基于MEMS仿生矢量水听器的测距避障声纳系统设计

刘林仙，张文栋，白建云，张国军，薛 南(. 山西大学自动化系 太原 03003；. 中北大学电子测试技术重点实验室 太原 03005)



基于MEMS仿生矢量水听器的测距避障声纳系统设计

刘林仙1,2，张文栋2，白建云1，张国军2，薛 南2
(1. 山西大学自动化系 太原 030013；2. 中北大学电子测试技术重点实验室 太原 030051)

【摘要】设计研制了一种基于MEMS仿生矢量水听器的高效、经济的测距系统。该声纳系统采用收发分置的主动工作方式，单片机控制电路作为整个系统的核心部件，具有小体积、低成本、高精度、定向发射、定向接收，不受恶劣天气影响等优势。开展了测距声纳系统设计及集成研究，确定了主动声纳信号的参数和声纳收发装置，完成了软硬件的设计。在室内水池和室外海洋环境中完成了该系统的测试，实验结果表明，该测距声纳系统具有很好的测距功能，测距精度较高，具有广阔的应用前景。

关 键 词仿生矢量水听器; 定向接收; 定向发射; 微机电系统; 测距系统; 单片机

Design of Ranging Obstacle Avoidance Sonar System Based on MEMS Bionic Vector Hydrophone

LIU Lin-xian1,2, ZHANG Wen-dong2, BAI Jian-yun1, ZHANG Guo-jun2, and XUE Nan2
(1. Department of Automation, Shanxi University Taiyuan 030013; 2. Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, North University of China Taiyuan 030051)

Abstract In recent years, the water transport efficiency and traffic safety problems become increasingly serious. This paper presents a design with implementation of an efficient and economic ranging system based on MEMS vector hydrophone. The system adopts active pulse ranging method and uses the Single Chip Microcomputer (SCM) as the core control device. The key features of the system are smaller size, lower cost, higher accuracy, directional transmission and directional reception, and not affected by the haze weather. The tests of the avoidance sonar were conducted in pool and sea. The test results show that the ranging sonar system has good ranging function and high ranging accuracy, showing a good application prospect.

Key words bionic vector hydrophone; directional reception; directional transmission; micro electromechanical system(MEMS); ranging sonar system; single chip microcomputer

随着船舶的大型化、高速化发展，经常会在大雾天气下发生触礁、搁浅和碰撞等事故。水上运输效率和交通安全问题变得日益严峻。为此，为了避免船舶间碰撞和船舶触礁，提高水路输运效率和船舶安全，研制一种高效、经济的防撞系统势在必行[1]。

基于水声技术的声纳避障探测系统多采用标量组阵的方式来实现目标定位，其探测精度和距离和阵列孔径相关[2-4]，阵列孔径的增大会增大系统体积和成本，加大在实际应用中的难度。而矢量水听器可同时获得声压和振速信号，减小声呐阵列的孔径，实现在小体积平台对低频微弱信号的检测[5-6]。文献[7]研制了一种基于矢量水听器的水下预警系统。中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器，采用MEMS技术实现了水听器的小体积和低成本，利用仿生原理实现的矢量性可以减小声纳阵列的体积。相比于传统的标量水听器，单个矢量水听器就可实现目标的定向[8-10]。

本文设计的基于MEMS仿生矢量水听器的测距避障声纳系统采用收-发分置的主动工作方式，其中具有定向接收功能且抗自噪声干扰的MEMS仿生矢量水听器作为声纳的接收器，成本低、体积小且不受雾霾天气的影响等特点，满足民用船只的需求，应用前景非常广阔。

1 双T型MEMS仿生矢量水听器

根据鱼类侧线器官的工作原理及其结构[11-12]，如图1a所示。本文设计了如图1b所示的仿生微结构。在该仿生微结构中，硅梁模仿可动纤毛，植入硅梁根部的压敏电阻模仿侧线感觉细胞。工作原理类似于鱼类侧线器官听觉原理，当有声波作用时，双T型微梁会产生变形，这种变形会引起植入其上的压敏电阻R1、R2阻值发生变化，进而使得由基准电阻R3、R4和压敏电阻R1、R2构成的半桥惠斯通电桥的输出发生变化，将声波信号通过惠斯通电路转化为电信号输出，实现水声信号的检测功能。

图1　水听器仿生结构设计原理图

图2　双T型水听器的接收灵敏度曲线

图3　双T型水听器指向性图

双T型敏感单元结构采用标准SOI微加工技术加工，并进行声学封装。对封装好的水听器进行了性能测试。图2所示为该矢量水听器的接收灵敏度曲线，可看出该水听器在1 kHz时的接收灵敏度为−180 dB (0 dB = 1 V/μPa)。图3所示为1 kHz时指向性图，可看出该水听器具有很好的8字指向性，可实现定向接收。

2 测距系统设计

本文采用主动脉冲测距法，即利用接收回波与发射脉冲信号间的时间差来测距的方法。单片机在声波信号发射的同时T0计数器开始计时，声波信号在水中传播遇到障碍物后发生反射，反射的回波信号经过处理后输入到单片机计数器，T0计数器停止计数。采用12 M高精度晶振，一个机器周期需要1 μs时间，计数器每计一个数就是1 μs。通过计数器测得的脉冲数可得到声波信号往返所需要的时间，所测距离即为声波传播距离的一半，则所测目标距离为：

式中，S为待测距离；c为声波在水中的传播速度；t为声波发射到返回的时间间隔。

该系统主要包括发射、接收、信号提取和处理3个模块。测距原理如图4所示，单片机控制电路是整个系统的核心部件，单片机发出10 kHz方波脉冲，经功放放大后驱动压电陶瓷换能器将电信号转换为声音信号定向发出，声波经障碍物反射后，由双T 型MEMS矢量水听器定向拾取回波信号，接收到的微弱信号经过放大、滤波、整形电路等调理电路后输入单片机，再由单片机进行算法处理，最终由LCD实时显示出声目标距离。

图4　测距声纳原理图

2.1 主动声纳工作参数确定

声纳工作参数的选择是依据发射能量、介质的传播损失、环境噪声、作用距离、盲区限制、目标特性、发射和接收装置性能等要素来综合确定的。

传播损失由几何扩展损失和介质吸收损失两者构成，深海自由场不考虑粘滞效应，球面波的传播损失为[13]：

式中，r为距离；α为海水吸收系数，与信号频率f有关，在500 kHz以下有[13]：

由式(2)和式(3)可看出，高频衰减快表明探测距离缩短，而工作于高频的声纳，其基阵易于实现窄波束指向性，抑制噪声的能力增强。

对于主动脉冲测距法，距离分辨率为：

式中，τ为信号脉冲宽度，由于传播造成信号展宽，距离分辨力还要劣于式(4)。模糊函数证明，要提高分辨力必须减小脉宽，但是减小脉宽就意味着减小发射能量。

根据以上分析可知，影响主动声纳信号形式及工作参数的因素很多，且各因素之间往往都是相互制约的，而声纳环境较为复杂。综合考虑发射能量、环境噪声、传播损失、距离分辨率、双T型MEMS矢量水听器有效工作频率等因素，最终确定工作参数为：同时设定单个脉冲的占空比为60%，连续发射5个脉冲信号，通过单片机控制产生，发射信号如图5所示。该参数下距离分辨率海水吸收系数α≈1.14 dB/km。

图5　声纳发射信号波形

2.2 发射换能器

发射换能器选用中船重工715研究所研制的D10柱形水声定向发射换能器，实物如图6所示。该换能器主要由前质量块、陶瓷晶堆、后质量块等3个部分组成，利用陶瓷晶堆的压电特性完成电声转换，推动前质量块向水中辐射声波。图7所示为在测试距离为1.74 m，测试深度为1.80 m的条件下，10 kHz的指向性图，由图可看出，该发射换能器为−3 dB开角为125.7°，可实现定向发射，比全向发射换能器产生的干扰小。

图6　D10定向发射换能器实物图

图7　发射换能器指向性图

2.3 硬件设计

图8　发射电路

系统硬件设计主要包括单片机控制电路、声波发射电路、接收处理电路和信号调理电路等。由于系统发射信号为脉冲信号、发射电路以三极管作为控制开关，通过单片机程序控制输出。发射电路如图8所示，输入端为左边TX，与单片机信号输出端口(P3.1)相连；右边TX为发射信号输出端，与功率放大器相连；换能器发射信号经目标障碍物反射后，由T型MEMS矢量水听器接收，接收处理电路将经过信号调理后的回波信号转化为单片机可识别的电平信号，主要由3个三极管Q2、Q3和Q4组成，接收处理电路如图9所示，图中左端RX为水听器接收信号输入端，右边RX与单片机输入端口(P3.2)相连；单片机触发中断，调用算法计算目标物距离，最终由LCD显示报警。

图9　接收处理电路

2.4 软件设计

图10　外部中断子程序流程图

图11　主程序流程图

本文采用先发射5个10 kHz的脉冲串，发射完成后开启单片机定时器，通过机器周期脉冲计数记录收发信号时间差。当回波信号经过接收处理电路后，单片机就会响应该信号产生的外部中断，进而执行如图10所示的外部中断服务子程序，关闭定时器，读取时间差，进而通过声速和读取的时间差来计算障碍物距离。软件部分主要包括主程序、定时器中断、外部中断、距离解算、报警及LCD显示等子程序，图11所示为主程序流程图。

3 系统集成与测试

图12　测距声纳系统试验样机

考虑系统的隔振和减震，完成了测距系统的集成，图12为包含单个水听器和换能器组装好的测距系统样机。为了验证该系统可行性，进行了室内水池和室外海试环境试验。

3.1 水池静态测试

本文首先在山西汾西重工有限责任公司长90 m、宽25 m、深10 m的水池对系统进行测试。目标靶为0.5 m2的铁板，目标靶与测距系统湿端系统同时放入水下6 m，测试方案如图13所示。改变目标靶和系统湿端的距离，观察并记录结果，图14为测试现场图。在水深6 m、距离目标4.16 m时的发射波和反射波形对比图如图15所示，可看出双T型MEMS矢量水听器可很好地接收回波信号。图16所示为实际距离为4.16 m时的测试结果，表1为水池测试结果对比。

图13　水池测试方案

图14　水池测试现场

图15　发射波和反射波波形对比图

图16　实际距离为4.16 m时测试结果

结果表明，该测距系统在85 m内能够实现准确测距，测量距离整体偏小，且随着距离的由近及远，相对误差也在逐步缩小，但最大相对误差不超过5%，测量精度较高。这是由于为了减小脉冲限制盲区，采用先发射脉冲，然后开启定时器和中断，造成测试时间小于声波实际传播的时间，进而引起所测距离小于实际距离，对于实际应用中的安全问题也非常重要。

表1　水池测距实验结果

3.2 海试示范性试验

为进一步验证该系统在复杂海洋环境中的可行性，本文在青岛崂山区海域进行了海试试验，该海域水深40～50 m，3级海况。租赁一渔船，长15 m，吃水深度1 m, 测距系统湿端安装于船艏底部，干端显示装置安置于船舱上，围着海上某一岛屿以0～10节的速度航行，测试目标为岛屿周围的暗礁，预警距离设置为10 m，测试方案如图17所示。

图18　测试现场

图18所示为测试现场，图19所示为利用激光测距仪所测实际距离为34、52和90 m时的测试结果。测试结果表明，最远探测暗礁距离为55 m与激光测距仪显示的船与岛面的实际距离58 m基本吻合，船只在55 m范围可根据LCD显示结果避开暗礁，进一步验证了该测距系统的可行性。

图19　测试结果

4 结 束 语

本文设计研制了一种基于MEMS仿生矢量水听器的高效、经济的测距系统。该系统采用D10发射换能器作为声纳系统的发射端实现定向发射，双T 型MEMS仿生矢量水听器作为声纳系统的接收端实现定向接收，提高了系统的抗自噪声干扰能力，降低误报率，相对于当前的测距系统，具有体积小、成本低、高效等特点。本文完成了系统的设计、组装和测试。室内水池测试和室外海试结果表明，该系统可以很好地接收声目标信号，并正确地计算出目标距离，测距精度较高，有广阔的应用前景。

参 考 文 献

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编 辑 黄 莘

作者简介：刘林仙(1987 − )，女，博士，主要从事MEMS传感器及其应用方面的研究.

收稿日期：2014 − 12 − 13；修回日期：2015 − 11 −12

中图分类号TB565.1

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2016.01.027

基金资助：国家自然科学基金(61127008)