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MEMS水聽器作為聲吶的核心部件，具有靈敏度高、低頻特性好的優(yōu)勢，在進行水下探測時，可同時得到水下聲場的聲壓及振速信息，被廣泛應(yīng)用于聲吶浮標、無人水下航行器（UUV）等水下平臺，實現(xiàn)對水下目標的實時探測。

基于MEMS水聽器，中北大學張國軍教授團隊設(shè)計了一種應(yīng)用于聲吶浮標的水下探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在被動值守采集存儲信號的基礎(chǔ)上，添加了信號檢測器，可實時檢測水下信號，性能優(yōu)異。相關(guān)研究成果以“基于MEMS水聽器的水下探測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊上。

在這項研究工作中，研究人員以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為控制核心，基于MEMS水聽器，選擇合理的存儲協(xié)議和能量檢測算法，設(shè)計并實現(xiàn)了一種應(yīng)用于聲吶浮標的水下探測系統(tǒng)。根據(jù)仿生學原理與MEMS技術(shù)，制作出纖毛式MEMS矢量水聽器，考慮到水下的特殊環(huán)境，將水聽器管殼材質(zhì)換為了不銹鋼，信號接收端與調(diào)理電路使用分段式結(jié)構(gòu)，增加了水聽器的穩(wěn)定性。

圖1 MEMS矢量水聽器仿生纖毛結(jié)構(gòu)

圖2 同軸封裝的MEMS水聽器

圖3 水聽器實物圖

研究人員在水下探測系統(tǒng)被動值守采集存儲信號的基礎(chǔ)上，添加了信號檢測器，實現(xiàn)了對水下信號的實時檢測，并開展了室內(nèi)測試與室外湖試實驗。室內(nèi)測試結(jié)果顯示，MEMS水聽器的矢量通道靈敏度約為-210 dB@100 Hz，可測帶寬為10 ~ 2000 Hz，具有平滑的“8”字指向性；標量通道具有全向性，靈敏度為-189.5 dB@100 Hz，可測帶寬為10 ~ 1250 Hz；系統(tǒng)功耗約1.55 W，同步采樣率為10 kHz，存儲容量為64 GB，可實現(xiàn)信號的實時檢測以及對3路模擬信號和3路數(shù)字信號的存儲。湖試實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在水下能夠穩(wěn)定工作，可以連續(xù)工作約23 h，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，系統(tǒng)采集到的水聲信號正常，對目標信號的探測性能良好。

圖4 水聽器測試平臺照片

圖5 信號檢測的水聽器數(shù)據(jù)

圖6 信號檢測的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)

圖7 1h 20min 24s時的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)

圖8 1h 20min 24s時的連續(xù)信號

綜上所述，這項研究工作設(shè)計了一種基于MEMS水聽器的水下探測系統(tǒng)，可應(yīng)用于聲吶浮標。該水下探測系統(tǒng)添加了信號檢測器，可實現(xiàn)對水下信號的有效檢測。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)性能良好，續(xù)航時間長，工作穩(wěn)定，可快速反應(yīng)，能實時、高效監(jiān)測廣闊海域。這項研究工作對后期水下探測系統(tǒng)實現(xiàn)信號預(yù)處理、定向等功能具有重要意義。