基于DSP的纳机电矢量水听器定向系统设计

　　引言

　　水听器是声纳探测设备的核心组件之一，在水下目标的探测、分类、定位和跟踪，鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、船舶导航、水下作业、水文测量和海底勘探等方面发挥着重要的作用。当前，对水下声目标的探测多采用标量水听器系统，标量水听器系统是通过组阵的方式来实现被探测目标的方位，探测精度、距离与阵列的孔径有关。而阵列孔径的增大带来了一系列的问题，比如实际工程的限制、硬件处理的数据量变大以及成本的增加。被誉为“二十一世纪的水声技术”的矢量水听器的出现，在一定程度上使得在小体积条件下实现方位及声压的探测成为可能。本文采用的纳机电矢量水听器，能同时测量声场中质点的声压p(t)和质点振速v(t)的两个正交分量Vx(t)和Vy(t)，那么只需算出两个速度分量比值的反正切值就得出质点的方位，从而实现单个水听器对目标方位角度的估计。

　　本文将矢量水听器结合DSP信号处理器设计的定向系统，利用DSP的片上AD实时的完成对水听器输出信号的采集以及转换，将定向算法移植在DSP处理器中运行，并将算出的角度在LCD上实时显示。

　　1 纳机电矢量水听器介绍

　　纳机电矢量水听器是结合声学理论、介质压阻效应以及微加工工艺，采用传统的四梁结构，用共振隧穿薄膜作为敏感单元设计出来的传感器微结构[1]，该四梁结构的SEM图如图1所示。为了实现与水介质质点的同振，在该结构上粘接刚硬柱体做为敏感纤毛，图2为固定有纤毛的微结构照片[2]。

　　当声音信号传来时，声波振动传递给刚硬柱体，带动柱体在声波方向摆动，位于梁上的共振隧穿薄膜将梁上应力的变化转变为电信号的变化[3]。不同应力的变化对应电信号的变化，通过信号检测电路将信号提取，从而实现对水声信号的探测。

　　对加工好的基础结构进行声学封装，封装结构包括透声帽、绝缘介质和水听器外壳三部分，透声帽采用透声系数高的聚氨酯制作而成，绝缘介质采用与水阻抗匹配的蓖麻油，水听器外壳采用抗压抗腐蚀的不锈钢[4]。图3为封装好的纳机电矢量水听器试验样机。经过大量研究与改进测试，目前这种矢量水听器的灵敏度能达到-140dB以上，带宽为10～104Hz，能够承受静水压大于3MPa。

　　2 定向系统硬件设计

　　2.1 系统总体设计

　　如图4所示系统主要由水听器输出信号、信号提取电路、DSPF2812处理器、LCD显示和供电电源5部分组成。水听器的三路输出信号，经过信号提取电路处理后，DSP的内部AD对其采集、转换后，传送至算法分析，最后由DSP的GPIO口驱动LCD显示角度。