MEMS水聽器作為聲吶的核心部件，具有靈敏度高、低頻特性好的優勢，在進行水下探測時，可同時得到水下聲場的聲壓及振速信息，被廣泛應用于聲吶浮標、無人水下航行器（UUV）等水下平臺，實現對水下目標的實時探測。
據麥姆斯咨詢報道，基于MEMS水聽器，中北大學張國軍教授團隊設計了一種應用于聲吶浮標的水下探測系統。該系統在被動值守采集存儲信號的基礎上，添加了信號檢測器，可實時檢測水下信號，性能優異。相關研究成果以“基于MEMS水聽器的水下探測系統設計與實現”為題發表在《微納電子技術》期刊上。
在這項研究工作中，研究人員以現場可編程門陣列（FPGA）為控制核心，基于MEMS水聽器，選擇合理的存儲協議和能量檢測算法，設計并實現了一種應用于聲吶浮標的水下探測系統。根據仿生學原理與MEMS技術，制作出纖毛式MEMS矢量水聽器，考慮到水下的特殊環境，將水聽器管殼材質換為了不銹鋼，信號接收端與調理電路使用分段式結構，增加了水聽器的穩定性。
圖1 MEMS矢量水聽器仿生纖毛結構
圖2 同軸封裝的MEMS水聽器
圖3 水聽器實物圖
研究人員在水下探測系統被動值守采集存儲信號的基礎上，添加了信號檢測器，實現了對水下信號的實時檢測，并開展了室內測試與室外湖試實驗。室內測試結果顯示，MEMS水聽器的矢量通道靈敏度約為-210 dB@100 Hz，可測帶寬為10 ~ 2000 Hz，具有平滑的“8”字指向性；標量通道具有全向性，靈敏度為-189.5 dB@100 Hz，可測帶寬為10 ~ 1250 Hz；系統功耗約1.55 W，同步采樣率為10 kHz，存儲容量為64 GB，可實現信號的實時檢測以及對3路模擬信號和3路數字信號的存儲。湖試實驗結果表明，該系統在水下能夠穩定工作，可以連續工作約23 h，經數據處理分析，系統采集到的水聲信號正常，對目標信號的探測性能良好。
圖4 水聽器測試平臺照片
圖5 信號檢測的水聽器數據
圖6 信號檢測的姿態傳感器數據
圖7 1h 20min 24s時的姿態傳感器數據
圖8 1h 20min 24s時的連續信號
綜上所述，這項研究工作設計了一種基于MEMS水聽器的水下探測系統，可應用于聲吶浮標。該水下探測系統添加了信號檢測器，可實現對水下信號的有效檢測。經實驗測試，該系統性能良好，續航時間長，工作穩定，可快速反應，能實時、高效監測廣闊海域。這項研究工作對后期水下探測系統實現信號預處理、定向等功能具有重要意義。
論文信息：
DOI: 10.13250/j.cnki.wndz.24030402
