超短基线水声定位系统应答器设计

摘要

超短基线水声定位系统利用水声通信和水声定位技术完成海底地震勘探电缆的测量与二次定位，具有声换能器基阵尺寸小、可移动定位、布放和安装方便等优点，广泛应用于浅海的油气资源勘探中。水声应答器是超短基线定位系统的水下应答部件，固定于海底勘探电缆上并为定位系统提供测量数据，应答定位信号。
　　 本课题针对国内水声定位系统在浅海石油勘探中定位距离短、无法多目标定位等局限性，设计并实现了一种以MSP430单片机为主控制器、数字信号处理器为协处理器的新型水声应答器。系统硬件在器件选型、值守电路选用、功放效率、电源管理等多方面进行了低功耗设计，降低了应答器水下待机功耗;对水下低信噪比的微弱信号拾取做了详细分析与板级处理，增强了应答器抗干扰能力;采用了16位高性能、低功耗的C5000系列数字信号处理器作为水声扩频通信的协处理器，为算法实现提供了可靠的运算平台;应答器通信方式为Gold码直接序列扩频，提高了水下抗多径、抗衰减能力，同时，正交扩频编码的使得定位系统可同时解算多个应答信号，实现了多目标定位功能。
　　 通过MATLAB仿真、消声水池和湖泊的实际测试，结果表明该应答器性能稳定可靠，待机静态工作电流小于5mA，实现了30米下潜深度、1500米作用距离的大仰角多目标应答器同时应答与定位，达到了预期设计指标。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 水声定位系统简介及分类

1．3 水声应答器国内外发展现状

1．4 课题研究的主要内容

1．5 课题的难点和创新点

第二章 定位系统及应答器整体设计

2．1 水声定位系统整体设计

2．1．1 定位系统组成

2．1．2 定位流程

2．1．3 定位原理

2．2 水声应答器整体设计

2．2．1 结构组成

2．2．2 技术指标

2．3 通信编码原理及方式

2．3．1 多址接入方式选择

2．3．2 扩频通信方式选择

2．3．3 伪随机序列选择

2．3．4 脉冲成形技术

2．4 本章小结

第三章 水声应答器硬件设计

3．1 硬件总体设计及模块划分

3．2 模拟接收预处理模块

3．2．1 收发转换开关电路

3．2．2 前置与后置放大电路

3．2．3 窄带带通滤波器

3．2．4 多路复用电路

3．2．5 电压钳位电路

3．3 单片机值守与控制模块

3．4 数字信号协处理器模块

3．4．1 最小系统设计

3．4．2 模数转换器(ADC)

3．4．3 数模转换器(DAC)

3．4．4 通信接口设计

3．5 电源管理模块

3．6 硬件低功耗分析

3．7 本章小结

第四章 水声应答器软件设计

4．1 系统工作流程

4．2 MCU软件设计

4．2．1 固件程序设计

4．2．2 能量检测算法

4．3 DSP软件设计

4．3．1 DSP软件流程

4．3．2 EMIF接口配置

4．3．3 McBSP接口配置

4．3．4 DMA配置

4．4 扩频通信实现

4．5 本章小结

第五章 系统验证与测试

5．1 基本电性能测试

5．1．1 收发转换电路测试

5．1．2 电压钳位电路测试

5．1．3 功放输出测试

5．2 消声水池测试

5．2．1 基本通信功能测试

5．2．2 基本定位功能测试

5．3 湖泊与浅海测试

5．3．1 最大作用距离测试

5．3．2 运动模式测试

5．3．3 多目标定位测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

研究成果与发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书