透冰层水深测量系统设计研究

摘要

极区冰层对于水体具有天然的屏蔽作用，透冰层测量水深对于科考或水文调查具有较强的现实意义。本文基于这个问题，提出一种透冰层测量水深技术，根据该技术设计一套透冰层水深测量设备，旨在对极区透冰层水深测量研究提供理论依据，为极区科考站的选址，以及极地运输、水文调查等提供必要的技术支持。 本文所设计并实现的透冰层测量水深系统是一套功能相对齐全的低功耗水深信息测量系统。其主要包含敲击信号和水底回波的采集、GPS的接收、水底回波信号的处理和上位机通信。 论文中所完成的主要工作有:首先对透冰层测水深技术进行可行性验证，通过实验测量得到敲击冰层产生的信号在水中的声源级，声波在水中传播时利用球面波理论建立模型。声波在由水进入冰层时，通过将声波由水进入冰层的过程看做是一个激励信号，用驻波理论推导信号从冰层下表面传播至上表面的过程，得到了冰层上下表面关于加速度g的函数。由此建立了敲击信号从产生到设备拾取这一过程的理论模型。 其次对设备设计需求进行分析，在技术指标基础上完成该设备的系统方案设计。该设备设计方案采用模块化的设计理念，实现其微型化、低功耗的设计思想:中央控制单元采用低功耗的STM32F407平台，信号经过调理电路，由MCU对信号和GPS数据进行采集，并将数据存储在SD卡。采集板通过串口与PC端实现通信。系统采用5V电源供电、采用SW模式进行程序调试实现其微型化思想。系统可通过按键选择采集模式和存储模式。采集模式时系统进行信号采集，当出现敲击信号时自动计时。当回波信号到达后，设备停止采集后，对采集的信号进行滤波、互相关处理，取其包络。利用峰值检测的方式得到时间信息，并计算出水深信息。存储模式是在采集模式完成后，按键将采集到的数据存储至SD卡。 在完成该设备方案设计之后，进行了对系统单元的设计与实现。具体完成了元件选型、电路设计及调试工作，完成了系统的硬件实现。最后设备通过松花江冬季实验，验证了系统的可行性及有效性。