CN103954346A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

技术领域

本发明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。

背景技术

随着水声传感器技术的发展，利用矢量水听器获取水下声信息并进行水下目标的探测、定位方法，正逐渐成为海洋环境监视、探测及水下目标识别的一种有效手段。1997年国内首次通过技术引进，系统地开展矢量水听器技术专题研究。1998年进行了国内首次矢量水听器外场试验，2000年进行了国内首次矢量水听器海上试验，效果良好，为矢量水听器的工程应用做出了重要贡献。基于MEMS技术研制的矢量水听器正逐渐向微型化，集成化发展。利用MEMS技术研制的单矢量水听器可以实现目标定向功能，但如何使单个矢量水听器能更好地为对空间目标进行定位及目标判别是当前研究的重点和难点。因此，仍然存在单个矢量水听器能更好地为对空间目标进行定位精度差和目标判别不准确的问题。

发明内容

本发明为了解决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，提供了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。

本发明所述具有定位及目标判别功能的磁复合三维矢量水听器，该矢量水听器包括3个MEMS加速度传感器1、2个声压水听器2、磁方位传感器3、正交调整架4、信号处理电路5和声学透声灌封材料的外壳6；

所述正交调整架4为11根支架固定连接构成的非闭合正方体框架，该框架的每个支架上均设有圆形通孔，用于与螺栓连接，以正交调整架4的一个连接点为中心建立三维直角坐标系，3个MEMS加速度传感器1分别通过螺栓安装在正交调整架4的XOY、XOZ和YOZ三个平面上，且3个MEMS加速度传感器1的敏感方向相互正交，构成三维MEMS矢量水听器X轴振速通道、Y轴振速通道和Z轴振速通道；磁方位传感器3通过螺栓固定在正交调整架4上，使磁方位传感器3敏感轴初始方向与地磁北极方向夹角为零度，且与三维MEMS矢量水听器的Y轴振速通道平行，2个声压水听器2分别固定安装在与Z轴振速通道平行的MEMS加速度传感器1与磁方位传感器3的内表面上，信号处理电路5通过螺栓固定在正交调整架4上且平行于YOZ平面；3个MEMS加速度传感器1的信号输出端均与连接信号处理电路4的一个信号输入端连接、2个声压水听器2的信号输出端均与信号处理电路4的另一个信号输入端连接，磁传感器3的信号输出端连接信号处理电路4的磁信号输入端；向安装有3个MEMS加速度传感器1、2个声压传感器3、磁方位传感器3和信号处理电路5的正交调整架4灌筑声学透声灌封材料构成圆筒形外壳6。

上述水听器的目标判别与定位方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用3个MEMS加速度传感器1输出相互正交的三个方向的声信号信息v_x、v_y和v_z；2个声压水听器2输出并联后的声压信号p(t)；采用磁方位传感器3采集磁信号，获得磁方位传感器3的三个正交振速分量v_i(t)；i＝x,y,z；

步骤二、利用步骤一获得的声压信号p(t)，获得水下待测目标相对于矢量水听器主响应轴的水平方位角α(f)；

对声压信号p(t)及三个正交振速分量v_i(t)(i＝x,y,z)作FFT变换，得到相应的谱为P(f)及V(f)，则声压信号、振速分量互谱函数为：

$S_{{\mathrm{pv}}_i}\left(f\right)=P\left(f\right){V_i}^{*}---\left(1\right)$

符号*表示共轭运算；

采用滑动窗函数对互谱函数做时间平均，对公式1的互谱作平均，得到平均周期图输出为：

$<S_{{\mathrm{pv}}_i}\left(f\right)>=<P\left(f\right)\&CenterDot;{V_i}^{*}\left(f\right)>---\left(2\right)$

<·>表示滑动窗平均周期图；

目标声源相对矢量水听器主响应轴的水平方位α(f)为：

$\mathrm{\&alpha;}\left(f\right)=\arctan \frac{\mathrm{Re}\{<P\left(f\right)V_y^{*}\left(f\right)>\}}{\mathrm{Re}\{<P\left(f\right)V_x^{*}\left(f\right)>\}}---\left(3\right)$

步骤三、利用磁方位传感器获得的三轴加速度测量值，进行矢量合成获得矢量水听器相对于磁北极的方位角

步骤四、利用步骤二获得的水下待测目标相对于矢量水听器主响应轴的水平方位角α(f)和矢量水听器主响应轴的相对于磁北极的方位角计算出目标方位θ；实现对水下待测目标的定位。

步骤五、根据公式1计算出若该值为负，则水下待测目标的深度小于矢量水听器的深度，否则水下待测目标的深度大于矢量水听器的深度；实现对水下待测目标的判别。

本发明利用信号处理电路实现声信号的转换、放大、滤波，将三维MEMS矢量水听器测得的三维水声信号转换为声模拟信号；同时实现对磁阻电桥的交变激励及信号放大，将三维磁场分量转换为磁模拟信号；解算出目标相对于磁复合三维MEMS矢量水听器水平方位角α(f)；解算出磁方位传感器的真北磁方位角计算求得目标真实的方位α(f)+φ，计算矢量水听器Z轴垂直声强流的无功分量若为负，则水下待测目标的深度小于矢量水听器的深度，否则水下待测目标的深度大于矢量水听器的深度；实现对水下待测目标的深度与方位的判别。且采用本发明单个所述的具有定位及目标判别的磁复合三维矢量水听器很容易实现目标的精确定位及目标判别；在恶劣海洋环境下，自主定位及目标判别的磁复合三维MEMS矢量水听器具有更好的环境适应性，因为该矢量水听器可实时补偿方位角θ，更精度定向及跟踪目标；目前二维矢量水听器技术仅具备平面指向能力，不能满足自主探测及判断的需要，本发明所述矢量水听器与现有二维矢量水听器相比，精确度同比提高了20％，且具有目标判别能力。

附图说明

图1为本发明说述的矢量水听器的内部结构示意图；

图2为本发明所述的矢量水听器封装后的结构示意图；

图3为本发明所述的矢量水听器信号处理流程图；

图4为本发明所述的矢量水听器水平指向性图，

图中虚直线为矢量水听器主响应轴，A为目标点。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1图2说明本实施方式，本实施方式所述具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器，该矢量水听器包括3个MEMS加速度传感器1、2个声压水听器2、磁方位传感器3、正交调整架4、信号处理电路5和声学透声灌封材料的外壳6；

所述正交调整架4为11根支架固定连接构成的非闭合正方体框架，该框架的每个支架上均设有圆形通孔，用于与螺栓连接，以正交调整架4的一个连接点为中心建立三维直角坐标系，3个MEMS加速度传感器1分别通过螺栓安装在正交调整架4的XOY、XOZ和YOZ三个平面上，且3个MEMS加速度传感器1的敏感方向相互正交，构成三维MEMS矢量水听器X轴振速通道、Y轴振速通道和Z轴振速通道；磁方位传感器3通过螺栓固定在正交调整架4上，使磁方位传感器3敏感轴初始方向与地磁北极方向夹角为零度，且与三维MEMS矢量水听器的Y轴振速通道平行，2个声压水听器2分别固定安装在与Z轴振速通道平行的MEMS加速度传感器1与磁方位传感器3的内表面上，信号处理电路5通过螺栓固定在正交调整架4上且平行于YOZ平面；3个MEMS加速度传感器1的信号输出端均与连接信号处理电路4的一个信号输入端连接、2个声压水听器2的信号输出端均与信号处理电路4的另一个信号输入端连接，磁传感器3的信号输出端连接信号处理电路4的磁信号输入端；向安装有3个MEMS加速度传感器1、2个声压传感器3、磁方位传感器3和信号处理电路5的正交调整架4灌筑声学透声灌封材料构成圆筒形外壳6。

具体实施方式二、参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器的区别在于，该矢量水听器还包括电缆7，所述电缆器7的一端连接信号处理电路5的信号输出端，电缆器7穿过圆筒形外壳6，用于与外部设备相连。

具体实施方式三、参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器的区别在于，该矢量水听器还包括8个挂钩8和8个圆柱形连接件9，所述8个圆柱形连接件9的主体密封在圆筒形外壳6内，圆筒形外壳6的一个圆柱面上固定有4个圆柱形连接件9，圆柱形连接件9的一端位于圆筒形外壳6的外部，8个挂钩8与8个圆柱形连接件9螺纹连接。

本实施方式所述8个挂钩用于在进行目标测定时，将矢量水听器悬挂在水中。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器的进一步说明，信号处理电路5还包括：声信号处理电路、磁方位处理电路和数字信号处理电路，所述声信号处理电路的一个信号输入端同时连接2个声压水听器2的水压信号输出端，信号处理电路的另一个信号输入端同时连接3个MEMS加速度传感器1的加速度信号输出端，声信号处理电路的声信号输出端连接数字信号处理电路的声信号输入端，磁方位处理电路的信号输入端连接磁方位传感器3的磁方位信号输出端，磁方位传感器3的磁信号输出端连接数字信号处理电路的磁信号输入端。

本实施方式利用声信号处理电路实现对声信号的转换、放大、滤波，将三维MEMS矢量水听器测得的三维水声信号转换为声模拟信号；磁方位处理电路实现对磁阻电桥的交变激励及信号放大，将三维磁场分量转换为磁模拟信号；数字处理电路是由高速A/D转换器、DSP处理器等数字器件构成，其利用高速A/D转换器将模拟声信号和模拟磁信号转换成数字信号，采集后的数字信号传输给DSP处理器，DSP处理器实现以下功能：①解算出目标相对于矢量水听器的水平方位角θ；解算出磁方位传感器的真北磁方位角求得目标真实的方位请参阅图2所示；实现对目标的定位和判别。

具体实施方式五、本实施方式是对具体是方式一所述的具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器的目标定位及判别方法的说明，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用3个MEMS加速度传感器1输出相互正交的三个方向的声信号信息v_x、v_y和v_z；2个声压水听器2输出并联后的声压信号p(t)；采用磁方位传感器3采集磁信号，获得磁方位传感器3的三个正交振速分量v_i(t)；i＝x,y,z；

步骤二、利用步骤一获得的声压信号p(t)，获得水下待测目标相对于矢量水听器主响应轴的水平方位角α(f)；

对声压信号p(t)及三个正交振速分量v_i(t)(i＝x,y,z)作FFT变换，得到相应的谱为P(f)及V(f)，则声压信号、振速分量互谱函数为：

$S_{{\mathrm{pv}}_i}\left(f\right)=P\left(f\right){V_i}^{*}---\left(1\right)$

符号*表示共轭运算；

采用滑动窗函数对互谱函数做时间平均，对公式1式的互谱作平均，得到平均周期图输出为：

$<S_{{\mathrm{pv}}_i}\left(f\right)>=<P\left(f\right)\&CenterDot;{V_i}^{*}\left(f\right)>---\left(2\right)$

<·>表示滑动窗平均周期图；

目标声源相对矢量水听器主响应轴的水平方位α(f)为：

$\mathrm{\&alpha;}\left(f\right)=\arctan \frac{\mathrm{Re}\{<P\left(f\right)V_y^{*}\left(f\right)>\}}{\mathrm{Re}\{<P\left(f\right)V_x^{*}\left(f\right)>\}}---\left(3\right)$

步骤三、利用磁方位传感器获得三轴加速度测量值，进行矢量合成获得矢量水听器相对于磁北极的方位角

步骤四、利用步骤二获得的水下待测目标相对于矢量水听器主响应轴的水平方位角α(f)和矢量水听器主响应轴的相对于磁北极的方位角计算出目标方位θ；实现对水下待测目标的定位。

步骤五、根据公式1计算出若该值为负，则水下待测目标的深度小于矢量水听器的深度，否则水下待测目标的深度大于矢量水听器的深度；实现对水下待测目标的判别。

本发明涉还具有如下的特点：

1、MEMS加速度传感器采用差分电容原理、利用多层硅结构敏感芯片的微细加工及立体封装技术实现；

2、磁方位传感器采用三维磁阻敏感元件实现。

3、三个MEMS加速度传感器和磁方位传感器安装在正交调整架上，调整彼此之间位置，使三个MEMS加速度传感器敏感方向相互正交后固定于正交调整架；调整磁方位传感器与MEMS加速度传感器Y轴方向平行，然后固定磁方位传感器于正交调整架。

本发明的理论依据是矢量水听器工作原理的理论依据，即：如果声学刚性柱体的几何尺寸远远小于波长即ka<<1，k是波数，a是刚性柱体的最大线性尺度，则其在水中声波作用下作自由运动时，刚性柱体的振动速度幅值V与声场中柱体几何中心处水质点的振动速度幅值V0之间存在以下关系：

$\frac{V}{V_0}=\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_0}{\mathrm{\&rho;}+{\mathrm{\&rho;}}_0}$

其中：ρ₀—水介质密度，—刚性柱体平均密度

由公式可知，如果满足ka<<1条件，则刚性柱体矢量水听器的平均密度等于水介质密度ρ₀相等时，其矢量水听器的振速幅值V与水质点的振动速度幅值V₀相同，相位趋于零。

在具有定位及目标判别的磁复合三维矢量水听器制作过程中应注意：①要尽量降低悬挂系统刚度；②在矢量水听器进行灌封时，其整体密度要尽量接近水介质密度；③矢量水听器外形尺寸的设计要满足矢量水听器的尺寸要远小于所测量声波的波长。

Claims (5)

1.具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器，其特征在于，该矢量水听器包括3个MEMS加速度传感器(1)、2个声压水听器(2)、磁方位传感器(3)、正交调整架(4)、信号处理电路(5)、声学透声灌封材料的外壳(6)和输出电缆(7)；

所述正交调整架(4)为11根支架固定连接构成的非闭合正方体框架，该框架的每个支架上均设有圆形通孔，用于与螺栓连接，以正交调整架(4)的一个连接点为中心建立三维直角坐标系，3个MEMS加速度传感器(1)分别通过螺栓安装在正交调整架(4)的XOY、XOZ和YOZ三个平面上，且3个MEMS加速度传感器(1)的敏感方向相互正交，构成三维MEMS矢量水听器X轴振速通道、Y轴振速通道和Z轴振速通道；磁方位传感器(3)通过螺栓固定在正交调整架(4)上，使磁方位传感器(3)敏感轴初始方向与地磁北极方向夹角为零度，且与三维MEMS矢量水听器的Y轴振速通道平行，2个声压水听器(2)分别固定安装在与Z轴振速通道平行的MEMS加速度传感器(1)与磁方位传感器(3)的内表面上，信号处理电路(5)通过螺栓固定在正交调整架(4)上且平行于YOZ平面；3个MEMS加速度传感器(1)的信号输出端均与连接信号处理电路(4)的一个信号输入端连接、2个声压水听器(2)的信号输出端均与信号处理电路(4)的另一个信号输入端连接，磁传感器(3)的信号输出端连接信号处理电路(4)的磁信号输入端；向安装有3个MEMS加速度传感器(1)、2个声压传感器(3)、磁方位传感器(3)和信号处理电路(5)的正交调整架(4)灌筑声学透声灌封材料构成圆筒形外壳(6)。

2.根据权利要求1所述的具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器，其特征在于，该矢量水听器还包括电缆(7)，所述电缆器(7)的一端连接信号处理电路(5)的信号输出端，电缆器(7)穿过圆筒形外壳(6)，用于与外部设备相连。

3.根据权利要求1所述的具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器，其特征在于，该矢量水听器还包括8个挂钩(8)和8个圆柱形连接件(9)，所述8个圆柱形连接件(9)的主体密封在圆筒形外壳(6)内，圆筒形外壳(6)的一个圆柱面上固定有4个圆柱形连接件(9)，圆柱形连接件(9)的一端位于圆筒形外壳(6)的外部，8个挂钩(8)与8个圆柱形连接件(9)螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器，其特征在于，信号处理电路(5)还包括：声信号处理电路、磁方位处理电路和数字信号处理电路，所述声信号处理电路的一个信号输入端同时连接2个声压水听器(2)的水压信号输出端，声信号处理电路的另一个信号输入端同时连接3个MEMS加速度传感器(1)的加速度信号输出端，声信号处理电路的声信号输出端连接数字信号处理电路的声信号输入端，磁方位处理电路的信号输入端连接磁方位传感器(3)的磁方位信号输出端，磁方位传感器(3)的磁信号输出端连接数字信号处理电路的磁信号输入端。

5.具有目标定位及判别功能的磁复合三维矢量水听器的目标定位及判别方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、采用3个MEMS加速度传感器(1)输出相互正交的三个方向的声信号信息v_x、v_y和v_z；2个声压水听器(2)输出并联后的声压信号p(t)；采用磁方位传感器(3)采集磁信号，获得磁方位传感器(3)的三个正交振速分量v_i(t)；i＝x,y,z；

步骤二、利用步骤一获得的声压信号p(t)，获得水下待测目标相对于矢量水听器主响应轴的水平方位角α(f)；

对声压信号p(t)及三个正交振速分量v_i(t)(i＝x,y,z)作FFT变换，得到相应的谱为P(f)及V(f)，则声压信号、振速分量互谱函数为：

$S_{{\mathrm{pv}}_i}\left(f\right)=P\left(f\right){V_i}^{*}---\left(1\right)$

符号*表示共轭运算；

采用滑动窗函数对互谱函数做时间平均，对公式1式的互谱作平均，得到平均周期图输出为：

$<S_{{\mathrm{pv}}_i}\left(f\right)>=<P\left(f\right)\&CenterDot;{V_i}^{*}\left(f\right)>---\left(2\right)$

<·>表示滑动窗平均周期图；

目标声源相对矢量水听器主响应轴的水平方位α(f)为：

$\mathrm{\&alpha;}\left(f\right)=\arctan \frac{\mathrm{Re}\{<P\left(f\right)V_y^{*}\left(f\right)>\}}{\mathrm{Re}\{<P\left(f\right)V_x^{*}\left(f\right)>\}}---\left(3\right)$

步骤三、利用磁方位传感器获得三轴加速度测量值，进行矢量合成获得矢量水听器相对于磁北极的方位角

步骤四、利用步骤二获得的水下待测目标相对于矢量水听器主响应轴的水平方位角α(f)和矢量水听器主响应轴的相对于磁北极的方位角计算出目标方位θ；实现对水下待测目标的定位；

步骤五、根据公式(1)计算出若该值为负，则水下待测目标的深度小于矢量水听器的深度，否则水下待测目标的深度大于矢量水听器的深度；实现对水下待测目标的判别。