纳机电矢量水听器二元阵的实验研究.pdf

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1、第29卷第4期2010年12月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．29，No．4Dec，2010纳机电矢量水听器二元阵的实验研究张丛1，王晓瑶2，王盼盼2，张国军2(1．中国兵器北方自动控制技术研究所，山西太原030051；2．中北大学电子测试技术国家重点实验室．山西太原030051)引言摘要：纳机电矢量水听器根据鱼类听觉器官侧线设计，是一种新型微纳结合的纤毛式水声矢量探测仿生结构。以往关于纳机电矢量水听器的定向研究都是基于单个水听器的，方位角出现了左右舷模糊，波束图的主瓣宽度较宽。为提高水听器的性

2、能，改进了其敏感单元和封装方式，经国防科技工业一级测量站标定，其频率响应范围为20一2000Hz，灵敏度为-165dB。为解决左右舷模糊，采用二元阵进行定向，水听器的两路输出信号被校准一致后，在某开阔水域进行了纳机电矢量水听器二元阵的实验研究。验证了纳机电矢量水听器二元阵水平沿X轴放置时能够唯一确定目标的方位角，但是俯仰角出现了左右舷模糊；对低频信号的定向能力较强；具有可靠的跟踪水下运动目标能力。关键词：纳机电矢量水听器；二元阵；波达方位估计；方位历程中图分类号：TB565文献标志码：A文章编号：1003—2

3、029(2010)04—0062—04近几年来，随着水下目标隐身技术的发展和对水下运动目标检测距离要求的不断增加。信号工作频率不断降低，这使得声压水听器只能在继续增大阵列孔径的情况下，才能有效地对目标进行估计，而阵列孔径的增加会带来一系列的问题．如实际工程的限制，成本的加大，硬件处理的数据量变大等等．所有的这一切都给其具体的应用带来了困难。因此小尺寸．低频性能好，精度高的矢量水听器成为现在研究的热点【l】。我们研制的二维纳机电矢量水听器将压阻原理、MEMS技术集于一体，压阻原理的微结构矢量水听器可以使矢量水听

4、器尺寸微型化，探测灵敏度优于压电陶瓷式水听器。该水听器具有尺寸小、灵敏度高、低频性能好，其阵列化不受l，2波长的限制等特性。本文介绍了改进后的纳机电矢量水听器的频率响应范围和灵敏度。通过在某开阔水域进行二元阵的各种定向测试．对采集到的数据做了详细的分析。1纳机电矢量水听器原理和改进1．1纳机电矢量水听器原理纳机电矢量水听器根据鱼类侧线的听觉仿生学原理设计，其敏感单元由四梁微结构和敏感柱体组成，如图l所示。测量时，敏感柱体与传播到周围的声信号振动谐振，引起敏收稿日期：2010--03--09基金项目：国家自然科

5、学基金资助项目(50775209)感柱体底部质量块与悬臂梁产生相应形变．形变致使梁上的力敏电阻器阻值产生相应变化，从而产生相应的电信号。该矢量水听器能够检测平面内的二维振速分量．从而可以实现目标方位角度估计。其具体的结构及工作原理，张文栋等人在相关文献中已详尽阐述刚。图1敏感单元1．2纳机电矢量水听器的改进纳机电矢量水听器的设计和加工主要包括敏感单元和封装，它们直接影响水听器的性能，主要是针对这两部分进行了改进。1．2．1敏感单元的改进敏感柱体是矢量水听器的核心部分．根据声学原理四，敏感柱体的密度必须和水的密

6、度相近，而且其尺寸也很关键。因此选择空心的光纤作为敏感柱体，其半径为24恤m，长度为8000斗m。如果敏感柱体不是垂直地集成在质量块上，水听第4期张丛。等：纳机电矢量水听器二元阵的实验研究器的两路信号的灵敏度会有差距．所以敏感柱体必须是垂直地集成到敏感单元上，这是敏感单元的二次集成，为此我们设计了一套装置。主要包括CCD、透镜、监测器和三维平台。1．2．2封装的改进透声帽由聚氨酯材料做成．聚胺酯由聚醚、异氰酸酯、扩链剂三种成份组成，当聚醚与异氰酸酯，扩链剂按体积比l：0．9：0．1配比时，聚胺酯的特性阻抗为1

7、．58x106N·s／m3，接近于水，当声波通过这种聚氨酯帽传播时能量损失会最少。蓖麻油的密度近似于水。因此可以作为传声介质。但是蓖麻油里经常有气泡，气泡对声波有着显著的吸收和散射作用l研，因此蓖麻油须抽真空15min．然后再慢慢注入聚氨酯帽内。为防止蓖麻油外流和空气的进入。采用双垫圈密封方式。改进后的纳机电矢量水听器经国防科技工业一级测量站测试，工作频率从20一2000Hz，灵敏度为一165dB。图2为186Hz时的指向性图，凹点深度为37．6dB。0毋狯场嫒圈21嘶Hz时的指向性图dB2纳机电矢量水听器二

8、元阵的波达方位估计实验研究某开阔水域实验测试系统由声源发射系统、接收系统、采集系统等几部分组成。矢量水听器的二元基阵安装在固定装置上，阵元间距为0．6m，沿茗轴水平放置在水下5m，每个阵元输出两路振速信号。发射换能器被固定在与测量基阵垂直的方位．吊深为水下2．5m．距离测量基阵4．5m左右。采样频率为10kHz．基阵的数据首先经过前置放大器，电缆传输上岸．再经滤波后送到数据采集卡采集和存储数据。主要