基于LabVIEW的海底沉积物超声测试系统的软件设计

摘要

随着海洋技术的发展，海底沉积物的研究具有重要的军事及民用意义，准确、快速地获得海底沉积物声学特性技术是当今海洋技术的重要内容之一，它为获取海底沉积物土工特性提供了间接的依据。我国的海底物理原位测试技术还较缺乏，现有的超声波测试系统无论是硬件还是信号处理软件都是封闭的，需要专业的技术人员才能维护，测量人员对信号的处理往往需要采集后转换处理平台才能实现。本文提出建立基于LabVIEW的海底沉积物超声测试系统，旨在实现实验室环境下还原测试样品的海底环境，并提高沉积物声学测试系统智能化和有效性。
　　 本文首先综述了海底沉积物声学测试研究的现状以及国内外海洋原位测试技术的发展现状。对海底沉积物声学特性进行了理论研究，介绍了沉积物的分类以及各种沉积物模型，并提出了海底沉积物超声测试系统软件设计的关键技术。随后介绍了基于虚拟仪器平台的海底沉积物超声测试系统的组成及硬件结构，包括小尺度底质声学物理模型试验系统、换能器驱动电路、基于PA85的信号放大电路、频率自动跟踪电路。接着着重介绍了系统的软件设计及信号分析部分。利用LabVIEW控制超声波信号的发射和接收，同时采集环境参数，对沉积物声速和声衰减的各种测量原理和方法进行比较，依据测量原理对前端信号进行实时处理和分析，编程实现声速的首波自动判读和声衰减的获取，对信号进行频域分析和相关分析，得到的数据存储到声学特性测量结果数据库中。然后针对系统设计了三组实验，一组是将本系统与经典系统进行实验对比，一组是杭州湾样品试验，一组是利用本系统对信号进行详细的实时分析得出相关数据。最后对本课题所作的研究作了总结与展望。
　　 本文采用虚拟仪器硬件平台和LabVIEW软件开发平台设计的海底沉积物超声测试系统，为信号处理编写了开放的数据处理软件。使沉积物声速特性的测量和计算成为一体，提高了效率，使声信号信息的提取更为直观、准确，为海底沉积物声学特性研究提供了数据支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 本课题研究的发展现状

1．2．1 沉积物声学特性研究现状

1．2．2 国内外海洋原位测试发展现状

1．3 本课题的研究意义

1．4 本课题的研究思路及预计设想

1．5 论文的组织结构

第二章 海底沉积物声学特性理论研究

2．1 海底沉积物

2．2 海底沉积物模型

2．2．1 Gassmann理论和模型

2．2．2 Biot理论和模型

2．2．3 BISQ理论和模型

2．3 海底沉积物声学特性

2．4 海底沉积物超声测试系统软件设计关键技术

2．5 本章小结

第三章 海底沉积物超声测试系统的组成和硬件结构

3．1 海底沉积物超声测试系统的组成

3．1．1 小尺度底质声学物理模型试验系统平台

3．1．2 换能器的分析与选择

3．2 换能器驱动电路

3．3 基于PA85的信号放大电路

3．4 频率自动跟踪电路

3．5 硬件电路图

3．6 本章小结

第四章 海底沉积物超声测试系统的软件设计与信号处理

4．1 虚拟仪器

4．1．1 虚拟仪器的特点

4．1．2 虚拟仪器平台的选择与LabVIEW

4．2 沉积物声速和声衰减测量原理及方法比较

4．2．1 声速测量原理及方法

4．2．2 声衰减测量原理及方法

4．3 虚拟仪器测试系统及前端信号处理

4．3．1 数据采集

4．3．2 虚拟仪器测试系统

4．3．3 滤波设计

4．4 环境参数读取

4．5 首波自动判读程序的设计及实现

4．5．1 声速的获取

4．5．2 声衰减的获取

4．6 信号的频域分析

4．6．1 自相关

4．6．2 互相关

4．6．3 频谱分析

4．7 声学特性测量结果数据库

4．8 人机交互界面设计

4．9 本章小结

第五章 测试实验结果分析

5．1 系统的可靠性对比实验

5．2 杭州湾样品测试实验

5．3 深入实验

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的主要创新点

6．2 论文完成的具体工作

6．3 论文展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果