基于纳机电矢量水听器面阵的水下目标成像机理与技术研究

我国在十二五科技发展规划纲要中明确提出维护海洋权益和发展海洋经济的战略目标。水下成像声纳是海底探测的重要设备之一，是实现该战略目标的重要保障，但该设备主要依赖进口，国内技术离产业化还有一定距离，其中的瓶颈问题是水听器阵元一致性差和安装误差大。本课题在我们前期纳机电矢量水听器研究的基础上，提出利用MEMS 技术在单个晶圆（Wafer）上实现纳机电矢量水听器探测面阵的集成制造方案，开展以单晶圆水听器阵列的制造工艺和高分辨率目标成像算法为关键技术的水下成像系统研究, 突破无缺损单元单晶圆面阵设计制作关键技术,解决面阵中单元的一致性和安装误差问题,提高探测面阵的性能和验证集成制造的可行性;通过本项目研究初步形成基于纳机电矢量水听器面阵的水下目标成像理论、设计、制造和测试的技术能力，研制出基于集成面阵的水声成像样机，为我国水下成像声纳的产业化应用奠定理论和技术基础。

水下成像系统是海底探测的重要设备之一，在水下地形地貌勘测、水下避障和水中物体观测等场合都有广泛的应用。其中，超声波换能器阵列是水下成像系统的核心部件。研究小组提出了一种面向水下成像应用的MEMS微电容超声波换能器结构，开发了该换能器及线阵阵列的集成制造微加工工艺，通过二次集成为面阵，研制了16×16阵列的换能器面阵，换能器阵元接收灵敏度达-177 dB@300 kHz。开展了换能器封装及环境适应性研究，开发了MEMS微电容超声波换能器阵列的水密透声封装方法与工艺，满足了换能器的水下应用需求。开展了MEMS微电容超声波换能器成像硬件系统研制工作，开发了水下成像系统样机2套。完成了室内水下铝制物块的成像与分辨，完成了太原市汾河二库水下避障测试实验，实现了苏州独墅湖码头水下钢柱的成像，成像距离12米。研制的MEMS微电容超声波换能器已在水下避障和医疗领域取得了初步应用。.目前项目组在Sensors方面发表（含录用）SCI论文14篇、10篇EI期刊论文、29篇核心期刊论文、在国际会议上发表论文4篇。培养博士研究生5名（2名毕业，3名在读），硕士研究生17名（10名毕业，7名在读），申请12项国家发明专利。取得国防科技工业水声一级计量站测试报告3份。.通过本项目的研究，初步形成基于MEMS微加工技术的换能器阵列的理论、设计、制造和测试的能力，研制出了微电容超声波换能器面阵及其水声成像样机，为我国研制具有完全自主知识产权的高性能水声成像声纳奠定了技术基础，同时促进了我国 MEMS 技术在新领域中的应用发展。