ADCP系统DSP算法的优化与研究

发布时间：2017-09-05 14:30

  本文关键词：ADCP系统DSP算法的优化与研究

  更多相关文章： 多普勒测流 复自相关频率估计 深度测量 底跟踪 测流实验

【摘要】：声学多普勒流速剖面仪(ADCP)是一种利用水体中散射回波的多普勒频移进行流速测量的仪器,能够实时地测量水流剖面内不同深度水层的流速,是一种高效的水文测量设备,在水利监测、海洋观测、水下导航等方面应用广泛。本文在前人的基础上,对原有宽带ADCP系统进行了调试和改进,重点对系统中的测量算法进行了优化,并完善了系统的功能。同时结合外场实验,对系统的实际测量数据进行了分析,为后续的研究工作打下了基础。本文首先介绍了多普勒测流技术的国内外的发展历程,研究了多普勒测流技术的原理和方法,并对回波建模方法及复自相关频率估计方法等进行了深入研究和仿真。在此基础上,本文在OMAP-L138硬件信号处理平台上进行了ADCP系统软件设计、调试和改进。本文重点研究了测量信号的选择、测量算法的优化、数据存储和传输等方面的内容。在测量信号选择方面,主要对测流信号的形式和长度选择、底跟踪信号的长度自调整等方面进行了研究。依据理论分析结果,制定了一种层厚和测流精度的选择策略,选择了16种发送信号的备选信号,而且还设计了测流和底跟踪信号的长度自调整的控制流程。在测量算法的优化方面,理论推导并仿真分析了回波下变频信号中的偏置对测流的影响,设计了偏置去除算法,提高了测流结果的稳定性。设计和实现了两种水深测量的快速算法,实验测试表明,这两种算法能在保证较高准确性的前提下使测深耗时降低为原来的1.7%左右。文中还设计和实现了一种改进的底跟踪算法,仿真和实验测试的结果表明,该算法能够较大幅度地提高底速测量的稳定性和准确性。文中还提出和实现了一种能够较大幅度提高系统数据输出率的方法。另外,本文实现了SD卡数据存储和USB数据传输功能,为系统的自容式测量提供了基础。最后,文中还介绍了测流的外场实验过程,并分析了外场实验的测量结果,验证了系统软硬件的可靠性和可行性。
【关键词】：多普勒测流 复自相关频率估计 深度测量 底跟踪 测流实验
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH764;TH815
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究状况10-11
• 1.2.2 国内研究状况11-12
• 1.3 研究内容12
• 1.4 文章组织结构12-14
• 第二章 ADCP测流原理和算法14-30
• 2.1 多普勒测流原理14-15
• 2.1.1 多普勒效应14
• 2.1.2 多普勒流速测量14-15
• 2.2 换能器阵型与坐标转换15-17
• 2.2.1 Janus阵型结构15-16
• 2.2.2 坐标转换16-17
• 2.3 分层与底跟踪17-19
• 2.3.1 分层原理17-18
• 2.3.2 底跟踪18-19
• 2.4 测流方式19-24
• 2.4.1 窄带非相干测流方式20-21
• 2.4.2 脉冲相干测流方式21-23
• 2.4.3 宽带测流方式23-24
• 2.5 回波建模24-25
• 2.6 复自相关频率估计算法25-28
• 2.7 本章小结28-30
• 第三章 ADCP嵌入式系统介绍30-48
• 3.1 系统总体方案介绍30-31
• 3.2 系统硬件模块介绍31-36
• 3.2.1 数据处理平台31-32
• 3.2.2 信号产生模块32-33
• 3.2.3 信号收发模块33-34
• 3.2.4 数据采集模块34-36
• 3.3 系统软件设计36-47
• 3.3.1 开发平台介绍36-38
• 3.3.2 系统的软件架构与工作流程38-39
• 3.3.3 通信模块的软件实现39-41
• 3.3.4 数据采集模块的软件实现41-44
• 3.3.5 信号处理模块的软件实现44-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 系统软件的优化与测试48-82
• 4.1 测量信号的选择48-52
• 4.1.1 测流信号的选择48-49
• 4.1.2 测流信号长度的自调整49-51
• 4.1.3 底跟踪信号长度的自调整51-52
• 4.2 测量算法优化与测试52-71
• 4.2.1 偏置对流速测量的影响及去除52-58
• 4.2.2 测深方法的改进58-65
• 4.2.3 底速测量方法的改进65-69
• 4.2.4 数据输出率的提高69-70
• 4.2.5 系统测量模式选择的软件实现70
• 4.2.6 DSP软件模块的划分与计算优化70-71
• 4.3 ADCP回波数据的存取71-80
• 4.3.1 数据存储的软件设计与实现71-76
• 4.3.2 USB数据传输软件设计与实现76-80
• 4.4 本章小结80-82
• 第五章 测流外场实验及分析82-104
• 5.1 测流实验方案介绍82-84
• 5.1.1 实验方法82-84
• 5.2 回波信号特性分析84-89
• 5.2.1 静止状态下的回波特性分析84-88
• 5.2.2 匀速状态下的回波特性分析88-89
• 5.3 底速测量精度分析89-96
• 5.3.1 静止状态下的底速分析89-92
• 5.3.2 分段匀速状态下的底速分析92-96
• 5.4 流速测量精度分析96-102
• 5.4.1 静止状态下的流速分析96-99
• 5.4.2 匀速状态下的流速分析99-102
• 5.5 水深测量精度分析102-103
• 5.6 本章小结103-104
• 第六章 总结与展望104-106
• 6.1 全文总结104-105
• 6.2 工作展望105-106
• 致谢106-108
• 参考文献108-110

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本文编号：798559