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2009年第28卷第6期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)13

MEMS矢量水听器及其方位估计研究

张开锐,薛晨阳,张国军,关凌纲,王建平
(中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051)

摘要:水下目标被动侦测对高灵敏、低频检测矢量水听器提出了越来越高的要求,传统的矢量水听器已
不能满足需求。基于新原理的矢量水听器的大量研究,提出了一种新的MEMS矢量水听器,介绍了该水
听器方位检测原理;设计了方位估计实验方案,完成了实际的方位估计实验。测试结果表明:该水听器角
度测试值与真实值基本相符,误差约为2b。
关键词:矢量水听器;低频检测;方位估计
中图分类号:TB565文献标识码:A文章编号:1000-9787(2009)06-0013-03

Researchondirection-of-arrivalestimationbasedon
MEMSvectorhydrophone
ZHANGKa-iru,iXUEChen-yang,ZHANGGuo-jun,GUANLing-gang,WANGJian-ping
(NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,
NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstrac:tIntheunderwaterobjectspassivedetection,highsensitivity,low-frequencyvectorhydrophonewith
excellentperformanceisneeded.Thetraditionalvectorhydrophonecan.tmatchthesedemands,somuchresearch
ofvectorhydrophonebasedonnewtheoryisdone.AnovelMEMSvectorhydrophoneispresented,theazimuth
detectiontheoryofvectorhydrophoneisintroduced.Thedirection-o-farrivalestimationexperimentisdesigned,the
experimentisconducted.Thetestresultshowsthatthetestvaluemayagreewellwiththeactualvalue,theerroris
within2b.
Keywords:vectorhydrophone;low-frequencydetection;directionofarrivalestimation

0引言的低频范围,适用于低频测量,可用于安静型潜艇的探测。
矢量水声传感器不但可以同时探测声压信号和振速信本文提出了一种MEMS仿生矢量水听器,该水听器敏
号,而且,具有宽带一致的偶极子指向性。在水声测量系统感单元由MEMS技术加工而成,拾振方式为敏感柱体同振
中,矢量水声传感器的采用使系统的抗干扰能力和线谱检式,信号转换机制为压阻式。该水听器具有尺寸小、灵敏度
测能力获得提高[1]。因此,矢量水声传感器的研究工作受高、低频性能好等特性。利用该水听器和相关算法进行了
到国内外极大重视。随着技术的不断发展,技术需求越来水下目标方位估计实验,估算角度与实际方位角基本相符,
越多,为满足岸站建设的需要,实现远程检测、识别,低频检误差约为2b。
测能力日益显得重要。另外,由于安静型潜艇和舰船的本1传感器制作
该矢量水听器的制作分为敏感单元的制作和传感器封
征噪声都在低频段,在潜艇侦测应用上,就需要低频段的矢
装[4]。首先,用SOI工艺加工出四梁和中心质量块微结构,
量水听器。即要求探测换能器具有低频检测能力。同时,
然后,将用空心光纤制作好的敏感柱体用胶粘接在质量块
随着目标信号的减弱,高灵敏度检测问题也变得非常迫
中心,就完成了敏感头的制作。制作好敏感头后再进行封
切[2]。
装,水听器的结构如图1所示。
将压阻原理、MEMS技术应用于矢量水听器是一种新
2传感器定向检测机理
原理[3]、新方法的尝试。采用压阻原理的微结构矢量水听
该矢量水听器能够检测平面内的2个方向的振速分
器可以使矢量型水听器尺寸微型化,探测灵敏度优于压电量,从而可以实现目标方位角度估计。制作芯片时在每根
陶瓷式水听器,并且,压阻效应的优势是可以测量直到零频梁上扩散生成了8只力敏电阻器,对应梁上的4只电阻器

收稿日期:2008-12-28
14传感器与微系统第28卷

加权求和信号y(t)的平均功率为
P(A)=E[|y(t)|2],(5)
式