高精度水下定位系统

摘要

水声定位系统在海洋科学领域应用广泛，但原有系统大多或设备庞大、操作复杂，或定位范围小、精度较低，随着水声学、信号处理理论的逐步成熟，研究开发更先进的定位系统已经成为可能。 本文首先简述传统的三种声学定位系统的工作原理、系统构成以及各自的优缺点，并以市场典型产品为例说明三种定位系统当前的发展情况，随后结合实际海洋勘探需求，设计适合于低速航行的便携式长基线定位系统，对目标水域内的多个应答器进行识别定位。舰载基站周期性辐射广播信号，有效范围内的应答器识别后回应经扩频调制的数据包，舰载基站通过多点测量传输时延，利用曲面交汇法对目标进行定位。为了提高长基线定位系统的定位精度并克服多径和多普勒频移的影响，扩频数据包采用线性调频信号完成斜距测量，并为后续GOLD编码的地址码提供同步头，利用码分多址原理克服码元干扰，解决了低信噪比条件下多目标信号检测的关键问题。 本文的研究工作主要集中在水声应答器的低功耗设计，以及实现该长基线定位方案的舰载基站平台设计。结合下行链路调制方式，本文对应答器模拟和数字电路部分的低功耗设计进行了详细阐述。舰载基站的设计是全文重点，按照系统各部分所实现的功能，本文将硬件电路设计分为四大模块：DSP处理板、发射板、接收板和电源总线板，并一一进行介绍。然后结合上行链路扩频调制方式设计软件处理方案，对关键算法进行了详细阐述，最后结合消声水池试验对方案进行验证，处理结果表明基本满足系统设计要求。

目录

文摘

英文文摘

西北工业大学业学位论文知识产权声明书及西北工业大学学位论文原创性声明

第一章绪论

1.1应用背景

1.2声学定位系统的发展现状

1.3定位系统结构

1.4论文安排

第二章水下定位原理及系统设计

2.1水声定位系统分类

2.1.1长基线定位系统

2.1.2短基线定位系统

2.1.3超短基线定位系统

2.2长基线水声定位系统原理

2.3浅海水声信道分析

2.3.1多径效应

2.3.2传播损失

2.3.3起伏效应

2.4下行(询问)链路设计

2.4.1编码指令

2.4.2工作频率

2.4.3发射功率

2.5上行(应答)链路设计

2.5.1方案设计

2.5.2线形调频信号测距与同步引导

2.5.3地址码的码分多址扩频调制

2.6本章小结

第三章超低功耗水声应答器设计

3.1工作原理

3.2硬件低功耗设计

3.2.1电源管理

3.2.2主处理器

3.2.3晶体管调谐放大器

3.2.4管脚处理

3.3软件低功耗设计

3.3.1设置休眠模式

3.3.2动态改变时钟

3.3.3软件电源管理

3.4应答器工作时间估算

3.5小结

第四章舰载基站硬件设计

4.1发射电路设计

4.1.1驱动电路设计

4.1.2丁类推挽功率放大电路设计

4.1.3阻抗匹配

4.1.4收发合置换能器

4.2接收电路设计

4.2.1前置差分放大电路

4.2.2带通滤波电路

4.2.3程控放大电路

4.2.4线性光耦隔离

4.3数字电路设计

4.3.1 DSP数字信号处理器

4.3.2 SDRAM外扩存储空间

4.3.3外部逻辑接口电路扩展

4.3.4电源监控与复位电路

4.4电源设计

4.4.1 DSP电源设计

4.4.2可控电源设计

4.5硬件抗干扰设计

4.6小结

第五章舰载基站软件设计

5.1片上支持库函数(CSL)

5.2软件流程设计

5.3 DMA实时数据采样与处理

5.3.1 McBSP配置串口

5.3.2 DMA存取数据

5.4 IIR滤波设计

5.4.1 IIR滤波器结构

5.4.2 IIR滤波器系数设计

5.4.3 DSP实现IIR滤波器

5.5系统同步

5.6地址识别与串口通信

5.7 I2C程序加载

5.7.1 I2C设备操作

5.7.2在线烧写I2C

5.8小结

第六章试验及数据分析

6.1试验描述

6.2下行链路波形及识别

6.3上行链路波形及识别

6.4软件处理

6.5小结

结束语

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢