基于MEMS仿生矢量水聽器的測距避障聲納系統(tǒng)設(shè)計

劉林仙，張文棟，白建云，張國軍，薛 南(. 山西大學(xué)自動化系 太原 03003；. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室 太原 03005)

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基于MEMS仿生矢量水聽器的測距避障聲納系統(tǒng)設(shè)計

劉林仙1,2，張文棟2，白建云1，張國軍2，薛 南2
(1. 山西大學(xué)自動化系 太原 030013；2. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室 太原 030051)

【摘要】設(shè)計研制了一種基于MEMS仿生矢量水聽器的高效、經(jīng)濟的測距系統(tǒng)。該聲納系統(tǒng)采用收發(fā)分置的主動工作方式，單片機控制電路作為整個系統(tǒng)的核心部件，具有小體積、低成本、高精度、定向發(fā)射、定向接收，不受惡劣天氣影響等優(yōu)勢。開展了測距聲納系統(tǒng)設(shè)計及集成研究，確定了主動聲納信號的參數(shù)和聲納收發(fā)裝置，完成了軟硬件的設(shè)計。在室內(nèi)水池和室外海洋環(huán)境中完成了該系統(tǒng)的測試，實驗結(jié)果表明，該測距聲納系統(tǒng)具有很好的測距功能，測距精度較高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān) 鍵 詞仿生矢量水聽器; 定向接收; 定向發(fā)射; 微機電系統(tǒng); 測距系統(tǒng); 單片機

Design of Ranging Obstacle Avoidance Sonar System Based on MEMS Bionic Vector Hydrophone

LIU Lin-xian1,2, ZHANG Wen-dong2, BAI Jian-yun1, ZHANG Guo-jun2, and XUE Nan2
(1. Department of Automation, Shanxi University Taiyuan 030013; 2. Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, North University of China Taiyuan 030051)

Abstract In recent years, the water transport efficiency and traffic safety problems become increasingly serious. This paper presents a design with implementation of an efficient and economic ranging system based on MEMS vector hydrophone. The system adopts active pulse ranging method and uses the Single Chip Microcomputer (SCM) as the core control device. The key features of the system are smaller size, lower cost, higher accuracy, directional transmission and directional reception, and not affected by the haze weather. The tests of the avoidance sonar were conducted in pool and sea. The test results show that the ranging sonar system has good ranging function and high ranging accuracy, showing a good application prospect.

Key words bionic vector hydrophone; directional reception; directional transmission; micro electromechanical system(MEMS); ranging sonar system; single chip microcomputer

隨著船舶的大型化、高速化發(fā)展，經(jīng)常會在大霧天氣下發(fā)生觸礁、擱淺和碰撞等事故。水上運輸效率和交通安全問題變得日益嚴(yán)峻。為此，為了避免船舶間碰撞和船舶觸礁，提高水路輸運效率和船舶安全，研制一種高效、經(jīng)濟的防撞系統(tǒng)勢在必行[1]。

基于水聲技術(shù)的聲納避障探測系統(tǒng)多采用標(biāo)量組陣的方式來實現(xiàn)目標(biāo)定位，其探測精度和距離和陣列孔徑相關(guān)[2-4]，陣列孔徑的增大會增大系統(tǒng)體積和成本，加大在實際應(yīng)用中的難度。而矢量水聽器可同時獲得聲壓和振速信號，減小聲吶陣列的孔徑，實現(xiàn)在小體積平臺對低頻微弱信號的檢測[5-6]。文獻(xiàn)[7]研制了一種基于矢量水聽器的水下預(yù)警系統(tǒng)。中北大學(xué)研制的MEMS仿生矢量水聽器，采用MEMS技術(shù)實現(xiàn)了水聽器的小體積和低成本，利用仿生原理實現(xiàn)的矢量性可以減小聲納陣列的體積。相比于傳統(tǒng)的標(biāo)量水聽器，單個矢量水聽器就可實現(xiàn)目標(biāo)的定向[8-10]。

本文設(shè)計的基于MEMS仿生矢量水聽器的測距避障聲納系統(tǒng)采用收-發(fā)分置的主動工作方式，其中具有定向接收功能且抗自噪聲干擾的MEMS仿生矢量水聽器作為聲納的接收器，成本低、體積小且不受霧霾天氣的影響等特點，滿足民用船只的需求，應(yīng)用前景非常廣闊。

1 雙T型MEMS仿生矢量水聽器

根據(jù)魚類側(cè)線器官的工作原理及其結(jié)構(gòu)[11-12]，如圖1a所示。本文設(shè)計了如圖1b所示的仿生微結(jié)構(gòu)。在該仿生微結(jié)構(gòu)中，硅梁模仿可動纖毛，植入硅梁根部的壓敏電阻模仿側(cè)線感覺細(xì)胞。工作原理類似于魚類側(cè)線器官聽覺原理，當(dāng)有聲波作用時，雙T型微梁會產(chǎn)生變形，這種變形會引起植入其上的壓敏電阻R1、R2阻值發(fā)生變化，進(jìn)而使得由基準(zhǔn)電阻R3、R4和壓敏電阻R1、R2構(gòu)成的半橋惠斯通電橋的輸出發(fā)生變化，將聲波信號通過惠斯通電路轉(zhuǎn)化為電信號輸出，實現(xiàn)水聲信號的檢測功能。

圖1　水聽器仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計原理圖

圖2　雙T型水聽器的接收靈敏度曲線

圖3　雙T型水聽器指向性圖

雙T型敏感單元結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)SOI微加工技術(shù)加工，并進(jìn)行聲學(xué)封裝。對封裝好的水聽器進(jìn)行了性能測試。圖2所示為該矢量水聽器的接收靈敏度曲線，可看出該水聽器在1 kHz時的接收靈敏度為?180 dB (0 dB = 1 V/μPa)。圖3所示為1 kHz時指向性圖，可看出該水聽器具有很好的8字指向性，可實現(xiàn)定向接收。

2 測距系統(tǒng)設(shè)計

本文采用主動脈沖測距法，即利用接收回波與發(fā)射脈沖信號間的時間差來測距的方法。單片機在聲波信號發(fā)射的同時T0計數(shù)器開始計時，聲波信號在水中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號經(jīng)過處理后輸入到單片機計數(shù)器，T0計數(shù)器停止計數(shù)。采用12 M高精度晶振，一個機器周期需要1 μs時間，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1 μs。通過計數(shù)器測得的脈沖數(shù)可得到聲波信號往返所需要的時間，所測距離即為聲波傳播距離的一半，則所測目標(biāo)距離為：

式中，S為待測距離；c為聲波在水中的傳播速度；t為聲波發(fā)射到返回的時間間隔。

該系統(tǒng)主要包括發(fā)射、接收、信號提取和處理3個模塊。測距原理如圖4所示，單片機控制電路是整個系統(tǒng)的核心部件，單片機發(fā)出10 kHz方波脈沖，經(jīng)功放放大后驅(qū)動壓電陶瓷換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號定向發(fā)出，聲波經(jīng)障礙物反射后，由雙T 型MEMS矢量水聽器定向拾取回波信號，接收到的微弱信號經(jīng)過放大、濾波、整形電路等調(diào)理電路后輸入單片機，再由單片機進(jìn)行算法處理，最終由LCD實時顯示出聲目標(biāo)距離。

圖4　測距聲納原理圖

2.1 主動聲納工作參數(shù)確定

聲納工作參數(shù)的選擇是依據(jù)發(fā)射能量、介質(zhì)的傳播損失、環(huán)境噪聲、作用距離、盲區(qū)限制、目標(biāo)特性、發(fā)射和接收裝置性能等要素來綜合確定的。

傳播損失由幾何擴展損失和介質(zhì)吸收損失兩者構(gòu)成，深海自由場不考慮粘滯效應(yīng)，球面波的傳播損失為[13]：

式中，r為距離；α為海水吸收系數(shù)，與信號頻率f有關(guān)，在500 kHz以下有[13]：

由式(2)和式(3)可看出，高頻衰減快表明探測距離縮短，而工作于高頻的聲納，其基陣易于實現(xiàn)窄波束指向性，抑制噪聲的能力增強。

對于主動脈沖測距法，距離分辨率為：

式中，τ為信號脈沖寬度，由于傳播造成信號展寬，距離分辨力還要劣于式(4)。模糊函數(shù)證明，要提高分辨力必須減小脈寬，但是減小脈寬就意味著減小發(fā)射能量。

根據(jù)以上分析可知，影響主動聲納信號形式及工作參數(shù)的因素很多，且各因素之間往往都是相互制約的，而聲納環(huán)境較為復(fù)雜。綜合考慮發(fā)射能量、環(huán)境噪聲、傳播損失、距離分辨率、雙T型MEMS矢量水聽器有效工作頻率等因素，最終確定工作參數(shù)為：同時設(shè)定單個脈沖的占空比為60%，連續(xù)發(fā)射5個脈沖信號，通過單片機控制產(chǎn)生，發(fā)射信號如圖5所示。該參數(shù)下距離分辨率海水吸收系數(shù)α≈1.14 dB/km。

圖5　聲納發(fā)射信號波形

2.2 發(fā)射換能器

發(fā)射換能器選用中船重工715研究所研制的D10柱形水聲定向發(fā)射換能器，實物如圖6所示。該換能器主要由前質(zhì)量塊、陶瓷晶堆、后質(zhì)量塊等3個部分組成，利用陶瓷晶堆的壓電特性完成電聲轉(zhuǎn)換，推動前質(zhì)量塊向水中輻射聲波。圖7所示為在測試距離為1.74 m，測試深度為1.80 m的條件下，10 kHz的指向性圖，由圖可看出，該發(fā)射換能器為?3 dB開角為125.7°，可實現(xiàn)定向發(fā)射，比全向發(fā)射換能器產(chǎn)生的干擾小。

圖6　D10定向發(fā)射換能器實物圖

圖7　發(fā)射換能器指向性圖

2.3 硬件設(shè)計

圖8　發(fā)射電路

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括單片機控制電路、聲波發(fā)射電路、接收處理電路和信號調(diào)理電路等。由于系統(tǒng)發(fā)射信號為脈沖信號、發(fā)射電路以三極管作為控制開關(guān)，通過單片機程序控制輸出。發(fā)射電路如圖8所示，輸入端為左邊TX，與單片機信號輸出端口(P3.1)相連；右邊TX為發(fā)射信號輸出端，與功率放大器相連；換能器發(fā)射信號經(jīng)目標(biāo)障礙物反射后，由T型MEMS矢量水聽器接收，接收處理電路將經(jīng)過信號調(diào)理后的回波信號轉(zhuǎn)化為單片機可識別的電平信號，主要由3個三極管Q2、Q3和Q4組成，接收處理電路如圖9所示，圖中左端RX為水聽器接收信號輸入端，右邊RX與單片機輸入端口(P3.2)相連；單片機觸發(fā)中斷，調(diào)用算法計算目標(biāo)物距離，最終由LCD顯示報警。

圖9　接收處理電路

2.4 軟件設(shè)計

圖10　外部中斷子程序流程圖

圖11　主程序流程圖

本文采用先發(fā)射5個10 kHz的脈沖串，發(fā)射完成后開啟單片機定時器，通過機器周期脈沖計數(shù)記錄收發(fā)信號時間差。當(dāng)回波信號經(jīng)過接收處理電路后，單片機就會響應(yīng)該信號產(chǎn)生的外部中斷，進(jìn)而執(zhí)行如圖10所示的外部中斷服務(wù)子程序，關(guān)閉定時器，讀取時間差，進(jìn)而通過聲速和讀取的時間差來計算障礙物距離。軟件部分主要包括主程序、定時器中斷、外部中斷、距離解算、報警及LCD顯示等子程序，圖11所示為主程序流程圖。

3 系統(tǒng)集成與測試

圖12　測距聲納系統(tǒng)試驗樣機

考慮系統(tǒng)的隔振和減震，完成了測距系統(tǒng)的集成，圖12為包含單個水聽器和換能器組裝好的測距系統(tǒng)樣機。為了驗證該系統(tǒng)可行性，進(jìn)行了室內(nèi)水池和室外海試環(huán)境試驗。

3.1 水池靜態(tài)測試

本文首先在山西汾西重工有限責(zé)任公司長90 m、寬25 m、深10 m的水池對系統(tǒng)進(jìn)行測試。目標(biāo)靶為0.5 m2的鐵板，目標(biāo)靶與測距系統(tǒng)濕端系統(tǒng)同時放入水下6 m，測試方案如圖13所示。改變目標(biāo)靶和系統(tǒng)濕端的距離，觀察并記錄結(jié)果，圖14為測試現(xiàn)場圖。在水深6 m、距離目標(biāo)4.16 m時的發(fā)射波和反射波形對比圖如圖15所示，可看出雙T型MEMS矢量水聽器可很好地接收回波信號。圖16所示為實際距離為4.16 m時的測試結(jié)果，表1為水池測試結(jié)果對比。

圖13　水池測試方案

圖14　水池測試現(xiàn)場

圖15　發(fā)射波和反射波波形對比圖

圖16　實際距離為4.16 m時測試結(jié)果

結(jié)果表明，該測距系統(tǒng)在85 m內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測距，測量距離整體偏小，且隨著距離的由近及遠(yuǎn)，相對誤差也在逐步縮小，但最大相對誤差不超過5%，測量精度較高。這是由于為了減小脈沖限制盲區(qū)，采用先發(fā)射脈沖，然后開啟定時器和中斷，造成測試時間小于聲波實際傳播的時間，進(jìn)而引起所測距離小于實際距離，對于實際應(yīng)用中的安全問題也非常重要。

表1　水池測距實驗結(jié)果

3.2 海試示范性試驗

為進(jìn)一步驗證該系統(tǒng)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的可行性，本文在青島嶗山區(qū)海域進(jìn)行了海試試驗，該海域水深40～50 m，3級海況。租賃一漁船，長15 m，吃水深度1 m, 測距系統(tǒng)濕端安裝于船艏底部，干端顯示裝置安置于船艙上，圍著海上某一島嶼以0～10節(jié)的速度航行，測試目標(biāo)為島嶼周圍的暗礁，預(yù)警距離設(shè)置為10 m，測試方案如圖17所示。

圖18　測試現(xiàn)場

圖18所示為測試現(xiàn)場，圖19所示為利用激光測距儀所測實際距離為34、52和90 m時的測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，最遠(yuǎn)探測暗礁距離為55 m與激光測距儀顯示的船與島面的實際距離58 m基本吻合，船只在55 m范圍可根據(jù)LCD顯示結(jié)果避開暗礁，進(jìn)一步驗證了該測距系統(tǒng)的可行性。

圖19　測試結(jié)果

4 結(jié) 束 語

本文設(shè)計研制了一種基于MEMS仿生矢量水聽器的高效、經(jīng)濟的測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用D10發(fā)射換能器作為聲納系統(tǒng)的發(fā)射端實現(xiàn)定向發(fā)射，雙T 型MEMS仿生矢量水聽器作為聲納系統(tǒng)的接收端實現(xiàn)定向接收，提高了系統(tǒng)的抗自噪聲干擾能力，降低誤報率，相對于當(dāng)前的測距系統(tǒng)，具有體積小、成本低、高效等特點。本文完成了系統(tǒng)的設(shè)計、組裝和測試。室內(nèi)水池測試和室外海試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以很好地接收聲目標(biāo)信號，并正確地計算出目標(biāo)距離，測距精度較高，有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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編 輯 黃 莘

作者簡介：劉林仙(1987 ? )，女，博士，主要從事MEMS傳感器及其應(yīng)用方面的研究.

收稿日期：2014 ? 12 ? 13；修回日期：2015 ? 11 ?12

中圖分類號TB565.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2016.01.027

基金資助：國家自然科學(xué)基金(61127008)