应用于低频水声信号探测的小型潜标系统设计

发布时间：2019-07-24 17:28所属平台：学报论文发表浏览： 次

摘要:针对水声信号探测和MEMS矢量水听器工程应用的需求，设计了一种应用于低频水声信号探测的小型潜标系统，该系统具有体积

　　摘要:针对水声信号探测和MEMS矢量水听器工程应用的需求，设计了一种应用于低频水声信号探测的小型潜标系统，该系统具有体积小、成本低、布放回收简便等优点。系统以FPGA为控制核心，控制三维姿态传感器采集MEMS矢量水听器姿态信息;同时将采集到的水听器信号一起传输至上位机分析和显示，实现水声信号的探测。实验结果表明:该系统数据传输速率为2Mbyte/s，探测信号频段范围为20Hz～1kHz;该系统在水下工作稳定，可正确记录水声信号。

　　关键词:水声测量;潜标;FPGA;MEMS;矢量水听器

　　随着海洋资源和环境的不断开发[1]，潜标探测系统作为水下环境监测仪器和主要技术手段得到了越来越广泛的应用，潜标探测系统能够在海洋下进行长时间、不间断、隐蔽地工作[2-3]，可以很好地探测水中移动目标以及各种海洋环境信息，对于海洋研究和综合利用有重要的意义。

　　微机电系统MEMS(MicroElectromechanicalSystems)矢量水听器具有体积小、一致性好、指向精度高等优点，易于组阵，且阵列化不受二分之一波长限制，能够满足小孔径、远距离探测声呐的发展需求[4];此外，MEMS矢量水听器还有很好的抗干扰性，能够在低频和甚低频条件下实现对水下声目标的探测。

　　本文设计的潜标系统旨在充分发挥MEMS矢量水听器体积小、成本低、性能好等优势，设计了一种新的潜标结构，与传统潜标相比具有结构更精简、体积更小、成本更低、布放与回收更简便等优点，为MEMS矢量水听器的实际应用提供了试验平台，同时为其进一步工程化应用奠定基础。

　　1MEMS矢量水听器

　　MEMS矢量水听器是将压阻效应、仿生学、MEMS技术综合应用而研发的一种新型矢量水声传感器[5-6]。MEMS矢量水听器的敏感单元由四梁微结构和敏感柱体组成，传感器的四梁微结构及整体。四梁臂上通过扩散工艺加工有8个阻值相等的应变压敏电阻，构成两个惠斯通电桥，其中R1～R4构成检测X方向信号的电桥，R5～R8构成检测Y方向信号的电桥。

　　工作时，敏感柱体与声信号产生振动谐振，柱体摆动引起敏感柱体底部质量块与悬臂梁产生相应形变，形变导致梁上的压敏电阻阻值产生相应变化，从而产生相应的电信号[7-9]。MEMS矢量水听器能够检测平面内X、Y两个方向的振速分量，从而实现目标方位估计;同时，该结构可以消除各向同性噪声，更有利于微弱信号检测。

　　2潜标系统结构

　　主要包括微弱信号调理模块与数据处理模块。MEMS矢量水听器固定于空心扩展支杆一端，扩展支杆另一端固定在潜标电子舱的顶部，其长度为10cm，潜标系统外部直径为20cm，高度为50cm，总体质量不超过15kg。矢量水听器的输出信号传输至潜标电子舱。电子舱内部安装有三维姿态传感器，该传感器用以给出潜标电子舱和矢量水听器的水下姿态信息，以实时了解水听器所处的环境状况，方便后续算法处理。整个系统外部装有导流罩，以降低流噪声的影响[10]。系统数据经过底部的水密电缆和转接件传输至上位机进行显示。

　　3微弱信号调理模块

　　针对检测低频水声信号的MEMS矢量水听器，其输出信号很微弱且易被噪声淹没，潜标系统通过信号调理模块对水听器输出信号进行预处理。信号调理模块采用双电源供电，对矢量水听器输出的微弱信号进行放大与滤波，信号增益为49.4dB，通带范围为5Hz～3kHz。

　　MEMS矢量水听器作为一种压阻式传感器，其信号调理要求运放具备低电压噪声、低失调电压和高共模抑制比。综合考虑，信号调理模块的放大电路选用了一款极低噪声、超低偏置电流、高共模抑制比的仪表放大器INA163，其最大输入电压噪声为1nV/√Hz;同时为滤除水声信号中掺杂的高频成分毛刺，需对信号进行低通滤波处理，选取ADI公司生产的具有超低噪声、超低失真度、单位增益稳定的电压反馈型运算放大器ADA4898，搭建SallenKey结构型四阶低通滤波电路，该滤波电路的设计使用可降低信号的失真度以及压缩噪声带宽，该低通滤波器截止频率设置为3kHz。

　　4潜标数据处理模块

　　潜标数据处理模块以Spartan3E-XC3S100EFPGA为控制和数据处理核心，实现对矢量水听器和三维姿态传感器输出信号的采样、编帧和传输。MEMS矢量水听器输出信号经过调理模块后，由A/D转换器完成采样，采样率为10kHz。A/D转换器选用ADI公司的16位、8通道同步采样模数转换器AD7606，该转换器具有片内滤波和高输入阻抗的优点，且无需驱动运算放大器。

　　三维姿态传感器选用XW-ECl700三维固态电子罗盘，可以给出潜标水下姿态信息:磁北角、俯仰角、横滚角，精度为0.1°，输出为RS-232格式数据，波特率为9600bit/s，速度最高可达12次/s。姿态信息经串口转换后送入FPGA，和同时刻A/D采样数据编码。数据通过水密电缆和RS-422接口与PC机连接，通过上位机进行数据的读取、分析和存贮，方便后续进行算法处理。对潜标探测系统进行室内驻波声场测试，目的是验证MEMS矢量水听器的指向性，同时验证该潜标探测系统能否成功检测到水声信号。

　　将MEMS矢量水听器放入驻波管中，潜标探测系统采集水听器的输出信号并传输至上位机。实验过程中，MEMS矢量水听器的X通道与Y通道接收固定声源的单一频率信号，同时转动矢量水听器，两个通道波峰值发生变化，当X通道波形包络变大时Y通道波形包络减小，体现出矢量水听器的指向性。然后驻波管发射单一频率的正弦波，通过上位机软件读取潜标系统采集到的声信号数据，并用MATLAB对数据分析得到信号波形及频谱图。

　　潜标探测系统经过实验室驻波场试验验证后，在太原汾河水库对系统进行了测试，试验水域水深约40m，水听器与潜标探测系统布放深度约为10m。测试过程中，声源船携带的发射换能器发射20Hz～1kHz内单频声信号，当声源船在水面不同的位置发出不同频率后，潜标探测系统将接收声信号并在上位机上显示，标示了声源船在不同位置发出声信号的频率和该位置与潜标探测系统之间的距离。该潜标探测系统能够准确探测到处在不同位置的发射换能器发出的不同频率的声信号，验证了该潜标探测系统的性能。

　　6结论

　　本文针对MEMS水听器在海洋开发研究、探测中的实际应用需求，设计了一种体积小、成本低的小型潜标系统，同时进行了MEMS矢量水听器在水下环境适应性和工程应用的研究。经过多次实验室测试和湖上试验验证，本文设计的基于MEMS矢量水听器的潜标探测系统可用于水下声信号探测，为MEMS矢量水听器的实际应用搭建了试验平台，同时也为MEMS矢量水听器开拓更广阔的工程应用奠定了试验基础。

　　参考文献:

　　[1]林香红，陈刚.中外海洋经济概念的共性和差异性分析[J].海洋开发与管理，2012，29(5):116-118.

　　[2]毛华斌，王关养，陈荣裕.两组海洋深水潜标系统的对比分析[J].气象水文海洋仪器，2005(3):9-11.

　　[3]邹吉武，孙大军，吕云飞，等.基于矢量传感器的海洋声场观测潜标系统[J].传感器与微系统，2009，28(10):82-84.

　　[4]樊姣荣，王晓瑶，刘文怡，等.MEMS矢量水听器阵列信号处理研究[J].传感器与微系统，2012，31(1):14-16.

　　[5]ZhangWD，XueCY，XiongJJ，etal.PiezoresistiveEffectofReSonantTunnelingStructureforApplicationinMicro-Sensors[J].IndianJournalofPureandAppliedPhysics，2007，45:294-298

　　相关刊物推荐：《大连海事大学学报》(季刊)曾用刊名：大连海运学院学报，1957年创刊，为海洋运输专业技术刊物。反映该校的教学科研成果及现代航海科学的学术成就，开展国内外信息交流，促进海运事业发展。主要栏目有航海、船艺、航海雷达、仪器、无线电通信与导航、海上交通管理、船舶轮机管理、船舶自动化、船舶电气设备及管理、水运经济管理、海事法规等。主要读者对象为相关专业的科研院所的科研、管理人员及大专院校师生。

　　

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