一种新型ADCP数学模型的可行性研究

摘要

21世纪是海洋的世纪，随着中国强海之路的发展，必然对海洋智能仪器提出更高的要求。而ADCP作为海洋智能仪器中的典型代表将重点发展。本文的研究内容来自国家863项目海洋监测技术主题“多参数海洋监测浮标”的子课题。本文的主要任务是验证了一种新的测量多普勒频移的方法，并且对将该方法应用到ADCP(声学多普勒流速剖面仪)系统进行测量的可行性进行了研究，该测量方法是整个ADCP系统的核心。
　　ADCP(Acoustic Doppler Current Profilers)声学多普勒流速剖面仪是目前国际上最先进、最流行的测量流速的设备，给水文工作者、环境保护部门、土木水利工程项目都带来了很大的方便。近年来，随着嵌入式技术的快速发展，我国对声学多普勒流速剖面仪取得了很大的成果，在实时性、快速处理方面取得了不错的成绩;但是目前我国还没有一款用作商业用途的ADCP，因此开发稳定、可靠、灵活的商业用途的产品迫在眉睫。
　　本文最后进行了初步实验验证，对接收波形和理论波形进行了对比，验证了论文所提出数学模型的可行性，并且分析指出本系统存在的缺点和今后研究方向。
　　本文的主要工作和创新点包括以下几个方面
　　1.分析了基于多普勒效应的ADCP测量原理。将验证的测量多普勒频移的方法应用到ADCP系统中。该测量方法能够减少水下噪声对测量信号的影响。
　　2.系统在经过理论验证之后给出了系统建模的方法，并且验证了这个新型ADCP系统的可行性和可靠性。该数学模型简化了电路设计，提高了后续电路处理的灵活性。
　　3.发射电路的设计。发射电路采用了DDS(直接数字合成)技术，该技术可以产生复杂频率的扫频信号，方便精确控制步进频率和步进频率的扫描时间，满足本文对发射信号的要求。
　　4.接收电路设计。接收电路采用了一个复杂的集成谐振电路，这样简化了电路结构，更重要的是这种紧凑的结构能够提高信号的信噪比。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 ADCP系统的作用和研究意义

1．2 ADCP技术的发展和国内外研究状况

1．2．1 ADCP技术的发展

1．2．2 国外研究情况

1．2．3 国内研究情况

1．3 ADCP分类

1．3．1 底座式ADCP

1．3．2 悬浮式ADCP

1．3．3 走航式ADCP

1．3．4 拖曳式ADCP

1．3．5 横向固定安装的ADCP

1．4 嵌入式系统设计

1．5 本章小结

第2章 ADCP的测量原理及坐标变换

2．1 声学基础原理

2．2 ADCP的测量原理---多普勒效应

2．2．1 超声波传感器的原理

2．2．2 ADCP的分层原理

2．2．3 波束倾斜角度和流速剖面之间的关系

2．4 ADCP系统测流的局限性

2．5 ADCP坐标变换

2．5．1 波束坐标到仪器坐标的转换

2．5．2 仪器坐标到大地坐标的变换

2．5．3 坐标转换过程中的误差分析

2．6 水下噪声与声波传播损耗

2．6．1 水下噪声

2．6．2 声波传播损耗

2．7 多径效应

2．8 本章小结

第3章 ADCP系统数学模型的建立

3．1 ADCP系统发射信号设计

3．2 接收信号分析与处理

3．2．1 自相关函数

3．2．2 数学模型的参数校准

3．3 散射体距离和流速的计算

3．3．1 散射体距离的计算

3．3．2 散射体速度的计算

3．4 超声波传播速度的校正

3．4．1 影响超声波水下传播速度的因素

3．4．2 超声波速度的校正

3．4 本章小节

第4章 ADCP系统的实验电路设计

4．1 ADCP系统的组成

4．2 传感器的选型

4．3 发射电路设计

4．3．1 DDS的基本原理

4．3．2 基于DDS技术的AD9959的功能

4．3．3 发射电路流程图设计

4．4 接收电路设计

4．4．1 接收电路设计流程图

4．4．2 一个通道的接收电路设计

4．4．3 自相关解调电路设计

4．4．4 接收电路的参数校准

4．5 AD采样原理分析

4．6 实验结果

4．7 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文的主要作用和贡献

5．2 展望和研究

参考文献

致谢

个人简历

硕士期间发表的论文