MEMS矢量水听器及其阵列应用于声呐浮标的关键技术研究

摘要

随着海洋科学技术的不断发展，声呐浮标作为一种海洋信息监测、海洋科学研究的有效工具，在海洋科研探测方面应用前景广阔，发展迅速。 本文立足于声呐浮标系统设计制造成本低、监测精度高、功耗低、系统稳定性强等重点研究方向，同时结合中北大学自主研制的MEMS矢量水听器高灵敏度、高可靠性、低成本、易成阵和可批量化生产等应用优势，提出了将MEMS矢量水听器及其阵列应用于声呐浮标的研究方案：设计了声呐浮标的前端系统——水下声信号探测系统，该系统可选择性地搭载集成四元阵列式、仿生纤毛MEMS矢量水听器或是电容式MEMS声压水听器。 依托该系统设计，针对集成四元阵列式MEMS矢量水听器的性能分析与敏感微结构优化设计、信号预处理电路的性能分析与优化改进、数据采集与存储系统的设计与制作等三大关键技术进行了深入研究。论文主要完成了：应用于集成四元阵列的环形纤毛结构设计与制作，对比仿生纤毛结构四元阵测试结果显示其灵敏度提高了约1.9dB；水听器芯片一体化电路的设计与制作，实现了MEMS矢量水听器的本底噪声降低约2~3dB；设计了基于FPGA的AD采集与存储系统，完成了系统硬件设计与各功能模块的控制逻辑编写，设置采样率为4Ksps实现了频率范围为5~1KHz的8路水声信号的采集与存储。 通过对上述关键技术的研究，完成了应用于声呐浮标的水下声信号探测系统的设计，该系统不仅为MEMS矢量水听器及其阵列的实验测试提供了平台，同时也为其应用于声呐浮标系统进一步实现工程化应用打下基础。

目录

声明

1. 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外发展及现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 MEMS矢量水听器及其阵列在声呐浮标中的应用

1.4 研究方案设计

1.5 系统主要技术指标

1.6 论文完成的主要工作

2. 关键技术分析与研究

2.1 水下声信号探测系统的总体方案设计

2.2 关键技术分析与介绍

2.3 MEMS矢量水听器及其阵列

2.3.1 仿生纤毛MEMS矢量水听器

2.3.2 集成四元阵列式MEMS矢量水听器

2.4 电容式MEMS声压水听器

2.5 本章小结

3. 水下声信号探测系统硬件电路设计

3.1 硬件电路总体设计

3.2 水听器微弱信号预处理电路

3.2.1 MEMS

3.2.2 MEMS

3.2.3

3.3 系统数据采集与存储模块设计

3.3.1

3.3.2

3.3.3

3.4 三维电子罗盘

3.5 数据接口电路

3.6 电源供电电路

3.7 本章小结

4. 水下声信号探测系统软件设计

4.1 系统整体软件设计

4.2 数据采集与A/D转换控制模块

4.3 FIFO数据缓存模块

4.4 SD卡数据存储模块

4.5 本章小结

5. 实验测试与结果分析

5.1 MEMS水声传感器声学性能测试

5.1.1 驻波桶比较校准测试方法介绍

5.1.2 集成四元阵列式MEMS矢量水听器性能测试

5.2 信号调理电路性能测试

5.2.1 MEMS矢量水听器本底噪声测试

5.2.2信号调理电路噪声实际来源测试与分析

5.2.3 信号调理电路降噪方案测试与分析

5.2.4 信号调理电路相位测试与分析

5.2.5 电容式MEMS声压水听器信号调理电路测试

5.3 系统测试

5.4 本章小结

6. 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果

致谢