浅水域分布式合成孔径声纳成像系统的设计与实现

摘要

随着我国江河湖泊以及海洋资源的不断开发，航道安全和水下探测等领域也对高分辨率声纳有着迫切的需求，国内用于大型水库，江河湖泊或者海洋港口等地方的探测声纳一般为国外研制，价格都在百万以上级别，一旦使用不当或造成设备损坏，所带来的维护和技术支持成本也十分可观。由于设备都为国外引进，这也不利于我国水域的自主化探测。因此我国也急需一种成本较低，分辨率较高，稳定可靠的声纳成像探测系统。本文基于合成孔径成像原理和合成孔径雷达高度计理论知识，结合现代声学理论及智能方法，完成了对浅水域分布式合成孔径声纳成像系统的回波模型的建立，硬件平台实现，以及数据仿真和软件处理，验证了该成像系统的可行性，为打破国外技术垄断带来了希望。
　　全文的主要研究内容如下:
　　1.通过理论研究，借助合成孔径雷达高度计和SAR成像技术的原理性知识，以及现代声学理论和智能方法，推导并建立了浅水域分布式合成孔径声纳回波模型，并通过嵌入式系统设计，实现了基于该回波模型的信号处理系统，首次完成了国内第一台浅水域分布式合成孔径声纳成像系统的样机设计，并通过计算机软件对回波数据进行处理和完成基本的成像测试，达到了满意的效果。
　　2.采用模块化的思想，对浅水域分布式合成孔径声纳成像系统的硬件架构进行设计，包括各模块电路设计和模块间接口设计，将系统分为基于STM32的核心控制模块、基于DDS技术的信号发射模块、接收模块、模拟信号调理模块、A/D转换模块、数据存储模块、集成式水面定位模块。
　　3.采用自顶向下的设计方法，详细论述了系统硬件平台从最顶层架构到最底层电路的实现过程。其中，信号接收部分主要完成对32路模拟信号的放大、增益控制、滤波等功能，经A/D转换，将回波转成数字信号并存入SD卡，再将数据交给计算机处理得到水下图像。
　　此外，为了验证回波模型与所建立SAS嵌入式系统的正确性，先利用matlab软件进行回波处理的输出仿真，包括带通滤波，多级放大，TVG补偿，抗混叠滤波处理和A/D转换;还进行了系统的联调测试以及消声水池现场测试实验，最后运用vs2010软件编程进行成像处理，达到了4°的角分辨率和5cm的距离分辨率的成像，得到了良好的效果。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容与创新点

1．4 论文架构

2 合成孔径声纳回波建模方法

2．1 合成孔径声纳成像原理分析

2．1．1 距离向分辨率

2．1．2 方位向分辨率

2．2 SAS差分相位法测深技术分析

2．3 基于合成雷达高度计的分布式SAS成像模型

2．4 本章小结

3 浅水域分布式SAS成像系统硬件设计

3．1 整体设计与架构

3．2 基于STM32的核心板

3．2．1 设计论证

3．2．2 几种核心板方案的对比

3．3 基于AD9854的超声信号发射电路

3．3．1 直接数字式频率合成技术分析

3．3．2 基于AD9854的超声信号产生电路

3．3．3 升压与声波换能器发射切换电路

3．3．4 发射水声换能器基阵

3．4 多路超声波信号接收电路

3．4．1 整体接收电路结构

3．4．2 放大电路与TVG增益设计

3．4．3 带通滤波器电路设计

3．5 基于AD9273的AD采样电路设计

3．5．1 LNA前置放大处理

3．5．2 抗混叠滤波处理

3．5．3 AD转换处理

3．6 船载水面定位定向系统设计

3．6．1 现有的定位定向系统分析

3．6．2 定位定向系统精度校正

3．6．3 定位定向系统运动补偿

3．7 数据存储电路

3．8 本章小结

4 浅水域分布式SAS成像系统实验验证

4．1 SAS系统板桌面联调

4．1．1 发射电路测试

4．1．2 接收电路测试

4．1．3 船载水面定位定向系统测试

4．2 回波输出仿真与水池成像测试

4．3 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集