基于纤毛式纳机电矢量水听器的潜标系统设计与实现

发布时间：2017-05-12 15:10

  本文关键词：基于纤毛式纳机电矢量水听器的潜标系统设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着海洋资源的开发,对海洋环境的监测日益加强,潜标系统由于其能长时间、不间断、大范围的自动监测水下环境而被广泛应用。在测量水下声场的潜标系统中,常使用大孔径的标量水听器阵列来测量声场的声压,但在低频和甚低频段声场的测量中,逐渐增加的阵列孔径在提高系统性能的同时,也成为了系统应用的制约条件。纤毛式纳机电矢量水听器是一种新型水声传感器,具有体积小、成本低、灵敏度高等优点,因此研究基于纳机电矢量水听器的潜标系统对于解决阵列孔径间题具有重要的意义。 本文研究的潜标系统为小型浅水潜标,利用4元矢量阵列进行水下声场探测。潜标系统有8个模拟通道,1个数字通道,可记录矢量水听器的测量数据及主体的姿态信息,数据存储容量为40GBytes,模拟通道采样速率为10Ksps,探测信号频段范围为20～2KHz。论文的主要研究成果： (1)本文完成了潜标的硬件平台设计。针对纳机电矢量水听器信号特性设计了低噪声信号调理电路并分析了电路噪声的产生因素及相应计算；系统的阐述了ADC器件特点,文中采用了8通道、16位的高精度ADC进行模数转换设计；设计了高可靠性的串行通信接口电路；电源管理电路采用无缝转电技术,拥有多种供电方式,增强了系统的环境适应性。 (2)针对应用需求,完成了以FPGA为控制核心的关键逻辑设计。研究了ADC的采集时序和FIFO缓存器的软件设计,给出了具体应用方案；文中采用抽样判决法对接收信号消抖,提高了系统的可靠性；阐述了Flash芯片的内部架构,研究了Flash芯片的存储设计,分析了多种编程方式。 最后对系统样机进行了多次室内、室外水域试验,对试验数据进行了初步处理,验证了本文研究的潜标系统的可行性,表明基于纳机电矢量水听器阵列的潜标系统在水下声场探测方面具有良好的应用前景。
【关键词】：潜标 纤毛 纳机电矢量水听器 数据采集
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB565.1
【目录】：

• 摘要4-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 研究的背景和意义9-10
• 1.2 国内外潜标系统的发展现状10-14
• 1.3 矢量水听器在潜标系统中的应用14
• 1.4 本文主要研究内容14-16
• 2 潜标系统总体设计16-22
• 2.1 潜标系统的总体方案设计16-17
• 2.2 纤毛式纳机电矢量水听器17-21
• 2.2.1 纤毛式纳机电矢量水听器的仿生原理18-19
• 2.2.2 纤毛式纳机电矢量水听器的工作原理19-21
• 2.3 三维电子罗盘21
• 2.4 数据记录器21-22
• 3 系统硬件电路设计22-42
• 3.1 硬件电路总体设计22-23
• 3.2 模拟信号调理电路23-29
• 3.2.1 信号调理电路电源设计23
• 3.2.2 放大电路设计23-25
• 3.2.3 滤波电路设计25-27
• 3.2.4 噪声分析与测量27-29
• 3.3 模数转换电路29-32
• 3.4 RS-232接口电路32-33
• 3.5 RS-422接口电路33-35
• 3.6 电源管理电路35-41
• 3.6.1 电源转换方案设计36-37
• 3.6.2 各级稳压电路设计37-39
• 3.6.3 锂电池充电电路设计39-41
• 3.7 本章小结41-42
• 4 关键逻辑设计42-52
• 4.1 模拟信号的采集时序设计42-43
• 4.2 FIFO缓存模块设计43-45
• 4.3 信号消抖45-47
• 4.3.1 延时和积分消抖法45-46
• 4.3.2 抽样判决消抖法46-47
• 4.4 电子罗盘数据接收设计47-48
• 4.5 Flash存储设计48-51
• 4.5.1 坏块检测49-50
• 4.5.2 Flash芯片编程设计50-51
• 4.6 本章小结51-52
• 5 潜标测试52-59
• 5.1 纳机电矢量水听器灵敏度校准52-53
• 5.2. 室内测试53-54
• 5.3 室外水域试验54-55
• 5.4 海试数据处理55-58
• 5.5 本章小结58-59
• 6 总结与展望59-61
• 6.1 研究工作总计59
• 6.2 论文创新点59-60
• 6.3 工作展望60-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果65-66
• 致谢66-67

【参考文献】

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本文编号：360110