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MEMS水聽(tīng)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(jìn)行水下探測時(shí)，可同時(shí)得到水下聲場(chǎng)的聲壓及振速信息，被廣泛應用于聲吶浮標、無(wú)人水下航行器（UUV）等水下平臺，實(shí)現對水下目標的實(shí)時(shí)探測。

基于MEMS水聽(tīng)器，中北大學(xué)張國軍教授團隊設計了一種應用于聲吶浮標的水下探測系統。該系統在被動(dòng)值守采集存儲信號的基礎上，添加了信號檢測器，可實(shí)時(shí)檢測水下信號，性能優(yōu)異。相關(guān)研究成果以“基于MEMS水聽(tīng)器的水下探測系統設計與實(shí)現”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊上。

在這項研究工作中，研究人員以現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）為控制核心，基于MEMS水聽(tīng)器，選擇合理的存儲協(xié)議和能量檢測算法，設計并實(shí)現了一種應用于聲吶浮標的水下探測系統。根據仿生學(xué)原理與MEMS技術(shù)，制作出纖毛式MEMS矢量水聽(tīng)器，考慮到水下的特殊環(huán)境，將水聽(tīng)器管殼材質(zhì)換為了不銹鋼，信號接收端與調理電路使用分段式結構，增加了水聽(tīng)器的穩定性。

圖1 MEMS矢量水聽(tīng)器仿生纖毛結構

圖2 同軸封裝的MEMS水聽(tīng)器

圖3 水聽(tīng)器實(shí)物圖

研究人員在水下探測系統被動(dòng)值守采集存儲信號的基礎上，添加了信號檢測器，實(shí)現了對水下信號的實(shí)時(shí)檢測，并開(kāi)展了室內測試與室外湖試實(shí)驗。室內測試結果顯示，MEMS水聽(tīng)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；系統功耗約1.55 W，同步采樣率為10 kHz，存儲容量為64 GB，可實(shí)現信號的實(shí)時(shí)檢測以及對3路模擬信號和3路數字信號的存儲。湖試實(shí)驗結果表明，該系統在水下能夠穩定工作，可以連續工作約23 h，經(jīng)數據處理分析，系統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(tīng)器測試平臺照片

圖5 信號檢測的水聽(tīng)器數據

圖6 信號檢測的姿態(tài)傳感器數據

圖7 1h 20min 24s時(shí)的姿態(tài)傳感器數據

圖8 1h 20min 24s時(shí)的連續信號

綜上所述，這項研究工作設計了一種基于MEMS水聽(tīng)器的水下探測系統，可應用于聲吶浮標。該水下探測系統添加了信號檢測器，可實(shí)現對水下信號的有效檢測。經(jīng)實(shí)驗測試，該系統性能良好，續航時(shí)間長(cháng)，工作穩定，可快速反應，能實(shí)時(shí)、高效監測廣闊海域。這項研究工作對后期水下探測系統實(shí)現信號預處理、定向等功能具有重要意義。