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。