宽带相控多普勒计程仪硬件系统设计

发布时间：2020-04-21 18:29

【摘要】：21世纪是面向海洋的时期,世界部分国家都面对海洋资源蓄势待发,这也面临海洋安全的问题。走向远洋需要精确的导航与定位技术,其中多普勒计程仪在舰船、水下潜器定位导航中起着重要的作用。多普勒计程仪相较于其他导航设备,具有高精度、作用距离远、防电磁干扰等特性。多普勒计程仪在军事和民用方面都有广泛的应用,设备的高精度,集成化小型化,是多普勒计程仪发展方向。基于此背景,本文首先介绍了多普勒测速的现象,以及在测速原理中的问题和解决办法。介绍了相控阵在多普勒测速过程中的优势。从而对多普勒计程仪的硬件系统进行了电路设计。根据声呐系统技术指标要求,通过方案论证,给出了发射机、接收机、数字信号处理机的电路设计方案。其中发射机的设计包括逻辑电路、驱动芯片电路、D类功放电路、变压器设计以及储能电容选择。接收机的设计包括放大电路、波束形成电路、可变增益电路以及滤波器。数字信号处理机主要是三片TI公司C5000系列DSP芯片配置电路以及一片Altera公司MAX7000A系列CPLD芯片逻辑控制电路进行了阐述。为了能够验证硬件系统整机性能,设计了模拟器的信号衰减电路及功率衰减电路。最后对所完成硬件电路进行了电路性能指标测试以及整机性能的水池测试实验。测试结果满足预期技术指标要求。
【图文】：

声呐,声呐设备,潜艇,一战

声波是人类目前发现的在海水中远程传播的有效途径，声呐概念的应用可以追溯一次世界大战。第一次大战前期，英国海军的 Lewis Nickerson 应用了声呐技术，是利用声呐去探测冰山，以免与之相撞。一战时，海军利用接收回波的特性来检测藏在海底的潜艇，并且测量距离特征。当时声呐只能被动的听声，属于被动声呐，称为“水听器”。后来法国物理学家保罗兰格文与俄国电气工程师西洛夫斯基两人发明了主动的声呐设备，推动了主动声呐技术的进步。那时的主动声呐设备是通过变换器实现声音发射与接收，虽然后来这种换能器被淘汰，但是主动声呐技术思想至今。在一战时期，人们意识到声呐技术的先进性决定着一场海上战争的胜利与这样的环境下，西方国家开始了对声呐技术的研究，，大大的促进了海洋声呐设备在领域的发展。声呐设备在军事上应用是多种多样的，例如进行水下监视，目标探测踪，水下导航定位等，保障舰艇、潜艇、反潜飞机的战术安排和水下武器的使用[3随着声学测速技术的发展，出现了一批声呐设备，例如其中较典型的多普勒计程Doppler Velocity log，DVL）得到了大量的运用[4]。目前已应用在多种载体上，包下航行器、潜艇、水面舰艇等，如图 1.1 所示。多普勒计程仪为载体提供速度信合惯导/罗经等设备，可以实现精准的导航与定位服务[5]。

主流,公司,产品

使测速性能得到了提升，此时 Brumley 等研究人员对宽带测速方式性能进行了研究，并且与之前窄带测速方式进行了对比分析[10]。与窄带测速方式相较，宽带测速方式具有很多的性能优势，例如测速的精度较高以及距离分辨力强等方面。缺点是由于带宽的增大，会引入较大的噪声，从而使其的作用距离变短。从上世纪 90 年代开始，相控阵技术被带入到声学测速产品中，从而多普勒计程仪进入相控阵与常规阵共存的时代。相控阵多普勒计程仪具有很多的优势：（1）换能器的尺寸小，安装方便；（2）由于相控基阵的特殊工作方式，无需进行声速补偿；（3）平面阵，不易附着海洋生物；（4）波束窄，较高空间分辨率。主要的缺点：测速精度受波束形成、一致性的影响较大。进入 21 世纪，多普勒计程仪产品愈来愈得到各国的重视，已形成了多系列商业化优质产品可供选择，目前主要有美国加利佛尼亚州的 TRDI 公司、挪威 Nortek 公司研制的多普勒设备等，这两个公司的多普勒测速设备占据了市场大部分份额，相较于其他公司设备而言，具有很好的性能。其中 TRDI 公司 DVL 的研制起步较早，生产的设备因其测速性能高、产品系列完善在世界军事与民用方面占有率最高，形成了强大的行业标准。目前主流 DVLs 产品有四大系列：（1）Explorer DVL；（2）Pathfinder DVL；（3）PioneerDVL；（4）Workhorse Navigator DVL，如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U666.7

【相似文献】