MEMS矢量水听器阵列信号处理研究

　　0 引言

　　MEMS矢量水听器是中北大学微米纳米技术研究中心研制的一种新型的传感器，该水听器将MEMS技术、仿生技术、水声原理结合起来，具有体积小、一致性好、指向精度高等优点[1]，易于组阵，其阵列化不受二分之一波长限制，能够满足小孔径、远距离探测声呐的发展需求，为水下目标的探测、识别，定位以及通信，特别是为潜艇等小体积水中航行体进行环境探测与目标跟踪提供所需的关键器件。与单矢量水听器定向相比[2]，矢量阵信号处理具有灵活的波束控制、高信号增益、极强的抗干扰能力和超高的空间分辨能力等优点。因此，矢量水听器阵列方位估计的研究有着重要的价值。本文在MEMS矢量水听器和MUSIC空间谱研究的基础上，通过对矢量水听器组阵的海试实验的研究，验证了该MEMS矢量阵目标方位估计的优良性能和对水下运动目标的可靠跟踪能力，为MEMS矢量水听器的工程化应用奠定了基础。

　　1 MEMS 矢量水听器介绍

　　鱼类依靠侧线感知声波和水流，侧线中的纤毛随水声信号摆动，敏感细胞感知，实现声目标的定向定位。以此为原型，设计了微纳结合的纤毛式MEMS矢量水听器，其敏感单元由四梁微结构和敏感柱体组成，如图1所示，其中，该柱体设计遵循声学同振原则，采用光纤材料制成。其基本工作原理[3～5]是用力敏电阻器代替纤毛周围的感觉细胞，用光纤模拟纤毛，测量时，敏感柱体与传播到周围的声信号振动谐振，引起敏感柱体底部质量块与悬臂梁产生相应形变，形变致使梁上的力敏电阻器阻值产生相应变化，从而产生相应的电信号。MEMS矢量水听器能够检测平面内的2个方向的振速分量，从而可以实现目标方位估计，同时，该结构可以消除各向同性噪声，更有利于微弱信号检测。

　　在MEMS矢量水听器四梁微结构加工好之后，将微结构固定在封装壳上，采用高频低衰减低渗水的聚氨酯灌封材料制作成的透声橡胶帽对其进行密封。为了使敏感柱体与声场中几何中心处介质质点发生同振，必须保证敏感柱体周围介质的密度与水接近。因此，在透声橡胶帽内注满与水密度接近又绝缘的硅油。水听器的封装示意图如图2所示。

　　利用国防一级计量站的矢量水听器校准装置对MEMS矢量水听器进行了初步标定，标定结果如图3所示。由此可知，该MEMS矢量水听器具有灵敏度高、低频性能好，“8”字形指向性的优点，且其体积小，结构简单，易于组阵，能够满足小孔径，为矢量水听器成阵技术的研究奠定了基础。

　　2 MUSIC算法

　　MUSIC是一种信号参数估计算法，其分辨率高。该算法是利用输入信号协方差矩阵特征结构而形成的一种多重信号分类技术[6]。