基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向研究

　　0 引言

　　在水中各种能量传播形式当中，以声波的传播形式最佳，水声信号处理技术的发展是和数字信号处理、微电子学、计算机系统结构等相关技术的发展分不开的，它们互相渗透、互相促进，把声纳技术的水平推向一个空前的高度[1]。声源发出的声波，通过海洋到达水声接收传感器或传感器阵，水声探测设备对传感器或传感器阵拾取的声场信息进行处理，确定是否存在目标和目标的状态参数、目标的种类等，这是水声工作系统的全过程。MEMS矢量水听器不仅可以测量声压信号，还可以测量质点的振速信号，而质点的振速信号方向为声波的传播方向。MEMS矢量水听器具有与频率无关的偶极子自然指向性，它可以同步、共点测量声压和质点振速的3个正交分量。利用波束形成算法原理，通过声压和振动速度矢量加权组合进行处理，从而得到含有声源强度信息和方位信息的声强矢量，提高了测量方位角的精度和信噪比。本文主要利用波束形成原理，根据矢量水听器的信号处理基本原理，对矢量水听器的信号经过放大调理电路处理后，通过DSP芯片进行模/数转换[2]，对转换后的数据进行处理并最终在显示器上显示方位估计角度，从而实现矢量水听器的定向功能。

　　1 MEMS矢量水听器简介

　　图1所示为MEMS矢量水听器的仿生结构示意图，采用仿生柱体模仿侧线器官的可动纤毛，力敏电阻器模仿感觉单元，将力敏电阻器布置在敏感微结构的4个悬臂梁上，四梁中心的质量块主要用来固定仿生柱体[3]。当处于声场中的仿生柱体与其几何中心处的水质点同振时，根据质点振速的矢量性特征，仿生柱体会朝着声源的方向振动，从而使布置在四悬臂梁上的力敏电阻器阻值发生变化，通过悬臂梁上的惠斯通电桥，将振动信号转换为电信号输出，最终实现对水下声目标的检测和定向[4]。

　　2 MEMS矢量水听器定向算法原理

　　所谓目标定向是指对目标进行测向、测距及进行跟踪[5]。提高声纳的定向精度、测距精度及跟踪能力是提高声纳作战能力的关键技术之一[5]。目标方位(DOA)的估计一直是水声阵列信号处理研究的热点。传统的阵列信号处理技术利用空间上布置的声压传感器阵接收目标辐射的声信号，利用基阵各基元接收的目标辐射声压信号的时延差来估计目标方位。而MEMS矢量水听器不仅可以测量声压信号，还可以测量质点的振速信号，具有与频率无关的偶极子自然指向性，因此，单一的矢量水听器就能够实现对目标方位的估计。

　　2.1 MEMS矢量水听器定向原理

　　仿生同振式矢量水声传感器要进行水下声源目标的定向估计，首先须实现与水下介质质点同振(即其中一种就是从声学理论角度建立矢量水声传感器的拾振条件)，当矢量水声传感器满足拾振条件时，便可对水下声源目标进行方位定向[6]。以平面波为例，考察无限流体介质中的质点振速表达式。由声学理论可知，平面波声压可表示为