MEMS同振型仿生矢量水听器实验测试

　　0 引言

　　声波以其在海洋环境中传播距离远的优点成为海洋信息传播的主要载体[1]。声场分为标量场和矢量场，均包含环境和目标的相关信息，由于标量水听器只能测量声场中的标量信息参数，因此工程应用受到局限。由标量水听器向矢量水听器的转变，是水声学的重大突破，同时也给水声信号处理带来了一系列新问题[2]。矢量水听器可以同时测得声场中的声压信号和质点振速等矢量信号，信息量的增加提供了更大的信号处理空间，从而提高了传感器对目标方位信息的估计能力[3]。

　　传统的同振型矢量水听器采用在正交轴上组合安装振速传感器或加速度计的方法来实现，不能严格保证各通道坐标轴的正交关系，体积大、相位一致性差，限制了对水下目标的定位精度。文中研制了一种MEMS同振型仿生矢量水听器，将MEMS仿生矢量水听器[4]与声压水听器在结构上组为一体，克服了传统同振型矢量水听器的缺点。文中以MEMS同振柱型仿生矢量水听器为硬件依托，在对其指向性和灵敏度测试的基础上进行了海上声源目标的定向测试以及运动目标的航迹跟踪试验，初步验证了该矢量水听器的优越性能，为进一步的工程化应用打下了基础。

　　1 MEMS同振型仿生矢量水听器

　　MEMS仿生矢量水听器是将压阻效应、仿生原理及MEMS技术结合为一体的一种新原理、新方法的尝试[5]。模仿鱼类的侧线听觉器官设计敏感柱体声传感结构，当声信号传递给敏感柱体时，随敏感柱体的摆动在四梁结构上产生应力变化，梁上的压敏电阻阻值便发生相应变化。通过信号提取电路的电压输出反应压敏电阻的阻值变化从而实现声信号的矢量探测。MEMS仿生矢量水听器基础结构如图1所示。

　　文中所使用的同振型矢量水听器由MEMS二维四梁仿生水听器和声压水听器组合而成，包含X、Y两路矢量振速输出和P路声压输出，可以同时测得声场质点的矢量信息和标量信息，实现水平声目标信号的探测和定位。该水听器结构图和实物图如图2所示，其中四梁微结构支撑体采用不锈钢材料，柱型壳体采用聚氨酯材料借助模具灌注而成，灌封材料的密度为1.040g/cm³，柱体的平均密度约为1.5g/cm³. 实验室测试结果表明该同振型仿生矢量水听器灵敏度高，灵敏度频响在工作频带内起伏小、频带宽，“8”字形指向性对称性好且凹点深[6]。

　　1.1 海试环境水听器指向性测试

　　在文献[6]中，详细介绍了MEMS同振型仿生矢量水听器的制作及其在室内标定的指向性及灵敏度。但是，室内标定环境简单稳定，MEMS矢量水听器要实现工程化应用，其外场试验是不可或缺的。因此文中在海试环境中，对同振型矢量水听器进行了指向性和灵敏度测试。