基于海洋探测的超声通信系统设计与实现

发布时间：2020-06-28 20:57

【摘要】：随着我国经济的大力发展，人们对能源的需求越来越大，陆地资源正在快速的消耗中，因此必须寻求新的能量来源。海洋作为另一大物资存储地，已经引起了各个国家的强烈关注，其中海底石油等资源勘探开采技术的研究更成为一项热门课题。如何有效、准确的获取海底资源信息，以便更好的开采，已成为海洋勘探的一项重要任务。海洋勘探技术中数据的有效通信是极其重要的一个环节，传统的通信方法主要有电缆通信和随钻存储。电缆通信灵活轻便，性能良好，但是易断，成本高；随钻存储成本低，灵活性好，但是实时性差。针对传统方案的不足，本文通过研究和分析目前流行的海洋勘探技术和超声波应用，对比国内外的研究成果，提出了利用超声波进行通信的应用设计，就改进现有水下探测技术提出了基于海底原位探测仪的通信系统，该系统取代了传统的有缆传输，采用超声波通信的方式，将探头传感器采集到的数据实时可靠的传到接收终端。文章详细了介绍超声波的特性和优点，以及应用于通信的关键点和难点，并分析了换能器的的结构、性能指标等。其中主要探讨利用超声波在钢管中传输的可行性，分析超声波在通信时的衰减、通信距离问题。在实际的设计中，详细的论述了系统实现的总体架构和内部模块的选择，并重点对比了采用2FSK调制方式对数字基带信号进行调制和解调的各种方式的优劣，最终利用STM8单片机对中心频率为80K的数据进行调制。采用大禹公司的DYW-80压电超声换能器进行电信号和超声信号的转换，并对阻抗匹配进行了分析。除此之外，还对系统实现中应用到的功率放大电路、前置放大电路以及带通滤波电路等模块进行了阐述。最后对超声波数据通信系统进行了测试，换能器的发射功率可达10W，误码率低，数据传输速率可达500bps。通过测试，得出系统能有效抵抗外部噪声，保证数据稳定传输，具有低耗能、低成本、高稳定性的特性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P715.9;TN92
【图文】：

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取、沉淀与雾化、乳化与破乳、超声阻垢、过滤、浸取、悬浮分离、声清洗、灭菌、药物提纯、纳米材料和催化剂制备、超声手术、油品脱硫、改善渣油品质等机械作用、空化作用超声焊接、固体粉碎、除尘、无损检测、测厚、超声定位、雷达等机械作用菌、A 型超声波诊断仪、B 型超声波诊断仪、超声心动图仪、超声理疗(超声按摩)等热效应均相化学反应、有机物降解反应、高分子化学反应、自由基反应、处理污水、油品脱硫等化学效应由于超声波具有很高的频率，能很好的规避电磁干扰和声波干扰，针对一些复殊的环境，人类研发了很多具有实际意义的超声波应用。2000 年，致力于能源开发利用的美国安全办公室公布了一期项目实践研究结。研究人员利用超声波的高频率、低波长的特性，研发了一套通过超声波在空气中的系统。运用常见的超声波换能器作为信号发送接收端的的载体，通过适当的信理，利用调频技术，选择中心频率为 40kHz 的载频，使用 LabView 软件用于信号制解调，实现了基于超声波的数据、图片等在空气介质中的可靠性传输，通信速达 680bit/s。示意图如下图 1-3：

结构图,超声波探伤,结构图

图 1-4 超声波探伤结构图除了国外，国内也有一些实验成果，如中国石油大学的马西庚等人为了研究超在不同介质中传播的差异性，自己设计并制作了信号发送源和试验器材，让超声加入气体、液体和固体的探杆中分别进行传输[10]。利用扫频技术，得出了超声波过程中的衰减结果，见式（1-1）：e x p ()0 k l(1其中0 为声波激发强度，为距离信号激发源的声波强度，为信号的衰减，l表示总传输距离。试验结果显示：导致原始信号强度在传输过程中削减的主要有超声波频率大小和介质接触的紧密程度。而且不同的声波对于传输也存在差异。超声波在空气中的研究已经有一定的成果，但是近几年来，关于超声波在固体中通信的文献、研究成果几乎没有。反倒是利用水作为媒介的水声通信技术成为国研究的热点，而且资料显示目前唯一有可能进行远距离通信的超声波运用就只声通信。水下声通信研究始于 20 世纪中叶，开始用于军事领域的通信，作用于军

【参考文献】