拖曳声呐阵列数据录取系统关键技术研究

摘要

21世纪是海洋的世纪。随着陆地资源的日益枯竭，人类对海洋环境的探测研究以及对海洋资源的开采利用日益重视。我国是一个海洋大国，发展用于海洋探测的水下声学技术对于国家安全和社会经济建设都有着重要的意义。其中，拖曳声呐阵列系统作为运用声波探测的代表性设备之一，被广泛运用于水下目标识别、海洋油气资源开发等领域。拖曳声呐阵列系统在勘探作业时，具有实时勘探采集数据量大，持续作业时间长的特点，这些特点对于作为数据录取过程最后一环的数据录取子系统的性能提出了较高要求。针对上述需求，本文对数据录取子系统进行了深入的分析和研究，完成了可靠性较高的数据录取子系统的软、硬件设计与实现。本文主要的研究内容与完成的工作包括以下几个方面：
　　1.介绍了拖曳声呐阵列探测系统的工作原理；分析了船上系统、水下系统的功能与各组成模块。根据声呐系统对数据录取性能和可靠性的需求提出了数据录取子系统的软硬件设计方案，分析了待解决的关键技术。
　　2.根据系统性能指标，综合比较各方案，设计了录取系统的高速数据采集卡。选择专用PCI芯片控制DMA传输与外置FIFO进行数据缓存相结合的方案设计了PCI板卡；开发了与水下系统进行数据交互的湿端模块；设计了具有两级切换控制的高速数据采集卡备份电路，实现了采集卡命令、数据传输通路的备份。
　　3.根据上位机的功能需求与性能指标，基于Qt搭建了上位机软件。通过QThread多线程技术实现对拖缆系统工作控制，对上传数据检测录取显示，对数据以标准格式存储等多个任务的并行执行；通过Qwt与QCustomPlot实现波形、信息状态显示；通过双层乒乓结构映射文件技术实现水声数据持续存储；实现上位机对数据录取系统传输通路在故障状态下的备份切换控制。
　　4.分析水下数据帧在上传过程中可能产生的差错情况，包括数据字节、包、帧的缺失以及传输过程中数据信息改变的情况；在高速数据采集卡中实现了对帧结构性缺失错误情况的检测与处理；在上位机中，依据数据帧中电子舱状态信息与CRC校验比对结果，对数据信息传输改变错误进行检测与处理。
　　5.对数据录取子系统在实验室内和外场进行了实验。在实验室内，通过系统的数据录取速率实验、数据传输误码率实验，验证了系统的数据录取性能；通过电子舱节点产生模拟差错数据上传，验证了PCI卡与上位机对差错数据检测与处理功能；测试了湿端备份通路切换功能。在外场实验中，通过一周烤机测试与在渤海海域的海上实验，验证了数据录取系统的各项功能及系统持续工作的可靠性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1课题研究背景

1.2声呐技术的发展历程

1.3国内外现状和发展趋势

1.4研究内容及章节安排

第2章 拖曳声呐数据录取子系统软硬件方案

2.1拖曳声呐阵列探测系统

2.2系统整体指标与关键技术

2.3数据录取子系统设计方案

2.4本章小结

第3章数据录取子系统高速数据采集卡设计实现

3.1湿端模块设计

3.2数据录取子系统上位机接口设计

3.3高速数据采集卡备份设计

3.4本章小结

第4章数据录取及系统控制软件设计

4.1 PCI板卡软件设计

4.2上位机软件设计

4.3上位机可靠数据录取与切换控制实现

4.4本章小结

第5章数据录取系统功能测试与实验

5.1实验室内实验

5.2外场实验

5.3本章小结

第6章全文总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢