基于EMI与ANN技术水下固定频率信号探测研究

摘要

随着海洋技术与海运业的发展，针对探寻水下信号的需求愈加迫切。无论是对于探测失事落水后的飞机黑匣子，还是寻找其它在水中发射固定频率信号构件，能否实现快速的探测和定位，对保护人身安全与社会财产都有着重要的意义。
　　本文针对目前水下信号探测情况复杂，对信号检测影响因素较多的情况为背景，基于压电阻抗技术设计了水下固定频率信号构件的实验装置及探测理论，搭建了模拟超声信标探测实验平台，并在水下进行探测实验，最终结合BP神经网络技术与三球定位原理实现对目标固定频率的定位。本文主要研究内容归纳如下:
　　(1)综述了国内外目前对水下频率信号探测识别的研究现状，介绍了压电材料和EMI（压电阻抗技术）技术的应用研究现状，以及未来发展的方向，介绍了ANN（人工神经网络）技术对科学研究中的应用，阐述了压电耦合电阻抗理论，并对压电阻抗与机械阻抗之间的联系作了分析。
　　(2)利用ANSYSAPDL中压电分析模块对压电陶瓷片进行有限元分析，分析其变形量以及主要变形方向，对半球形压电阻抗接收器基座进行自由模态分析，得到其在目标信号附近处大致固有频率，为实验提供一定的参考。
　　(3)设计了基于压电阻抗技术的固定频率信号探测装置，搭建了模拟探测固频信号的实验平台，发现了目标频率信号与扫频信号同频共振现象，对于不同位置，不同潜水深度下进行两组不同固频信号探测研究。
　　(4)提出了神经网络定位与三球定位的基本方法理论，创建了用于定位目标固频信号的BP神经网络，使用训练完成后的网络对目标信号进行定位研究，结合三球定位原理，证明了利用神经网络技术于压电阻抗技术相结合对目标固频信号探测及定位的可行性。

目录

声明

摘要

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题背景

1．2 水下目标信号探测现状

1．3 EMI与ANN技术的研究现状

1．3．1 EMI技术国内外现状

1．3．2 ANN技术的应用现状

1．4 存在的问题

1．5 本文研究的主要内容

1．5．1 本文主要内容

1．5．2 论文的结构安排

2 压电阻抗技术用于探测水下固频信号原理

2．1 压电材料基础理论

2．1．1 压电陶瓷

2．1．2 压电效应及压电方程

2．2．1 SMD系统的机械阻抗

2．2．2 PZT驱动SMD系统的响应分析

2．3 本章小结

3 基于ANSYS的压电模块分析

3．1 有限元压电分析基本原理

3．1．1 有限元分析法的基本思路

3．1．2 ANSYS压电分析

3．2 PZT的有限元分析

3．2．1 PZT材料参数在ANSYS中的定义

3．2．2 PZT类型的选择

3．2．3 PZT片的静态分析

3．2．4 PZT的压电分析

3．3 利用压电阻抗法探测固定频率信号基本原理

3．3．1 压电阻抗法探测信号原理

3．3．2 压电阻抗接收器摸态分析

3．4 本章总结

4 基于EMI技术的固定频率信号探测实验研究

4．1 实验原理与实验方案的确定

4．1．1 实验原理

4．1．2 实验方案的确定

4．2 实验平台的搭建

4．2．1 半球压电阻抗接收器与信标模拟发射器的设计制作

4．2．2 实验设备

4．3 实验步骤

4．4 实验结果与分析

4．4．1 模拟信标发射器空气中对比验证

4．4．2 模拟信标发射器在水环境下的有效性验证

4．4．3 半球形压电阻抗接收器在水环境下的有效性和可靠性验证

4．4．4 在37．4kHz～37．6kHz扫频下模拟信标发射器的位置对探测关系的实验研究

4．4．5 在37．4kHz～37．6kHz扫频下模拟信标发射器潜水深度与探测关系的实验研究

4．4．6 在69．5kHz～70．5kHz扫频下模拟信标发射器位置与探测关系的实验研究

4．4．7 在69．5kHz～70．5kHz扫频下模拟信标发射器潜水深度与探测关系的实验研究

4．5 本章小结

5 基于ANN技术的固频信号定位研究

5．1 信号定位方法

5．1．1 空间三球定位原理

5．2 ANN神经网络技术介绍

5．2．1 单神经元模型

5．2．2 神经元层结构

5．2．3 BP网络

5．2．2 BP神经网络的设计流程

5．3 用于固定频率信号定位的BP神经网络参数设计

5．3．1 测试流程

5．3．2 用于固定频率信号探测定位的BP网络设计

5．3．3 超声信标位置的识别

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介