基于ARM的声学海流剖面仪信号模拟器研制及回波信号处理

摘要

随着海洋勘测技术的发展，研制高性能的海洋测流仪器越来越重要。多普勒声学海流剖面仪就是一种非常重要的用来测量海流速度的仪器。在调试多普勒声学海流剖面仪的过程中，多普勒声学海流剖面仪信号模拟器是很重要的设备，它是数字模拟技术与多普勒声学技术相结合的产物，它通过模拟的方法产生声学海流剖面仪回波信号，以便在不具备实际海洋情况的条件下，可以在实验室环境中对声学海流剖面仪的样机进行系统调试。在此情况下，本文研制了一种声学海流剖面仪信号模拟器，并对声学海流剖面仪回波信号接收过程中使用的算法进行了研究。
　　 本文首先比较了多普勒声学海流剖面仪的发射信号与接收信号之间的关系，分析了产生多普勒频移的原因。选用直接数字频率合成技术(DDS)生成多普勒声学海流剖面仪调试所需要的回波信号o DDS技术克服了传统信号源的频率精度不高和频率不稳等问题。本文选用专用DDS芯片AD9833来实现回波信号的产生，利用ARM嵌入式技术对输出信号进行控制。
　　 信号模拟器以S3C2410处理器为核心构建了硬件平台，采用核心板与扩展板相结合的硬件结构。核心板主要包括了存储系统、网络接口和各种通讯接口。其主要功能是存储大量数据信号和通讯功能；扩展电路包括了16路DDS信号输出及信号调理电路，可以通过软件来配置16路信号相应的工作状态及选择信号输出形式。硬件设计预留了一定数量的I/O接口以备将来扩展之用。
　　 建立嵌入式Linux开发环境；并分析BootLoader启动机制，移植VIVI；通过配置内核相关文件，移植Linux2.4.18内核到模拟器系统；编写16路DDS的驱动程序；设计了模拟器的上位机通讯程序及用应程序；对系统进行了软硬件调试，调试结果表明模拟器完全能够模拟声学海流剖面仪的回波信号。
　　 最后，结合回波信号形式，采用基带解调、复相关等技术对接收回波信号所使用的算法进行了研究，估算出多普勒频移，配合了调试海流剖面仪样机工作的进行。该模拟器不但可以模拟回波信号，还可以作为发射信号来用，大大提高了模拟器的实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 相关技术的发展动态

1.2.1 海流剖面仪的历史及其发展

1.2.2 嵌入式系统简介

1.2.3 信号模拟技术

1.3 论文主要任务

1.3.1 论文研究内容

1.3.2 论文的组织结构

第二章 海流剖面仪信号模拟技术理论基础

2.1 海流剖面仪的测量基础原理

2.2 海流剖面仪的结构和测量原理

2.3 常用海流剖面仪信号形式

2.3.1 单频脉冲信号

2.3.2 伪随机编码调相信号

2.3.3 线性调频信号

2.4 DDS技术

2.4.1 DDS工作原理

2.4.2 DDS的基本特点

2.5 本章小结

第三章 海流剖面仪信号模拟器硬件系统设计

3.1 模拟器的主要功能

3.2 处理器选型

3.3 硬件系统总体构成

3.4 系统硬件概述

3.4.1 ARM体系结构

3.4.2 S3C2410处理器

3.4.3 DDS芯片AD9833

3.5 ARM核心模块

3.5.1 核心板电源电路及复位电路

3.5.2 外扩存储电路

3.5.3 时钟电路

3.6 DDS模块电路设计

3.6.1 信号产生电路

3.6.2 低通滤波电路设计

3.6.3 单元信号电路设计

3.7 串行通讯模块

3.7.1 RS232接口电路

3.7.2 RS422接口电路

3.8 网络模块

3.9 底板电源

3.10 本章小结

第四章 海流剖面仪信号模拟器嵌入式Linux系统的开发

4.1 建立交叉编译环境

4.2 启动代码的实现

4.2.1 BootLoader启动过程及分析

4.2.2 VIVI配置与编译

4.3 内核的裁剪与移植

4.4 文件系统

4.5 模拟器系统驱动程序设计

4.5.1 模拟器系统的设备驱动的实现

4.5.2 AD9833驱动程序的开发

4.6 本章小结

第五章 海流剖面仪信号模拟器软件设计

5.1 系统软件构成

5.2 上位机程序设计

5.2.1 界面模块

5.2.2 数据处理模块

5.2.3 串行通讯的实现

5.3 应用程序设计

5.3.1 系统任务流程

5.3.2 串口任务的实现

5.3.3 数据处理任务的实现

5.3.4 波形任务产生

5.4 本章小结

第六章 系统调试与测试

6.1 系统硬件调试

6.2 系统的软件调试

6.3 测试结果

6.3.2 测试与误差分析

6.3.2 测试波形

第七章 海流剖面仪回波信号处理算法研究

7.1 信号采样变换

7.2 基带解调处理

7.2.1 正交数字混频处理

7.2.2 滤波及降采样处理

7.3 复相关处理

7.3.1 相关函数

7.3.2 M序列相关函数分析

7.3.3 回波信号多普勒频移估计算法实现

7.3 整体算法流程

7.4 本章小结

第八章 总结

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

致谢

附录 模拟器实物图

攻读硕士学位期间的研究成果