拖曳声呐阵列数据录取系统关键技术研究

发布时间：2020-10-14 07:02

　　 21世纪是海洋的世纪。随着陆地资源的日益枯竭,人类对海洋环境的探测研究以及对海洋资源的开采利用日益重视。我国是一个海洋大国,发展用于海洋探测的水下声学技术对于国家安全和社会经济建设都有着重要的意义。其中,拖曳声呐阵列系统作为运用声波探测的代表性设备之一,被广泛运用于水下目标识别、海洋油气资源开发等领域。拖曳声呐阵列系统在勘探作业时,具有实时勘探采集数据量大,持续作业时间长的特点,这些特点对于作为数据录取过程最后一环的数据录取子系统的性能提出了较高要求。针对上述需求,本文对数据录取子系统进行了深入的分析和研究,完成了可靠性较高的数据录取子系统的软、硬件设计与实现。本文主要的研究内容与完成的工作包括以下几个方面:1.介绍了拖曳声呐阵列探测系统的工作原理;分析了船上系统、水下系统的功能与各组成模块。根据声呐系统对数据录取性能和可靠性的需求提出了数据录取子系统的软硬件设计方案,分析了待解决的关键技术。2.根据系统性能指标,综合比较各方案,设计了录取系统的高速数据采集卡。选择专用PCI芯片控制DMA传输与外置FIFO进行数据缓存相结合的方案设计了PCI板卡;开发了与水下系统进行数据交互的湿端模块;设计了具有两级切换控制的高速数据采集卡备份电路,实现了采集卡命令、数据传输通路的备份。3.根据上位机的功能需求与性能指标,基于Qt搭建了上位机软件。通过QThread多线程技术实现对拖缆系统工作控制,对上传数据检测录取显示,对数据以标准格式存储等多个任务的并行执行;通过Qwt与QCustom Plot实现波形、信息状态显示;通过双层乒乓结构映射文件技术实现水声数据持续存储;实现上位机对数据录取系统传输通路在故障状态下的备份切换控制。4.分析水下数据帧在上传过程中可能产生的差错情况,包括数据字节、包、帧的缺失以及传输过程中数据信息改变的情况;在高速数据采集卡中实现了对帧结构性缺失错误情况的检测与处理;在上位机中,依据数据帧中电子舱状态信息与CRC校验比对结果,对数据信息传输改变错误进行检测与处理。5.对数据录取子系统在实验室内和外场进行了实验。在实验室内,通过系统的数据录取速率实验、数据传输误码率实验,验证了系统的数据录取性能;通过电子舱节点产生模拟差错数据上传,验证了PCI卡与上位机对差错数据检测与处理功能;测试了湿端备份通路切换功能。在外场实验中,通过一周烤机测试与在渤海海域的海上实验,验证了数据录取系统的各项功能及系统持续工作的可靠性。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH766
【部分图文】：

第 1 章 绪 论示了水下莫尔斯电码通讯，并使用水声定位技术发现了距离约 3 公里外的一座冰山。第一次世界大战期间，探测敌方潜艇的迫切需求促使了声呐技术的快速发展1915 年下水的英国海军 H 级潜艇装备了 “费森登振荡器”（ Fessendeoscillator），如下图 1-1（a）所示。它是一种早期的水声换能器，能够产生水下声信号，并且接收拾取他们的回声。随后，人们开始使用压电式以及磁致伸缩式水听器取代了静电式水听器。到 1918 年，英国已经完成了由压电石英晶体材料制成的世界上第一种实用主动声学探测设备“反潜探测器”（ASDIC）原型机的研制，并于 1922 年开始量产，装备在皇家海军军舰上。ASDIC 的显示部分如下图 1-1（b）所示。20 世纪 30 年代，美国水声技术取得许多重要进展，许多重要现象和原理，如海水中的温跃层，被发现。第二次世界大战期间，为了对抗德国潜艇的巨大威胁，同盟国投入更多的资源加强水声技术的研究，用于声呐系统的新材料和新技术迅速发展起来。美国人开始使用英文单词“Sonar”作为相关设备的专有名词。压电效应材料磷酸二氢铵（ADP）晶体彻底取代了老式磁致伸缩

1.3 国内外现状和发展趋势1.3.1 军用领域发展现状声呐系统是水面舰艇探测水下威胁的主要手段，声呐更是潜艇在水下安全航行以及完成攻击的重要保证。世界海军强国都投入了大量资源用来研究开发舰用、潜用拖曳声呐阵列技术和装备[27]。在未来的海上战场上，稳定、高可靠的声呐系统将发挥越来越重要的作用。美国目前装备水面舰艇最广泛的声呐系统是阿利伯克级驱逐舰上装备的AN/SQQ-89(V)声呐系统，它由 SQS-53C 型舰艏声呐（如图 1-2a 所示）与AN/SQR-19 拖曳声呐阵列组成。该声呐阵列长约 250 米，拖缆总长约 1700 米，拖曳深度超过 350 米[28]，是目前世界上经受过实战检验的最先进的被动战术拖曳阵声呐。如图 1-2（b）所示，在阿利伯克级驱逐舰尾部有 AN/SQR-19 型拖曳声呐阵列缆体释放口。

第 1 章 绪 论统由 AN/BQS-13DNA 艇壳主/被动球形声呐、AN/BQR-20 艇艏基阵和 TB-16 拖曳水听器阵列组成，目前最新的型号为 E 型，它采用了数字最多波束控制技术（Digital Multibeam Steering，DIMUS），更新了 TB-29 型新型细线拖曳基阵[31]。在AN/BQQ-5系列声呐发展而来的AN/BQQ-10系统在提升了性能的同时采用了开放式系统架构（Open System Architecture，OSA），通过使用许多成熟商用部件（COTS）使系统的兼容性、可移植性、可维修性大幅提升，并显著减低了成本[32]。除了传统的球形，圆柱形声呐基阵，俄罗斯最新型的“阿穆尔”级柴电潜艇则装备了先进的艇艏共形阵声呐，如下图 1-3（a）所示。该种设计使声呐基阵与外部壳体形状一致，增加了基阵孔径，扩大了搜索范围。近年来国外海军还进一步开发出了舷侧阵声呐。舷侧阵声呐布置在艇体两侧，具有不过多的占用艇内空间，无需复杂机械收放机构，没有阵形畸变，不存在空间两重性，拥有更好的探测性能等优点[33]。下图 1-3（b）展示了英国最新的“机敏”级攻击型核潜艇上安装的 2076 型声呐系统中的宽孔径舷侧阵声呐。
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本文编号：2840353