多普勒计程仪信号处理设计与实现

  本文关键词：多普勒计程仪信号处理设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

当前所在位置：中国论文网 > 政治论文发表 > 多普勒计程仪信号处理设计与实现

多普勒计程仪信号处理设计与实现

发布日期： 2016-06-13 发布：  

  2015年29期目录       本期共收录文章20篇

　　【摘要】依据多普勒效应原理，通过水下声波进行测速的一种精密仪器即多普勒计程仪。这种仪器不仅能够测量船相对于地的绝对速度，而且能够测出相对于水层的速度。即使船速较低时，测速依然非常准确。这种设备信号处理系统中的硬件电路非常稳定，软件具有非常好的运行情况，适合各种复杂的水质环境。
中国论文网
　　【关键词】多普勒计程仪；信号处理；相控阵
　　多普勒计程仪又名测速声呐，是舰船自主导航的重要设备。不仅能够测量船相对于地的绝对速度，而且能够测出相对于水层的速度。由于其具有非常高的测速精度，因此，在舰船上应用非常广。其原理主要是：依据多普勒效应，声源与接收器处于相对径向运动时，，接收器得到信号频率的变化，通过相对运动之间的关系，进而计算出载体的矢量速度。物体在极低速度情况下，这种系统也具有非常准确的测速效果。然而，大深度海底跟踪系统运用这种设备时，由于波束窄与频率低的原因，会形成很大的误差。相控阵多普勒计程仪的研制成功，不仅解决了这一弊病，而且使安装要求与硬件复杂度得到了进一步的降低。今天，多普勒计程仪不仅减少了声速测量导致的误差，而且也减少了换能器安装与参数不同引起的误差。
　　一、多普勒计程仪发展趋势分析
　　多普勒计程仪其测速准确的优势，已经得到非常广泛应用。然而，很多研究人员仍在不懈的进行研究，以及对其缺点进行改进。相控阵技术的研究成功，多普勒测速系统受声速的影响逐渐得到了改善，使多普勒测速系统的测速性能得到了更好的发挥。同时，多波束系统的应用，不仅使船舶摇摆起伏的影响得到了改观，而且还能够测出舰船垂直运动的速度。
　　过去，以模拟硬件为主的多普勒计程仪，设备非常复杂，测速准确率较低。现在，数字信号处理技术在多普勒计程仪的应用，使其硬件保持不变的情况下，其测速准确率得到了极大的提高。目前，数字信号处理器（DSP）软件编程的使用，使多种测频算法得到了实现。频率测量算法中，复相关法具有运算量小、精度高的优势；快速傅氏变换方法（FFT）在对窄带信号的分析方面具有很大优势。
　　二、多普勒测速系统硬件设计与实现的分析
　　多普勒测速系统工作原理是，依据发射信号和海底反射信号之间的多普勒频移，对船舶的运行速度进行测量。发射、接收以及信号处理构成了多普勒测速系统。其工作过程是：首先，相控阵向水中发射单频脉冲信号；然后，对接收的回波信号的偏差进行分析，对舰船的速度进行计算；第三，主机接受数字信号处理器传输的结果，船舶的速度及深度通过显控软件得到显示。数字信号处理板是测速系统的关键，也是整个系统的控制核心。
　　（一）系统整体结构分析
　　多普勒计程仪的声信号主要是通过换能器发射的。多普勒计程仪的一个关键技术是相控阵技术。多普勒测速系统运用相控阵技术，具备完善的发射与接收装置，在其不同的4个方向配置固定笔形的波束。同时，具备数据采集与存储以及速度解算装置。换能器基阵、发射机与接收机、电源与DSP信号处理板共同构成了相控阵多普勒计程仪。信号通过发射机发射，移相和放大滤波通过接收机实现，整个系统的电源由电源模块提供。系统的控制和运算中心是数字信号处理板。同时，控制发射机、计算速度以及主机通信都是由数字信号处理板完成。
　　（二）数字信号处理器及外围模块设计分析
　　多普勒计程仪测速系统中，起控制作用的是数字信号处理系统。数字信号处理系统的任务有采集数据、搜索模式下与跟踪模式下的检波、解算、存储数据以及与计算机进行通信等。
　　三片德州仪器公式的定点DSP TMS320VC5509A作为硬件系统的数据处理中心。整个系统的逻辑控制由一片CPLD完成。DSP与主机的通信由一片TL16C752完成。模拟数字的转换由两片ADS8361完成。CF卡完成数据的存储。一片并行FLASH存放系统的修正参数。同时，系统的工作时间由一片实时时钟芯片进行读取。数字信号处理板包括：中央处理器、存储设备、模拟信号接口、与主机和罗经的接口以及系统时钟。
　　1、数字信号处理器及模块设计分析
　　TMS320C55x体系结构：C55x德州仪器公式的新型产品，具有低功耗优点。同时，C55x的总线宽度得到了增加，指令单元能够取32位程序代码，并具有指令高速缓冲器。数据吞吐率以及电耗得到了显著降低，应用系统的性能得到了最好的发挥。
　　主控DSP和从片DSP之间的通信，通过多通道缓冲串口（MCBSP）实现。TMS320VC5509A DSP与其他C55xDSP、数字信号编解码器等外设的连接，通过三个高速多通道缓冲串口得到了实现。16位的外设总线与CPU和DMA控制器连接多通道缓冲串口。多通道缓冲串口的特点是：数据传输模式是全双工；发送双缓冲和接收三缓冲使数据流的连续性传输得到了保证；时钟和帧同步信号收发独立；能够向CPU发送中断、向DMA控制器发送事件；具有128个收发通道；能够控制通道的打开或阻塞；能够直接与具有串行接口的A/D或D/A设备连接等。
　　2、主控DSP与罗经、PC机通信电路设计分析
　　主控DSP与罗经、PC机之间实现异步通信，通过软件异步通信方法与通过扩展异步通信芯片来实现高速串行通信。德州仪器公司的TLI6C752B作为异步通信芯片，具有以下特点：能够独立工作；具有64字节发送/接收FIFO，减少了CPU的中断次数；软件编程能够实现接收FIFO的启动和停止等级；具有软件流控制模式与硬件流控制模式功能；内部闭环等。
　　三、数字信号处理软件设计与实现分析
　　三片TMS320VC5509A DSP组成了数字板的信号处理部分。数字信号处理器的软件设计在多普勒测速系统中具有非常重要的作用。一片DSP为主控DSP对另两片DSP的处理结果数据进行接收，通过处理后传输给PC机进行终端显示和存储。
　　（一）主片DSP程序设计分析
　　接收PC机参数、读取罗经方位信息、控制发射板发射信号、下传两从片DSP参数信息并接收从片DSP的解算结果进行速度以及深度的解算是主控DSP的功能。搜索模式与对底模式是主片DSP工作的两种模式。主控DSP运用中断方式对程序的正常运转、高效率以及抗干扰能力进行保障。主控DSP中，对某一块数据缓冲区进行定义后，数据缓冲区就会存放上传数据。主控DSP在每个同步周期信号到来时，就会向TL16C752B的发送数据寄存器中写入数据。
　　（二）从片DSP程序设计分析
　　从片DSP完成的功能是相同的，程序也是一致的。搜索模式和对底模式也是从片DSP工作的两种模式。数据采集、信号检波、测频以及上传结果数据给主控DSP是从片的功能。脉宽、采集起始位置以及工作模式是从片DSP接收的三个参数。实时检波程序、数据采集程序以及测频算法程序是其三个程序。
　　四、结语
　　数字信号处理系统的硬件设计与多普勒计程仪数字信号处理器应用软件的设计是多普勒计程仪信号处理系统设计的主要内容。这种设备信号处理系统中的硬件电路非常稳定，软件具有非常好的运行情况，适合各种复杂的水质环境。在今后的研究中，实施硬件设计时，应考虑DSP的自举引导的扩展性，应解决DSP应用软件的某些不稳定因素。目前，相控阵多普勒计程仪是舰船自主导航的重要设备。相控阵技术的推广使用，声速测量引起的误差也得到了有效的避免。
　　参考文献：
　　[1]付志霞. 多普勒计程仪海底回波信号模拟器设计[D].大连海事大学，2012.
　　[2]罗维. 多普勒计程仪的信号处理算法研究与系统软件设计[D].杭州电子科技大学，2014.
　　[3]邹海超. 多普勒计程仪测速研究及其显示控制系统软件设计[D].哈尔滨工程大学，2008.

  本文关键词：多普勒计程仪信号处理设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。