基于FPGA的拖曳线列阵数字化多功能前端设计与实现

摘要

拖曳线列阵技术在围绕海洋的科学研究、资源开发、工程建设以及军事等方面的应用非常广泛。本论文是针对拖曳线列阵技术在水声工程领域的相关应用所开展的研究工作。在水声工程领域，一般而言拖曳线列阵是拖曳在母船或水下航行体上，母船或水下航行体是它的载体。拖曳线列阵通过集成在其拖曳线缆上的各种水声传感器，能对水下声环境进行探测。本论文介绍的是一种拖曳在水下航行体上的线列阵，航行体在水下航行过程，将线列阵拖曳在水下，能接收水下声信号并通过拖曳线缆传送到水下航行体上，同时水下航行体也能通过拖曳线列阵发射声信号，拖曳线列阵在它的载体上有特定的适装环境和使用环境要求。因此，在拖曳线列阵的技术设计工作中就需要考虑一些问题，例如：拖曳线列阵的使用方便性、可靠性、环境适应性、可维护性、电磁兼容性以及与载体之间的联合调试检查方法等等。而前端是拖曳线列阵上唯一的电路部件，这些问题的解决就必须与前端的技术设计及工程实现相结合。
　　一般而言，安装在拖曳线列阵上的前端其主要功能是对接收到的声信号进行放大、抗混叠滤波和数字化传输。而本文所介绍的这种拖曳线列阵前端是以解决一定的工程应用问题为目的，在传统拖曳线列阵前端技术基础上进行的创新设计。它是一种基于 FPGA的拖曳线列阵数字化多功能前端，与传统的拖曳线列阵前端相比，除具备上述基本功能之外，还具有以下特点：
　　a)能对集成在拖曳线列阵线缆上的换能器进行在线技术状态监测；
　　b)无需外部调试检查设备，能实现拖曳线列阵与载体之间的联合调试检查；
　　c)能对拖曳线列阵的水声信号接收和发射信道特性进行自适应匹配；
　　d)能对曳线列阵进行上电自检；
　　e)拖曳线列阵与载体之间可自适应匹配，不需一一配对使用。
　　众所周知，拖曳线列阵在储存、运输和使用过程中易损、易耗，上述针对拖曳线列阵前端的创新设计不仅使得拖曳线列阵在使用过程中的技术准备时间大大缩短，工作可靠性得到极大提升，也可使得拖曳线列阵日常的检修、维护和保养工作效率大大提高。
　　本文介绍的这种基于 FPGA的拖曳线列阵数字化多功能前端的设计与实现是在对以下技术进行研究与分析的基础上开展的。
　　a)基于拖曳线列阵的数字信号传输技术；
　　b)智能仪器检测技术；
　　c)远距离点对点通信接口技术；
　　d)水声换能器技术；
　　e)水声数字信号处理技术；
　　f) FPGA设计与应用技术。
　　在此基础上根据该拖曳线列阵前端的具体功能需求，设计具体的解决方案，并开展相关的技术设计工作，最终在工程应用中实现。

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第一章绪论

1.1研究工作的背景与意义

1.2国内外研究历史与现状

1.3本文的主要贡献与创新

1.4本论文的结构安排

第二章数字化多功能前端的系统组成及原理

2.1拖曳线列阵构成

2.2拖曳线列阵系统工作原理

2.3数字化多功能前端的组成

2.4数字化多功能前端的主要功能要求

2.5 数字化多功能前端工作原理

2.6 本章小结

第三章数字化多功能前端硬件方案设计

3.1 多功能前端模拟电路部分硬件方案设计

3.2 多功能前端数字电路部分硬件方案设计

3.3 本章小结

第四章数字化多功能前端软件设计

4.1 数字化多功能前端软件需求规格说明

4.2 数字化多功能前端软件技术设计

4.3数字化多功能前端软件功能测试

4.4本章小结

第五章数字化多功能前端试制、调试及应用

5.1 数字化多功能前端试制与组装

5.2 数字化多功能前端调试

5.3 数字化多功能前端应用情况

5.4 本章小结

第六章全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

附录