基于MEMS水听器阵列的水下小目标探测声呐系统设计
摘要
在对海洋的探测技术的发展中，针对水下小目标（蛙人、水下机器人、无人航行器
等）的探测与识别成为重中之重，传统的探测声呐系统由于体积大、制作成本高，在民
用船只上装配率极低，因此，对小体积、低成本的水下小目标探测声呐的研究提出了迫
切需求。本文主要基于ALN压电薄膜和MEMS技术，设计制作了一款体积小、成本低、
灵敏度高、一致性好的MEMS声压水听器，并基于制作的MEMS水听器阵列完成了水
下声呐成像系统设计。本文重点开展了MEMS水听器的芯片结构和封装测试、信号调
理电路的设计与分析、水下声呐成像系统方案设计与搭建、消声水池水下小目标探测测
试。本文的主要工作如下：
首先介绍了压电式MEMS水听器的工作原理，基于工作原理对MEMS敏感元件的
相关参数对灵敏度的影响进行了有限元仿真分析，确定了水听器压电薄膜的尺寸信息，
进行了MEMS敏感元件的设计。论文中对MEMS敏感元件的等效电路进行了分析，并
基于MEMS敏感元件的等效电路完成了信号调理电路的设计，完成了信号调理电路的
仿真、制作，实现弱信号的40dB放大。
其次对设计的MEMS水听器进行封装制作，介绍了水听器灵敏度、自噪声、功耗
的测试方法，重点对水听器的性能进行了测试标定。测试结果表明设计制作的32个
MEMS水听器灵敏度在2kHz~40kHz频段为-185~-170dB之间，且一致性较好，自噪声
为50.2dB@1000Hz，MEMS水听器功耗为18.95mW，满足水下小目标探测需求。
然后基于MEMS水听器阵列、虚拟仪器NI-DAQmx和LabVIEW进行了探测声呐
系统的设计，主要包括主动声呐样机设计、系统硬件设计和软件设计，确定了成像声呐
系统的设计方案和工作参数，对聚焦波束形成原理进行了仿真分析和LabVIEW实现。
最后完成了硬件模块和软件模块的测试。
最后系统样机在消声水池完成了水下小目标探测测试。测试结果表明基于MEMS
水听器阵列的声呐系统具有良好的水下小目标探测能力，验证了基于MEMS水听器阵
列的水下小目标探测声呐系统的可行性。希望通过本文研究能够进一步推动MEMS水
听器在水下小目标探测声呐系统中的应用。
关键词：MEMS水听器；虚拟仪器；LabVIEW；水下小目标探测
基于MEMS水听器阵列的水下小目标探测声呐系统设计
ABSTRACT
Inthedevelopmentofmarinedetectiontechnology,thedetectionandidentificationof
smallunderwatertargets(frogmen,underwaterrobots,unmannedvehicles,etc.)hasbecomea
toppriority.Duetothelargesizeandhighproductioncost,theassemblyrateoftraditional
imagingsonarsystemisverylowoncivilianships.Therefore,theresearchofsmallunderwater
targetimagingsonarwithsmallvolumeandlowcosthasbeenputforward.BasedonALN
piezoelectricfilmandMEMStechnology,thispaperdesignsandmanufacturesaMEMS
acousticpressurehydrophone