基于MEMS标矢量一体化水听器的浮标系统设计

【作者简介】

作者：廉宇琦，张国军，张兰胜，张小勇，李晨歌。

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室)

廉宇琦：硕士研究生在读，主要研究方向为动态测试技术与智能仪器；

张国军：教授，博士，主研究方向为微纳机械系统。

本篇文章节选自论文《基于MEMS标矢量一体化水听器的浮标系统设计》，发表于《电子器件》，2020年10月第43卷第5期。

声明：文章仅供学习与交流，不做商业用途，若需转载请注明由“水声之家”微信公众号平台编辑与整理。版权归媒体、原作者所有,文章观点不代表本机构立场。

【摘要】MEMS标矢量一体化水听器为一种新型的复合式水听器。针对其特性与应用前景和海洋探测需求，基于该传感器设计了一种声呐浮标系统。该系统由STM32、模数转换模块AD7606、无线模块AS01-ML01DP等构成，实现了数据采集存储、无线发送等功能。探测频率为20Hz～1kHz，数据传输速率为2Mbit/s，由基站实时接收来自水下传感器的信号。经试验验证，该系统能够正常工作，满足传感器工程应用需求。

【关键词】 STM32;水听器;数据采集;浮标;MEMS

0.引言

随着近年来海洋探测越来越受到重视，声呐浮标系统由于其体积小、隐蔽性好、探测精度高等优点成为用于海洋探测系统和海军监视系统的重要手段[1]。

MEMS标矢量一体化水听器具有低频探测、小体积、高精度、低成本、低功耗等优点，可有效解决矢量水听器左右舷模糊的问题[2]。如果将其应用于浮标系统可大大降低成本、同时满足其精度体积要求，在海洋探测领域有很好的应用前景[3-4]。本文设计了一种基于MEMS标矢量一体化水听器的浮标系统，可充分发挥传感器优势，满足海洋探测要求，为MEMS标矢量一体化水听器的工程应用奠定基础。

1.MEMS标矢量一体化水听器

MEMS标矢量一体化水听器是一种应用于低频水声探测的新型水声传感器[5-6]，其结构分为两个部分:矢量信号采集端与标量信号采集端，矢量信号采集端结合MEMS技术、仿生原理与压阻特性研制出纤毛式四梁微结构。其敏感单元由四梁微结构和可动纤毛组成，传感器的四梁微结构及整体如图1所示。四梁臂上通过扩散工艺加工有8个阻值相等的应变压敏电阻，构成两个惠斯通电桥，其中R1～R4构成检测X方向信号的电桥，R5～R8构成检测Y方向信号的电桥。

当有声信号传播时，可动纤毛接收声信号产生摆动，从而引起四悬臂梁发生形变，形变导致梁上的压敏电阻阻值产生相应变化，从而实现声音信号转变成电信号[7-8]。矢量接收端能够检测二维平面x、y两个方向的振速分量，根据其输出信号实现目标声源的定向定位，该结构还可有效地消除各向同性噪声，有利于为微弱信号的检测。

为了提高单只水听器的定位精度，将压电陶瓷管作为声压信号的接收端为传感器提供标量通道，压电陶瓷在接受声信号时，在其内外表面会产生相反极性的电荷，从而实现声信号到电信号的转变。MEMS标矢量一体式水听器整体结构图如图2所示，该传感器由标量端、矢量端、信号调理电路三部分组成。

2.浮标系统总体设计

该系统由测量基站与浮标节点构成，其总体结构如图3所示。浮标节点布放在被测区域锚定后，开始采集数据，并根据测量基站的指令将数据回传。其中:测量基站主要由:计算机、数据处理软件、无线模块等构成。主要负责向节点发送指令，并接收及处理节点回传的数据。浮标节点主要由:标矢量一体式水听器、通信浮标、连接缆及锚等构成。主要负责采集声场、自身姿态、位置等信息，实时存储、处理，并根据测量基站指令回传数据。浮标系统的结构包括微弱信号调理模块与数据处理模块;其整体结构如图3所示。MEMS标矢一体化量水听器通过电缆连接通讯浮标，另一端与锚连接，使其稳定在被测区域。浮标系统外部直径为20cm，高度为50cm，总体质量不超过15kg。水听器的输出信号传输至潜标电子舱。电子舱内部安装有三维磁姿态传感器和温度传感器，姿态传感器用以给出浮标系统电子舱和水听器的水下姿态信息，以实时了解水听器所处的环境状况，方便后续算法处理;温度传感器用于检测系统工作时的环境温度。整个系统外部装有导流罩，以降低流噪声的影响[9]。系统数据经过底部的水密电缆和转接件传输至上位机进行显示。

3.信号调理模块

MEMS标矢量一体化水听器输出的信号为mV甚至μV级别的微弱信号，且通常伴随着大量干扰噪声，极易被干扰信号掩没，因此需要设计一款低噪声的信号调理电路对其进行放大、滤波处理，将有用信号提取出来。信号调理电路基本框架如图4所示。

MEMS标矢量一体化水听器矢量端作为由惠斯通电桥构成的压阻式传感器，由于在工艺制作中存在误差会导致电桥不平衡致使其产生一个直流分量，因此选用隔直电容与两个下拉电阻构成高通滤波器，同时两个电阻为仪表放大器提供对地的直流通路。放大电路作为核心组成部分，在其性能要求满足放大倍数、动态范围的基础上必须有较低输出噪声，因此我们选用超低噪声的仪表放大器AD8429，该器件具有极低的输入电压噪声、电流噪声、1/f噪声，高共模抑制比等优点，符合电路低噪声要求。低通滤波电路选用ADI公司生产的双通道运算放大器ADA4898-2，搭建Sallen-Key结构型二阶低通滤波电路，截止频率设为2.5kHz，信号经滤波处理后接电压跟随器，电压跟随器可以调节输入输出阻抗，起到隔离前后级的作用，后接50Ω匹配电阻，与电缆阻抗匹配，防止信号发生反射。AD4898在输入信号为1kHz时输入电压噪声为0.9nV/√Hz，具有超低噪声、超低失真度、单位增益稳定等优点，符合低噪声设计要求。4.系统主控模块

浮标系统由单片机STM32F767IGT6核心板作为主控单元，实现AD转换、数据存储、与无线发送等功能模块的控制[10]。数模转换器采用ADI公司的AD7606，该模块可实现8通道同步采集，可实现16位无失码的数字转换，最高转换速率可达200ksample/s。本系统采用16位并行接口模式与MCU的16位FMC数据总线进行连接。无线模块采用AS01-ML01DP型无线模块，数据通信速率可达2Mbit/s，最大传输距离可达2200m，发送数据时功耗不大于400mW，该模块可通过SPI通信接口与MCU进行通信。姿态传感器用LPMS-ME1微型9轴姿态传感器，该模块具有高精度、超小尺寸、性能灵敏等优点，集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计，可以给出水下姿态信息，和水下声信号同时传输。通过上位机进行数据的读取、分析和存贮，以进行后续的算法处理。系统结构总体示意图如图5所示。

5.系统测试与验证

为验证系统可行性，在山西省太原市汾河二库景区水域进行外场试验测试，将浮标总体电路装进电子仓，将MEMS标矢量一体化水听器通过水密电缆与系统进行连接，放入水中进行测试，外场测试如图6所示。

声源由鱼唇换能器与功率放大器提供，水听器接收信号经过浮标系统的无线发送部分传输至上位机，其传输回来的数据经处理后的图形如图7所示。

6.结论

本文基于MEMS标矢量一体化水听设计了一种小体积、低成本的浮标系统，通过浮标系统与测量基站实现了数据的采集与接收。该系统可充分发挥传感器优势，并经过实验验证，证明了其可行性。本文设计的浮标系统可用于水下探测，为MEMS标矢量一体化水听器在未来工程应用上打下了基础。

【参考文献】[1] 陈连增，雷波.中国海洋科学技术发展70年[J].海洋学报，2019，41(10):3-22.[2] 徐庆达，张国军，沈悦鑫，等.标矢量一体化水听器的设计[J].微纳电子技术，2018，55(12):878-884.[3] 张云鹏.声纳浮标数据采集系统的设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2017.[4] 王超，孙芹东，张林，等.南中国海“G-Argo”声学浮标目标探测能力分析[J/OL].应用声学，2019(6):1-8[2019-11-13].[5-10] 略.