矢量水听器

摘要： 微机电系统(MEMS)矢量水听器在使用中会受到平台运动、海浪、洋流等冲击的干扰从而影响对目标声源的探测。为实现水听器的精准探测,提出了一种纤毛-硅柱结构的可抑制振动噪声的矢量水听器。设计了一种力矩平衡结构,利用COMSOL软件对矢量水听器的参数构建有限元分析模型,并对其静态分析、模态分析以及谐响应分析仿真。结果表明:矢量水听器灵敏度为-184.35 dB;可在0~100 g n载荷内正常工作;在工作带宽20~1000 Hz内能有效降低振动噪声带来的干扰。随后提出一种基于MEMS技术的可批量制造工艺,可确保硅柱与水听器的一体化集成,可极大提高矢量水听器的一致性。

摘要： 目前的海洋内波检测技术在实际应用中误差大,受海洋环境影响显著,且无法自主识别。针对这一问题,文中提出了一种基于矢量场处理的海洋内波预警的监测方法。该方法基于声压和质点振速联合信息处理,利用超低频矢量水听器拾取的声场三维信息,可在复杂的海洋背景噪声场中根据方位估计算法对非协作目标进行时-空-频三维跟踪与锁定。内波的到来引起了三维声速剖面的变化,而声场的起伏则导致跟踪的目标信号源声能流强度改变。该方法根据目标信号在内波空间里的信道畸变引起垂直维掠射角异常跳变来实现海洋内波的监测和预报。仿真结果表明,在正常环境中垂直维掠射角略有浮动,变化范围较小;当内波来袭,掠射角发生强烈突变,且最大偏转可突变至负向角度,证明了所提方法的有效性。

摘要： 基于三维压电加速度传感器,设计了一款适用于低频的同振式矢量水听器,分析计算了其在水中的声学性能,并对制作的矢量水听器样品进行了性能验证。制成的球型矢量水听器样品直径为78 mm,在驻波管中对该矢量水听器进行了灵敏度和指向性检测,检测结果与理论计算结果吻合。该矢量水听器在低频频段内具有较好的灵敏度和"8"字型指向性,适合用于浮标、潜标、UUV(无人水下航行器)等平台的水声监测模块。

摘要： MEMS矢量水听器具有体积小、成本低、低频特性好等优势,在进行水下目标探测时,能同时拾取水下声场的声压及振速信息,单支水听器就可以实现方位估计。将STM32系列单片机作为控制单元,结合平均声强器算法,设计了一套基于STM32的MEMS矢量水听器实时定向系统,并进行了实验验证。实验结果表明,该系统能实现对水下全方位目标的实时方位估计,定向误差为3°。

摘要： 矢量水听器(Vector Hydrophone)可共点同时获取水下声场的声压标量与质点振速信息,为高信噪比SNR新体制声呐系统研制提供了思路,具有重要的军事应用价值。本文对矢量水听器的振速拾取、“8”字型指向性的空间滤波、DOA方位估计与姿态补偿的物理含义进行了阐述。对两种新型的微机电系统(Micro-electronic-Mechanical System, MEMS)仿生纤毛压阻式和铂丝热线式矢量水听器的工作原理进行了介绍,以期对声呐技术人员有所启发。

摘要： 为进一步提高矢量水听器的承压能力、并实现轻量化,将声压和矢量通道组合成一体,设计了一种小尺寸深海惯性式组合型矢量水听器。首先,分析了惯性式矢量水听器的工作原理;其次,设计了一种带加强圈的圆柱壳结构,使其矢量通道比纯圆柱壳承压提高7.68 MPa,通过仿真验证其可承受50 MPa的压力,表明此轻量化结构可提高矢量水听器的工作深度;最后,将充油结构的声压通道与矢量水听器设计成一体,方便使用。根据设计指标最终制作出一只工作频带为20 Hz~5 kHz的深海惯性式组合型矢量水听器。50 MPa的静水压力试验表明,其矢量通道灵敏度为-184 dB@1 kHz,凹点深度大于20 dB,声压通道灵敏度为-206 dB。测试结果表明,通过采用加强圈结构可显著提高矢量水听器的工作深度和实现轻量化,将充油声压水听器与深海矢量水听器组成一体,极大方便了工程应用。

摘要： 水声通信系统使用传统的声压水听器接收信号,无法获得水质点的振速信息。该文研制了直径为Φ38 mm、高为46 mm的同振型矢量水听器,可以同步共点地获取水质点的声压信息与振速信息,解决水声通信系统对8~13 kHz的信号获取不全面问题。矢量水听器内部采用专门设计的一种共用惯性质量块的一体化三维加速度传感器,空间3个轴向的灵敏度均大于328.0 pC/g(g=9.8 m/s^(2))。采用PZT-5压电陶瓷圆环作为矢量水听器的声压通道,研制了具有x、y、z通道和声压p通道的矢量水听器样机,并在水池中对矢量水听器样机进行测试。测试结果表明,10 kHz处x、y、z通道的声压灵敏度级均大于-172 dB(0 dB参考值1 V/μPa),且具有良好的余弦指向性;声压通道灵敏度级达到-198 dB,可以用于水声通信中8~13 kHz信号的获取。

摘要： 单矢量水听器互谱方位直方图具有一定的多目标分辨能力,但其性能受到目标信号分离正交性(Window Disjoint Orthogonality,WDO)的制约。WDO特性越强,表示主导目标的能量占比越大,互谱方位估计的结果越接近主导目标的真实方位。文章提出利用局部置信度增强互谱方位直方图的多目标分辨性能。局部置信度表示样本中主成分与其他成分之间的比值关系,因此可以作为信号WDO特性强弱的估计。在统计互谱方位直方图时,利用局部置信度对时频点的方位估计结果进行加权,增加WDO特性强的时频点的方位估计结果在方位直方图中的贡献,提高目标真实方位处的谱峰,从而增强方位直方图多目标分辨的效果。湖试数据的分析表明了利用局部置信度加权能够有效提高多目标分辨的效果。

摘要： 针对海洋安全技术发展对无人自主探测平台的迫切需求,设计了一种具有海洋目标探测功能的水下声学浮标系统,该系统声学探测单元基于姿态感知复合同振式矢量水听器,水声数据采集与实时分析单元采用FPGA+DSP的设计方案,可控制声学探测单元工作时序,并完成水声和姿态信息联合信号处理.为验证水下声学浮标系统目标探测能力,在南海某海域开展目标探测能力试验验证.结果表明,深海良好水文环境条件、浮标采用定深漂流工作模式,对600 t级、10节航速航行科考船探测距离≥10.3 km.

摘要： 在水下无人系统中使用矢量水听器进行声源方位估计具有较大的优势,采用加权直方图法可以利用单个矢量水听器实现方位估计,且计算量较小。文中分析了声能流检测器的原理,由声能流可以获得平面内声能量的分布情况,为加权直方图法提供了理论基础。通过分析发现:在低信噪比下,声源的能量扩展到了真实方位之外,使得加权直方图法的统计间隔会分割声源能量,从而出现方位估计误差。针对这一问题,提出了改进的基于能量搜索的加权直方图法,该算法采用滑动窗口法寻找声源所在区间,并利用重心法获得区间内的能量中心即方位估计的结果。通过仿真证明:改进后的算法在统计间隔为10°,信噪比为-10~10dB时,均比原算法具有更好的性能,其均方根误差平均减小43.7%,且在多目标(干扰)环境下的方位估计结果也更准确。文中研究可为有效改进单矢量水听器方位估计算法提供参考。

摘要： 本文基于舰载矢量水听器研究了浅海条件下远场舰船噪声的特征频段.采用简正波模型的矢量场理论,获得了多个不同方位的点声源声能流相互作用的合成能流水平方位角谱,该水平方位角谱随频率变化.海上试验表明,浅海环境下有近场平台干扰时,无法通过声压LOFAR谱图获取远场舰船通过时的特征频段,而采用矢量水听器水平方位角谱可以对接收点处声能流方向进行实时、全工作频段的监控,从而快速选取远场舰船的特征频段.在该实验中,发现目标船的特征频段是2470-2530Hz,可以跟踪目标船至3.87km,其相邻频段(2400Hz-2460Hz)仅为2.35km.

摘要： 介绍了矢量水听器的内涵、特性以及目前矢量水听器校准方法的发展;并根据矢量水听器的特性介绍了矢量水听器灵敏度关系;归纳了目前矢量水听器常用的校准方法,包括:自由场比较法、自由场互易法、振动液柱法、驻波场法的校准原理.最后介绍了矢量水听器及其校准方法的发展趋势.

摘要： 由于远程探测、辐射噪声测量以及矢量阵列等技术发展的需要,在矢量水听器的设计中要求其工作频率越来越低、体积越来越小、灵敏度越来越高.为了满足指标要求,将具有工作频率低、几何尺寸小等优点的三叠片引入矢量水听器的设计中.在以往其理论分析和制作工艺研究的基础上,结合矢量水听器的研制技术,采用仿真手段对其结构进行了优化设计,并基于三叠片元件研制出同振式低频小型矢量水听器,同时对其性能进行了测试,测试结果表明:三叠片在低频小型矢量水听器设计中具有明显优势,应用前景广泛.

摘要： 针对单矢量水听器匹配场处理问题,本文分析了单矢量水听器和虚拟二元垂直阵等效性,推导了单矢量水听器匹配场处理算法,在等温层、负梯度条件下进行了不同频段、布阵深度等条件下匹配场处理性能进行仿真,最后利用矢量水听器海试数据对该处理方法进行验证,取得较好的结果.本文研究为矢量匹配场三维定位技术提供了良好的技术前景.

摘要： 介绍了一种新型姿态实时修正矢量水听器,叙述了该矢量水听器设计的理论基础以及姿态测量与修正基本原理.采用MEMS姿态传感器构成矢量水听器实时姿态测量系统,获取矢量水听器实时姿态角度,将该矢量水听器应用于实际海上试验,给出矢量水听器姿态修正前后各通道时域波形以及目标测向结果,实验表明,该矢量水听器能够实时准确的获取矢量水听器姿态,经姿态修正后能有效提高矢量水听器目标测向精度,满足工程使用.

摘要： 本文分析了矢量水听器正交串扰形成的原因,并基于互谱声强法分析了凹点深度大小对单个矢量水听器定向性能的影响.仿真结果表明:(1)在信噪比大于10的条件下,40dB的凹点深度带来的定向角度标准差与理想情况下相近,其差值小于0.004,可以忽略凹点深度对矢量水听器定向性能带来的影响;(2)在信噪比小于-10的条件下,大于30dB的凹点深度带来的定向误差与理想情况下基本一致,此时凹点深度对定向性能的影响减弱。

摘要： 结合两种形状矢量水听器的性能优缺点，设计制作了胶囊形(两端带球帽的柱形)矢量水听器，并对其性能进行了仿真,根据仿真结果可知，平均密度、波尺寸对柱形和球形矢量水听器的影响基本一致，在平均密度与水介质相等且波尺寸远小于1的情况下，柱形和球形矢量水听器所得到的信号振速幅值与水质点振速幅值接近相等且几乎无相位差，信号的幅值和相位一致性较好。胶囊形同振式矢量水听器在设计时首先应该考虑相位变化范围，在给出相位变化范围的基础之上，可以确定出相应的平均密度和波尺寸的变化范围。胶囊形同振式矢量水听器既能很好的固定声压通道、克服柱形矢量水听器轴向通道接收信号容易引起畸变的不足，又能有利于矢量水听器的小型化，在拖曳线列阵等工程中有广泛的应用前景。

摘要： 本文在现有水下滑翔机平台技术基础上,对水下目标警戒滑翔机声学系统关键技术进行研究,研制了具有目标探测功能的水下声学滑翔机.考虑到探测低频弱目标和有效记录声场信息的需求,为滑翔机设计制作了一种低噪声实时姿态测量矢量水听器,研发了一种低功耗、小尺寸和大存储的水声信息处理与实时分析系统,并开展了目标探测性能消声水池试验和浅海适应性试验.测试结果表明,浅海良好水文条件下,水下目标警戒滑翔机对航速8kn的试验船目标最远探测距离为3.2km,测向均方根误差约为3.0°.

摘要： 在低频情况下,针对常规水池或湖上声功率测试很难满足自由场条件的问题,本文提出一种在非消声环境下测量目标辐射声功率的方法.在未经消声处理的水池内采用矢量水听器测量标准声源的辐射声功率,并与在消声水池下测量的结果进行了比较.经试验验证表明,声强法测量辐射声功率的均方根误差可控制在1.5dB以内,可通过误差修正保证测量结果的精度要求.本文的结论对非消声环境下采用矢量水听器测量静止小目标或模型辐射噪声具有现实的指导意义.

摘要： 深海声源定位是海洋声学研究的重要内容,目前报道的有关深海声源的定位方法主要利用水听器(阵)获取的声压信息.矢量水听器在浅海目标方位估计、水下声源定位等方面有重要应用,基于矢量水听器的深海声源定位方法值得研究.2014年在某深海海域进行的水声综合考察实验中,布放在水下3146m深处的矢量水听器成功地接收到了深度为140m的拖曳声源发射的实验信号.本文结合深海直达波区的声场特性,提出利用矢量水听器测量信号估计声线到达角,并进一步根据声线到达角对直达波区近水面声源的距离进行估计,同时还利用矢量水听器测量信号对声源方位进行估计.实验数据处理结果表明,估计的声源距离和方位与实验测量结果基本一致.

摘要： 本发明提供一种水听器、水听器阵列以及水听器系统，属于水声传感技术领域，其可解决现有的水听器敏感度较低，水听器阵列的空间定位效果不好的问题。本发明的水听器，包括：第一外壳，第一外壳上具有第一开口，第一外壳限定出内部空间；设置在第一开口处的感应膜片，感应膜片和第一外壳间形成水密封连接；光纤，光纤经由设置于第一外壳上的第一引导孔进入内部空间，光纤包括位于内部空间中的输入段和输出段；输入段上设有光纤光栅，输入段和输出段之间的连接部与感应膜片连接，输入段远离连接部的一端固定，使得输入段处于张紧状态。

摘要： 本发明涉及一种声压水听器与矢量水听器组合体积阵，包括圆柱网状结构的支撑框架，位于支撑框架内部，由多根声压水听器线阵排布成细腰鼓形阵列；位于支撑框架外部，由沿周向均匀排列的多条矢量水听器线阵排布成的圆柱状阵列；支撑框架顶部安装有与水密电缆连接的水密电子舱，声压水听器线阵、矢量水听器线阵的信号线缆全部连接到水密电子舱。本发明采用一体化设计，方便吊放，采用矢量水听器阵列结合声压水听器阵列，实现宽频带水下辐射噪声测量的空间增益，实现20Hz‑200Hz频段空间增益从0dB增加至4.8dB，200Hz‑500Hz频段空间增益从2dB‑3dB增加至7dB‑8dB。

摘要： 具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器及该水听器的目标定位及判别方法,涉及一种自主定位及目标判别的磁复合三维MEMS矢量水听器，属于水声传感器技术领域。解决了现有单个矢量水听器能对空间目标进行定位的精度差和目标判别不准确的问题，本发明包括3个MEMS加速度传感器、2个声压水听器、磁方位传感器、正交调整架、信号处理电路和声学透声灌封材料的外壳，3个MEMS加速度传感器、2个声压水听器和磁方位传感器均固定在正交调整架。本发明适用于进行水下目标的探测。

摘要： 本发明涉及一种基于分布反馈式光纤激光器的三维矢量水听器及相位解调方法，包括光纤光栅加速度传感单元、质量块、水听器外壳，所述的水听器外壳内通过三维正交方式固定有六根光纤光栅加速度传感单元，各维上的光纤光栅加速度传感单元以端盖通过固定环固定在水听器外壳壁上；所述的质量块一个空心的、六面分别开设有六个通孔的质量块，并位于水听器外壳的中心，各个光纤光栅加速度传感单元以出纤骨架端的有源光纤光栅从质量块的通孔引出；所述的水听器外壳采用硬铝材料制作而成，水听器外壳的接缝处采用O型圈密封，并以光单元从水听器出纤。本发明具有低频、高灵敏度、耐压等优点，为水下监测系统、水声声纳装备和水下信息网等领域提供技术基础。

摘要： 本发明公开了一种MEMS矢量水听器芯片及MEMS矢量水听器，包括锚点，其由两层硅片组成，下面的一层为衬底层，上面的一层为声学敏感结构层；声学敏感结构的一端与锚点固定连接、另一端朝向远离锚点的方向延伸形成为自由端，声学敏感结构可在声波的作用下发生变形受到应力作用；至少一组电阻元件包括设于声学敏感结构的与锚点连接的一端上的第一电阻元件和设于声学敏感结构层上的第二电阻元件，第一电阻元件和第二电阻元件的初始值相同且共同组成一个惠斯通电桥；电阻元件连接有两个输出端口。采用单支点结构，可以有效减小封装应力对水听器的影响，采用硅片加工而成，大大降低原材料成本，成本低。

摘要： 公开了一种矢量水听器及基于该矢量水听器的多目标方位估计方法。所述矢量水听器包括：声学传感器，用于接收目标信号，所述声学传感器包括多个阵元，所述阵元包括若干个传感器单元；目标方位估计模块，用于将采集到的目标信号进行离散化处理，并建立混合矩阵，建立所述声学传感器面阵中心声强方程，建立环境噪声矩阵，并根据环境噪声矩阵和混合矩阵得到目标信号矩阵，将得到的目标信号矩阵与所述声学传感器面阵中心声强方程进行比较归一化处理，获得目标声压信号的强度矢量信息，从而完成目标信号的方位估计。本公开的矢量水听器测试方法简单、成本低、可实现批量化生产。

摘要： 本发明涉及一种声压水听器与矢量水听器组合体积阵，包括圆柱网状结构的支撑框架，位于支撑框架内部，由多根声压水听器线阵排布成细腰鼓形阵列；位于支撑框架外部，由沿周向均匀排列的多条矢量水听器线阵排布成的圆柱状阵列；支撑框架顶部安装有与水密电缆连接的水密电子舱，声压水听器线阵、矢量水听器线阵的信号线缆全部连接到水密电子舱。本发明采用一体化设计，方便吊放，采用矢量水听器阵列结合声压水听器阵列，实现宽频带水下辐射噪声测量的空间增益，实现20Hz‑200Hz频段空间增益从0dB增加至4.8dB，200Hz‑500Hz频段空间增益从2dB‑3dB增加至7dB‑8dB。

摘要： 具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器及该水听器的目标定位及判别方法,涉及一种自主定位及目标判别的磁复合三维MEMS矢量水听器，属于水声传感器技术领域。解决了现有单个矢量水听器能对空间目标进行定位的精度差和目标判别不准确的问题，本发明包括3个MEMS加速度传感器、2个声压水听器、磁方位传感器、正交调整架、信号处理电路和声学透声灌封材料的外壳，3个MEMS加速度传感器、2个声压水听器和磁方位传感器均固定在正交调整架。本发明适用于进行水下目标的探测。

摘要： 本发明公开了一种基于ECKART滤波器的单矢量水听器高分辨DOA估计方法，该方法利用时间延时，将矢量水听器接收数据的时间间隔等效为空间间隔，在空间上构造一个虚拟的矢量水听器，利用两个矢量水听器估计ECKART滤波器参数，构造ECKART滤波器。利用ECKART滤波器对目标窄带空间谱进行后置滤波，通过非相干叠加输出目标宽带空间能量谱，实现目标方位估计。本发明所述的基于ECKART滤波器的单矢量水听器高分辨DOA估计方法，适用于单矢量水听器高分辨DOA估计，与现有技术相比，本发明具有以下优点：利用单矢量水听器估计ECKART滤波器参数，对单矢量水听器MVDR算法输出结果进行后置滤波，提高原MVDR算法的空间分辨率及输出信噪比，从而提升单矢量水听器的多目标分辨能力以及目标探测距离。

摘要： 本实用新型涉及一种矢量水听器，包括弯曲梁加速度计，所述弯曲梁加速度计包括弯曲梁基座和2片梯形PIMNT弛豫铁电单晶晶片，所述弯曲梁基座中间设置有梯形弯曲梁，所述2片梯形PIMNT弛豫铁电单晶晶片粘附于所述梯形弯曲梁的两侧，同时本实用新型还公开了一种矢量水听器单元。PIMNT弛豫铁电单晶材料相较于传统压电陶瓷具有优异的压电性能，提升了矢量水听器的灵敏度，且不会增大矢量水听器的体积，同时制备的弯曲梁加速度计的梯形弯曲梁结构低频灵敏度高，横向灵敏度抑制效果好，所以本实用新型的矢量水听器具有体积小灵敏度高的优点。