具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器及该水听器的目标定位及判别方法：中国，20141020852.2［P］.2014－05－02［8］宫占江，李金平，张鹏，等.一种新型三维MEMS电容式矢量水听器制［J］.中国电子科学研究院学报，2013，8（2）：205+208.

李金平（1978—），女，吉林人，工程师，主要研究方向声传感器技术；

史 鑫（1985—），女，黑龙江人，工程师，主要研究方向传感器技术；

王 晔（1972—），女，黑龙江人，高级工程师，主要研究方向信号处理技术；

孙立凯（1977—），男，黑龙江人，高级工程师，主要研究方向磁传感器技术；

张 鹏（1981—），男，吉林人，高级工程师，主要研究方向水声传感器技术。

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