郭 静，张国军，韩建军，王续博,张文栋

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,山西太原 030051)



应用于海底观测网的矢量水听器信号采集系统

郭 静，张国军，韩建军，王续博,张文栋

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,山西太原 030051)

基于中北大学研制的纳机电矢量水听器，设计一套应用于深海海底观测网的矢量水听器信号采集系统。该系统以FPGA为控制核心实现对纳机电矢量水听器矢量声场信号的预处理、采集、编码、存储及传输，同时可读取水听器姿态信息和温度信息以实时了解水听器环境状况，便于后续算法处理。最后进行系统调试，结果表明该系统可成功实现其功能，且具有低功耗，满足应用于海底观测网的需求。

矢量水听器；FPGA；信号采集；AD转换；低功耗

0 引言

随着人们对海洋资源的需求不断增加，海洋活动范围从沿岸、近海逐步扩展到更远更深的海域。对深海的长期实时观测通常需要建立海底实时监控网络[1-3]，通过大量的传感器来实现。目前，远离大陆的深海大洋的观测系统采用自带电池电源的方式进行观测，数据通讯采用卫星浮标通讯或AUV机器人定时采集信息[4-5]。观测系统的主要观测工具是传感器及相应的信息处理单元。其中，低功耗是设计海洋观测系统的重要内容之一。

中北大学研制的纳机电矢量水听器将MEMS技术、压阻效应与仿生原理[6]结合于一体。采用压阻原理的微结构矢量水听器可以实现传感器尺寸微型化，并且探测灵敏度优于传统的压电陶瓷式水听器。同时，基于压阻效应的传感器可以测量低频范围信号，适用于远距离低频信号探测[7-8]。此外，纳机电矢量水听器具有微功耗、高灵敏度，抗压能力强，良好的“8”字型指向性等优点。基于此，将纳机电矢量水听器应用于海底长期观测网，在提高我国深海环境的探测和建模、海洋科学研究、海底资源的开采、海洋目标的水下探测和识别等方面的研究中将发挥重要作用，有重要的科学意义和广泛的应用前景。

1 纳机电矢量水听器

中北大学研制的纳机电矢量水听器将MEMS技术、压阻效应与仿生原理[6]结合于一体，其敏感单元由四梁微结构和刚性柱体组成，压敏电阻模仿鱼类感觉器官中的感觉细胞，刚性柱体模仿可动纤毛，如图1所示。矢量水听器的探测基理为：声音的传播即介质的振动，水下声信号的传播会引起水介质的振动，这种振动可传至仿生纤毛，仿生纤毛在水质点的作用下向某一侧偏转，压敏电阻接收到这种压力的变化并将其转化为电阻值得变化，由压敏电阻构成的惠斯通电桥将电阻值的变化输出为相应电压值的变化，从而信号可被实时测得。

图1 纳机电矢量水听器微结构仿生原理

2 信号采集系统

整个信号采集系统主要由微弱信号调理电路、电源供电电路、FPGA控制器、A/D转换器及接口电路[9-10]组成。系统以FPGA为控制核心对传感器声信息进行采集、编码、传输。信号采集系统除来自纳机电矢量水听器的水下声信号外，还有读取水听器水下姿态信息的三维电子罗盘信号以及检测水听器工作环境温度的温度传感器信号。系统的输出信号可实时传输至岸站进行处理，其中实时监测温度数据有助于在高温等不正常温度状态下对系统进行及时关断等处理。

2.1 微弱信号调理电路

纳机电矢量水听器的内部敏感单元可等效为由压敏电阻构成的两路惠斯通全桥电路，如图2所示。在敏感单元受到应力时，输出电压表达式为[11]：

(1)

式中:Vcc为供电电压值，V;R为压阻阻值,Ω;ΔR为阻值的变化量,Ω。

则压敏电阻的变化率为[11]：

(2)

式中：σl为纵向应力，Pa;σt为横向应力，Pa;πt为纵向压阻系数；πt为横向压阻系数。

图2 微结构惠斯通电桥

由以上分析可知，矢量水听器接收水下声信号可通过惠斯通电桥输出电压测得。但在实际应用中，一方面，纳机电矢量水听器输出的信号非常微弱，其信号幅度一般为级甚至级；另一方面，由于工艺限制，无法保证惠斯通电桥中压敏电阻阻值完全一致。因此，在设计信号调理电路时须提高信号信噪比、消除惠斯通电桥不平衡影响。另外，由于传感器输出带负载能力有限，所以信号调理电路的另一个作用是实现阻抗匹配。微弱信号调理流程图如图3所示。

图3 微弱信号调理流程图

对于微弱信号提取，其信噪比太低则信号完全淹没在噪声之中，因此需采用专用前置放大电路进行放大，并在放大后进行滤波处理[12-14]。本设计中采用精密仪表放大器AD8429实现所需的放大功能，设置增益300倍，采用超低噪声的放大器AD8599实现四阶有源低通滤波，通频带范围为0.1Hz～2kHz。在差分信号进入仪表放大器之前设计电容用于隔直，消除惠斯通电桥不平衡的影响，同时配置适当的电阻构成RC高通滤波。

为测试信号调理电路的本底噪声及其与传感器的匹配性，一方面，将调理电路输入端短接并接地，等效为零输入状态，用频谱分析仪测量其输出端信号频谱分量即电路的电噪声；另一方面，将纳机电矢量水听器敏感单元接入信号调理电路并置于安静驻波桶中，用频谱分析仪测量其输出端信号频谱分量即传感器本底噪声。测试结果如图4所示。

图4 噪声测试曲线

测试结果表明，在通频带内，频率大于100Hz后，微弱信号调理电路自身输出电噪声为-120dBVpk/rtHz，接入传感器敏感单元后其输出本底噪声为-110dBVpk/rtHz。

2.2 电源管理

为采集系统提供的供电电源为24V，考虑到系统散热、芯片功率等问题， 对电源采用两级稳压实现24V到5V的降压转换。先将24V通过开关稳压器LM2576稳压到7V，实现一级稳压。由于一级稳压后的电压噪声较大，采用低噪声线性稳压器LT1965将7V稳压到5V输出，实现二级稳压。同时，由于信号调理电路的双电源供电需求，采用微功耗稳压器LT1111将5V电压反向降压为-5V输出。LM2576在指定输入电压和输出负载条件下保证输出电压的±4%误差，且在故障状态下提供完全保护的热关断功能，保证了系统的安全可靠性。根据LM2576的输出电压公式：

(3)

取R1=1 kΩ，R2=4.7 kΩ，则Vout=7.01 V；LT1965的输出电压公式为:

(4)

式中：IADJ为芯片ADJ管脚的偏置电流，设计中IADJ=1.3 μA。

取R1=4.7 kΩ，R2=15 kΩ，则Vout=5.05 V。

LT1111的输出电压公式为：

(5)

取R1=1.6 kΩ，R2=4.7 kΩ，则Vout=4.92 V。经测试，输出电压实验值与理论值基本吻合，各稳压模块均可实现其功能。

2.3 信号采集模块

信号采集模块的主控单元采用了XC3S100E，可实现AD 转换、潜标姿态和温度信息获取以及与上位机软件进行通讯等功能，它的低功耗特点正符合潜标系统的要求。如图5所示，AD转换模块芯片采用16bit输入200 ksps串行输出的微功耗采样ADC——AD7606来完成对纳机电矢量水听器输出的模拟信号到数字信号的转换。本设计中设置采样率为5kHz，由60MHz晶振提供时钟周期。

图5 信号采集系统组成框图

纳机电矢量水听器输出的微弱模拟信号先经信号调理电路进行预处理后经AD采样处理，再将采集的数字信号送入FPGA进行处理。姿态传感器采用高精度三维电子罗盘DCM250B，提供传感器的三维姿态信息，其数据输出格式为RS232，需先经电平转换电路转换后送入FPGA进行处理。温度传感器的输出数据在帧同步协议下直接送入FPGA处理。以上数据在FPGA中进行整合编码，以非易失存储器NAND-Flash作为存储介质，最后通过RS422 接口电路实现与PC机的数据及命令传输。

3 系统调试

为验证本文设计中信号采集系统性能，对系统的可行性及功耗特性进行了电路测试。首先验证系统的可行性，连接信号采集系统，固定电子罗盘的方位，传感器置于驻波桶中并接收不同频率信号。以200 Hz正弦信号为例，采样20 min，接收的数据为16进制数字信号，其帧格式为:帧开头、水听器矢量声信号、姿态数据、温度数据、校验位、帧结束。由测试结果可知，姿态传感器输出的俯仰角、横滚角和磁北角数值稳定且分别为-2°、-1°和182°，温度数据从上电时刻开始由27 ℃逐渐升温为32 ℃最终稳定输出，对采集到的水听器矢量声信号通过Matlab软件进行处理得到如图6所示结果。

图6 水听器矢量声信号

由图6可知，声信号每个周期采样点数25，符合5 kHz采样200 Hz正弦信号的结果，并且水听器的两路信号具有明显的指向性。

在上述测试中，系统供电电压为24V，在采集系统工作状态下，使用高精度万用表测量电路的工作功耗，测得系统总线工作电流为51 mA，则系统的总功耗为1.224 W。其中，信号调理电路的静态工作电流约为12 mA，供电电压为±7 V；采集存储电路采集状态下的电流约为35 mA，供电电压为5 V。

4 结束语

设计了一套应用于深海海底观测网的纳机电矢量水听器信号采集系统并进行调试验证。结果表明，该系统可成功完成对纳机电矢量水听器拾取的水下矢量声场信号和姿态及温度信息的处理及传输，且具有低功耗特点，可应用于长期海底观测网。

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Data-collecting System of NEMS Vector Hydrophone Applied in Undersea Observatory Network

GUO Jing,ZHANG Guo-jun,HAN Jian-Jun,WANG Xu-bo,ZHANG Wen-Dong

(North University of China, Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education,Taiyuan 030051, China)

Based on the NEMS vector hydrophone detected by North University of China, a kind of data collecting system applied in undersea observatory network was designed. The system, which takes the FPGA as the key component was used to realize the preprocessing, acquisition, coding, storage and transmission of data collected by vector hydrophone. At the same time, hydrophone’s attitude information and its environmental temperature were obtained to understand real time status of the hydrophone environment to facilitate subsequent processing algorithm. At last, system debugging shows that the data collecting system can not only realize its function successfully, but with low power consumption characteristics, which meet the basic requirements of undersea observatory network.

vector hydrophone; FPGA; data collecting system; ADC; low power

国家863计划项目(2013AA09A412)；国家自然科学基金项目(61127008/F040703)。

2015-05-04

TB565.1

A

1002-1841(2015)09-0060-03

郭静 (1989— )，硕士研究生，研究方向为MEMS器件及信号处理。E-mail：zhangduocai11@163.com 张国军(1977— )，副教授，博士，主要研究领域为MEMS器件。E-mail：fmksaber@163.com