海底“冷泉”声学探测系统硬件设计

摘要

据估计，海洋蕴藏了全球超过70％的油气资源，随着工业化进程的不断推进，我国原油、天然气对外依存度已越来越高。从保障国家安全的角度考虑，我国必须将能源的开发目光投向海洋。目前，世界海洋天然气探明率为60.5％，而我国仅为10.9％，因此，如何有效探测这些潜在的能源成了这项战略任务的首要问题。
　　本文对海底“冷泉”声学探测系统的硬件展开了深入研究。首先从理论出发，建立了探测系统的硬件总体架构和指标，分析了探测系统的可行性;接着，设计、制作了水声信号发射机和信号调理机硬件电路，并对其中的关键模块D类功率放大器的∑-△调制、自激振荡、功率放大级、死区时间控制、过流检测、信号解调和供电模块等电路展开了深入研究，对功率放大器和换能器基阵之间的宽带匹配网络、信号调理机各级电路进行了深入分析和设计。最后，对所设计的系统进行了测试和湖上验证。该系统在湖上探测气泡的试验结果显示该系统可以有效探测到水中的气泡。通过改变换能器姿态以及探测频率进行测试，获得了预期的试验效果。这也验证了本文设计的硬件系统的正确性。本课题的难点在于:基于∑-△调制的大功率发射机的实现、换能器宽带匹配和时变增益信号调理机。本文克服了各种困难，设计了可靠的水声信号发射机和信号调理机硬件电路。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作及章节安排

2 系统总体设计

2．1 声纳系统理论基础

2．1．1 声纳参数介绍

2．1．2 声纳系统及声纳方程

2．2 系统功能和指标

2．3 系统硬件构成

2．4 系统工作时序

2．5 系统可行性分析

2．5．1 物理过程

2．5．2 共振频率

2．5．3 散射截面、吸收截面和消声截面

2．5．4 接收信号级仿真

2．6 本章小结

3 水声信号发射机设计

3．1 功率放大器概述

3．2 D类功率放大器原理

3．2．1 PWM调制

3．2．2 Σ-△调制

3．2．3 两种调制方式比较

3．3 D类功率放大器设计

3．3．1 自激振荡设计

3．3．2 功率放大级结构设计

3．3．3 放大级电路设计

3．3．4 死区时间设置

3．3．5 高端过流检测设置

3．3．6 低端过流检测设置

3．3．7 解调电路设计

3．4 系统供电模块

3．4．1 供电电源

3．4．2 储能电容设计

3．5 发射机整体电路图

3．6 本章小结

4 换能器基阵的匹配

4．1 换能器基阵

4．2 换能器基阵的调谐匹配

4．2．1 串、并联谐振频率

4．2．2 阻抗特性及发射响应分析

4．2．3 单电感匹配

4．2．4 电感-电容匹配

4．2．5 “T”型匹配

4．2．6 复合匹配

4．3 换能器基阵的阻抗匹配

4．4 水声发射机测试与分析

4．5 本章小结

5 信号调理机设计

5．1 收发合置开关设计

5．2 调理机主体电路设计

5．2．1 前端放大器设计

5．2．2 无源带通滤波器设计

5．2．3 程控放大器设计

5．2．4 后端放大器及差分输出设计

5．3 时变增益控制

5．4 调理机测试与分析

5．4．1 调理机各级增益实测结果分析

5．4．2 调理机传输特性测试与仿真

5．4．3 调理机输入噪声分析

5．5 本章小结

6 软硬件平台及湖上试验

6．1 软件平台介绍

6．1．1 LabVIEW介绍

6．1．2 NI 7851R板卡概述

6．1．3 探测系统控制与显示界面

6．2 硬件平台介绍

6．3 湖上试验

6．3．1 试验环境

6．3．2 试验方法

6．3．3 试验现象及分析

6．4 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献