磁方位修正MEMS矢量水聲傳感器研制

宮占江， 李金平， 畢佳宇， 孫立凱

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

矢量水聲傳感器一般由聲壓水聲傳感器與直接或間接測量振速的傳感器復合而成，能夠同時共點測量水下聲標量和矢量(聲壓梯度、質點振速、加速度、位移或聲強等)信息[1]，可以同時獲得多種聲場信息，而且具有良好的低頻指向性，能夠抑制各向同性噪聲等特點。另外，對于遠場目標檢測和安靜型潛艇探測，需要低頻段高靈敏度的矢量水聲傳感器[2,3]，即需要矢量水聲傳感器具有低頻高靈敏度檢測能力。基于微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術研制的矢量水聲傳感器正逐漸向微型化，集成化發展[4,5]。利用MEMS技術研制的單矢量水聲傳感器可以實現目標定向功能，而如何使單個矢量水聲傳感器能更好地為對空間目標進行定向[6]是當前研究的熱點。

本文提供了一種磁方位修正MEMS矢量水聲傳感器，采用電容原理MEMS技術構造內部振子與信號處理電路相結合，傳感器具有精確目標定向能力，特點為高靈敏度、甚低頻檢測、小型化、穩定可靠且易于集成，傳感器可用于水下目標探測、定位、導航或其他水聲探測系統。

1 理論基礎

1.1 敏感基元設計理論

敏感基元的主體部分由單晶硅制作，如圖1所示，主要由2塊電容定極板、2塊電容動極板、質量結構、懸簧組成，封裝后構成敏感基元[7]。

敏感基元的設計主要是靈敏度的結構設計，根據一般設計原則，在結構穩定的前提下，應使結構靈敏度在變間隙限度內間隙盡量小。

圖1 敏感基元剖面

為了提高傳感器的靈敏度，采用差動式結構。差動式敏感基元的中間兩電容極板與質量結構融合在一起，與兩邊固定的電容極板形成2個電容器C1和C2。當沒有外界加速度時，質量結構m上極板與2個定極板的正對面積相等，即C1=C2=C0。當敏感基元受到一個外力F(t)作用時，電容動極板向一個方向移動時，其中一個電容器C1因間隙增大而減小，而另一個電容器C2因間隙減小而增大，即C1≠C2。

差動電容模型如圖2所示。將方波信號U0加到2個定極板，由與質量結構相連的動極板輸出交流感應電壓信號U1，根據電荷守恒可推得

(1)

圖2 差動電容模型

電容性器件的一個最大缺點是檢測電容與接口電路連接時，會在接口處形成一寄生電容器Cp,此時，輸出電壓為

(2)

可見Cp對輸出電壓的影響很大，當Cp=2C0時將引入50 %的相對誤差，影響傳感器的靈敏度及動態范圍。為了減小或消除這種影響，采用2種方法:

1)采用較大的檢測電容器，增大檢測電容極板間的介電常數的電介質值。

2)敏感元件與檢測電路緊靠，盡量減少電纜長度及位置變化帶來的影響。

1.2 磁信號與聲矢量信號定向算法

建立平面直角坐標系，矢量水聲傳感器指向性如圖3所示[8]。三維矢量水聲傳感器輸出相互正交的3個方向的質點振速和聲壓分別為vx，vy，vz和p；磁方位傳感器輸出相對于磁北極的方位角φ。

圖3 矢量水聲傳感器指向性

對聲壓p(t)及3個正交振速分量vi(t),i=x,y,z,進行快速傅里葉變換(FFT)，得到相應的譜為P(f)及V(f)，聲壓信號、振速分量互譜函數為

(3)

式中 符號“*”為共軛運算。

采用滑動窗函數對式(1)的互譜作時間平均，得到平均周期圖輸出為

(4)

式中 〈·〉為滑動窗平均周期圖。

目標聲源相對矢量水聲傳感器主響應軸的水平方位α(f)為

(5)

水下待測目標相對于矢量水聲傳感器主響應軸的水平方位角α(f)和矢量水聲傳感器主響應軸的相對于磁北極的方位角φ，計算出目標方位θ；實現對水下待測目標的定向,即

θ=α(f)+φ

(6)

2 設 計

磁復合三維MEMS矢量水聲傳感器結構示意如圖4所示，將聲敏感基元與信號調理電路集成制成一維矢量單元，再利用多片式組合技術、拾振技術及灌封技術等制作成三維MEMS矢量水聲傳感器。磁方位傳感器平行于xoy平面，且北極指向與矢量水聲傳感器的y軸平行。

圖4 MEMS矢量水聲傳感器示意

傳感器電路主要包括矢量聲信號處理、磁信號預處理及多信號處理電路3部分:

1)矢量聲信號處理電路采用載波調制型檢測電路,包括其中的載波信號發生器、電荷放大部分、解調模塊和后級低通濾波模塊,實現了矢量聲信號的檢測。載波信號經過電容器結構、電荷放大之后,其相位已經發生變化。相敏解調要求調制信號和參考信號的相位一致,因此，必須對參考信號進行相位調整,有效減小甚至消除寄生電容值影響，使矢量水聲傳感器可以獲得更大的靈敏度和動態范圍[9]。

2)磁信號預處理電路完成矢量水聲傳感器主響應軸的相對于地磁北極的方位角。

3)多信號處理器完成水下待測目標相對于矢量水聲傳感器主響應軸的水平方位角，計算出目標方位。其信號處理如圖5所示。

圖5 矢量水聲傳感器信號處理框圖

3 性能測試

如圖6所示為采用電容原理、體硅MEMS技術設計的敏感基元和磁復合矢量水聲傳感器。

圖6 矢量水聲傳感器實物

1)在一級計量站對矢量水聲傳感器進行聲性能測量。水下測試中接收靈敏度測量采用駐波場比較法，執行標準為:GB/T 4130-2000。其主要數據如表1。在無磁轉臺上測試磁傳感器與地磁北極的夾角。

表1 矢量水聲傳感器聲性能測量(0 dB≌1 V/μPa)

2)磁方位測試，采用無磁轉臺對磁傳感器測量的方向角進行性能測試及標定，在一個圓周均勻選取25個點包括0°和360°點，并采用標準磁羅盤作為測試對比標準，記錄測量數據并計算誤差，用均方根(root mean square,RMS)值表示，其結果如表2所示。

4 結 論

測試結果證明了本文磁方位修正MEMS矢量水聲傳感器的可行性，該水聲傳感器不需要與全球定位系統(global positioning system,GPS)結合使用，自身便可實現水下聲目標的定向探測。結合MEMS技術和精巧的換能微結構實現了水聲傳感器的體積微型化和結構簡單化；利用差分電容敏感機理提高了矢量水聲傳感器的低頻、高靈敏度特性；采用低噪聲電路進行弱電信號檢測，可以保證矢量水聲傳感器高分辨、寬動態特性；磁補償修正MEMS矢量水聲傳感器可實現自主精確定向能力。該矢量水聲傳感器對聲納設備的功能拓展具有重要意義。

表2 磁方位誤差測量 (°)

參考文獻:

[1] 洪連進,陳洪娟.二維同振柱形組合矢量水聽器[J].應用聲學,2005,24(2):119-201.

[2] 孫貴青,李啟虎.聲矢量傳感器研究進展[J].聲學學報,2004(11):481-489.

[3] 陳麗潔，張 鵬，徐興燁，等.矢量水聽器綜述[J].傳感器與微系統，2006,25(6):5-8.

[4] 李金亮.三軸向電容式矢量水聽器的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學:2009.

[5] 關凌綱,張國軍,薛晨陽,等.三維同振柱型矢量水聽器的制作[J].艦船科學技術，2009，31 (9):87-90.

[6] 李海濤，李智忠，宋志杰，等.一種新的矢量傳感器陣列波束形成算法[J].傳感器與微系統，2015,34(10)：144-146.

[7] 陳麗潔,楊士莪.矢量水聽器測試模型及拾振條件探討[J].應用聲學，2006，25(6):334-339.

[8] 李金平,史 鑫.一種自主定向磁復合三維MEMS矢量水聽器[J].中國電子科學研究院學報，2014，9(6):653-657.

[9] 宮占江,李金平,張 鵬，等.一種新型三位MEMS電容式矢量水聽器研制[J].中國電子科學研究院學報，2013，8(2):205-208.