宽带声学多普勒计程仪测速算法研究及仿真分析

发布时间：2017-11-02 03:07

  本文关键词：宽带声学多普勒计程仪测速算法研究及仿真分析

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【摘要】：随着人类对无线通信技术的不断研究,定位和导航设备的研究也由雷达和卫星转向了水下声呐。声学多普勒计程仪(Doppler Velocity Log,DVL),是迄今为止水下航体以及舰船应用中最广泛的自主导航设备之一。在声学多普勒计程仪测速系统中,测速算法是需要研究的重点内容,而测速精度是衡量测速算法优劣的关键因素。本文以实习期间的项目“声学多普勒计程仪系统”为研究背景,该项目的目的是研制出有竞争力的低功耗、大动态范围、高数据率、外观和软件界面为用户认可的小型化自容式多普勒计程仪。大量文献表明宽带信号比窄带信号的测速性能更好,所以本文在前人研究的基础上主要以宽带信号作为发射信号,并且从测量脉冲信号延时来测量速度的角度进行研究分析。基于多普勒计程仪的测速原理,本文结合实际工程中的需要推导出了詹纳斯配置下的多普勒频偏和速度的计算公式;研究了多普勒计程仪上使用的收发合置换能器的主要技术参数的选择;分析了引起测速误差的可能因素,并分别给出了提高测速精度的方法。研究了连续式声脉冲信号、单频矩形脉冲信号、单频矩形脉冲串信号、线性调频脉冲信号以及脉冲编码脉冲信号作为发射信号的优劣,优选了脉冲编码信号适合作为系统的发射信号,并设计了发射波形;以一种更优的方法建立了海底椭圆散射模型,并且通过仿真分析验证了模型的合理性和正确性。最后对多普勒计程仪的测速算法进行了深入的研究,通过与过零检测法、FFT算法和复相关算法进行比较,优选了适用于伪随机编码脉冲信号的脉冲对测速算法,并对算法实现的细节进行了分析,给出了速度解算的方案,并用MATLAB软件对所研究的测速算法进行了仿真分析。在脉冲对测速算法基础上,仿真分析了测速系统在不同的条件下的测速性能。本文基于以上工作研究的测速算法,其测速精度达到了声学多普勒计程仪研制方案的要求。
【关键词】：宽带 多普勒计程仪 伪随机编码 回波处理 脉冲对测速算法
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U666.152
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 引言10
• 1.2 课题研究的背景及意义10-11
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势11-14
• 1.3.1 国外研究现状11-13
• 1.3.2 国内研究现状13-14
• 1.3.3 发展趋势14
• 1.4 论文的内容安排14-16
• 第2章 声学多普勒计程仪测速原理16-26
• 2.1 多普勒效应16-17
• 2.2 多普勒计程仪的测速原理17-18
• 2.3 多普勒计程仪的总体指标论证18-20
• 2.4 换能器主要技术参数20-21
• 2.5 提高测速精度的方法21-25
• 2.5.1 测速公式简化21-22
• 2.5.2 船舶运动状态不稳定22-23
• 2.5.3 声速变化23-24
• 2.5.4 频率测量的误差24
• 2.5.5 波束展宽引起的误差24-25
• 2.6 本章小结25-26
• 第3章 宽带测速系统关键技术研究26-42
• 3.1 发射信号形式分析26-32
• 3.1.1 连续式声脉冲信号26
• 3.1.2 单频矩形脉冲信号26-28
• 3.1.3 单频矩形脉冲串信号28
• 3.1.4 线性调频脉冲串信号28-29
• 3.1.5 伪随机编码脉冲信号29-32
• 3.2 宽带多普勒测速系统波形设计32-34
• 3.2.1 编码信号的功率谱33
• 3.2.2 码元数33
• 3.2.3 脉冲宽度33-34
• 3.2.4 波形设计34
• 3.3 海底椭圆散射模型分析34-39
• 3.3.1 散射信号的理论分析34-36
• 3.3.2 海底椭圆散射模型36-39
• 3.4 宽带编码回波信号仿真与分析39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 宽带测速算法和回波信号处理42-59
• 4.1 宽带测速算法42-45
• 4.1.1 过零检测测速算法42-43
• 4.1.2 快速傅里叶（FFT）测速算法43
• 4.1.3 复相关测速算法43-44
• 4.1.4 脉冲对测速算法44-45
• 4.2 底回波信号处理45-51
• 4.2.1 回波信号处理的基本任务45-46
• 4.2.2 回波信号处理的过程分析46-51
• 4.3 宽带多普勒测速模糊问题的解决方案51-53
• 4.3.1 速度模糊问题的由来52
• 4.3.2 模糊速度修正52-53
• 4.4 宽带声学多普勒算法验证53-57
• 4.4.1 宽带多普勒测速算法的仿真过程53-54
• 4.4.2 宽带多普勒测速算法的仿真分析54-55
• 4.4.3 不同参数对测速性能的影响55-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第5章 总结与展望59-61
• 5.1 本文工作总结59-60
• 5.2 论文的不足60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-65
• 附录 攻读硕士学位期间取得的科研成果65

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