多普勒计程仪的信号处理计算概述与系统软件构设

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1、多普勒计程仪的信号处理计算概述与系统软件构设第1章绪论1.1研究目的与意义二十一世纪是一个航海技术与舰船工业蓬勃发展的时代，各国对海洋的开发也越来越重视，随着海上运输与海中资源勘探的高速发展，无论是货轮、舰船在海上的航行或者各种潜水器在海中作业时都需要高准确度的速度信息和位置信息。特别是大型轮船在码头中慢慢靠岸时，由于速度非常低，而且用眼睛难以直接观察，为了保证其停泊和靠岸的安全就更需要一种设备为其提供这种高精度的低速信息。除了用于专门测量水上航器的测速声呐，其它仪器很难测量出如此低的速度，因此需要研究声学测速设备，为海上航器提供高精度的速度信息。近年来，随着科学技术日益发

2、展，出现了各种各样测速系统，在陆地上主要有运用电磁波的雷达系统和卫星系统来提供导航定位和速度信息。由于海水的复杂性，其对无线电磁波的吸收很强，也使得这些陆地上的测速系统无法应用于海洋中的设备，而且这种无线电测速设备很容易受到环境、气候等影响，精度有所限制。虽然卫星导航系统使用简单便携并且精度高，但是潜水艇、水下无人作战平台和自主式水下运载器（AutonomousUndermanuel和Manics[6]在海岸、公海及海口验证了多普勒测速技术的有效性，Clark和Scherer[7]进行了大量的模型分析，法国Thomason公司的Peynaud和PijanoETEK公司和Sp

3、erry公司意识到多普勒测速系统的巨大商业市场，邀请Reiger和Pinkel[9-13]独立研发多普勒测速系统。第2章多普勒计程仪测速原理2.1引言多普勒计程仪是基于多普勒效应这一原理而设计的高精度测速仪器，通过换能器向海底发射声信号，接收反射回来的回波信号，并估计出回波信号频率与发射信号频率之差，进而求得其载体相对于海底的速度。但是由于测速环境复杂，测速精度会受到很多因素的影响，其中主要因素有公式简化、船的颠簸和上下起伏、声速等，所以在进行速度测量的时候必需对各种因素采取修正和补偿措施。其中以詹纳斯（Janus）四波束系统的换能器配置为代表的多普勒计程仪[51]，不仅大

4、大削弱了海上仪器载体颠簸和起伏所带来的干扰，而且还能够测量载体的三维速度。本章分别介绍公式简化、船只颠簸摇摆、波束宽度、波束倾角和声速等影响速度估计的主要误差因素及其补偿原理。2.2多普勒速度估计原理当信号发射源和信号接收器在连续介质中发生相对径向运动时，接收器接收到的信号频率和发射信号频率会有所不同，当两者远离时频率将降低，靠近时频率则会升高。现假设信号发射源的运动速度为sv，发射信号频率为0f，信号在介质中的传播速度为c，信号接收器的运动速度为rv，接收信号频率为rf，主要存在以下四种情况[52,53]：公式（2.6）的导出是基于理想化的分析得到的，即假设声呐基阵的指向

5、性图的张角是无限窄，但是实际基阵指向性图具有一定宽度，这将使回波的多普勒频谱展宽。不同角度的声线返回后会产生不同的多普勒频偏，这将使得回波信号的频谱比发射信号的谱宽。接收信号的功率谱形状与波束图大致一样，但是与水底散射强度的变化规律有关系。如图2.3所示，波束宽度为θ，故得到的多普勒频率的相对误差将变大。因此从这方面考虑的话，波束倾角则应取得小些为好。但是如果波束倾角变小，将会增大到水底的传播距离，信号传播距离越长，信号衰减就会越大，就会导致回波变弱，那么接收信号的信噪比就会降低，从而也会降低测速精度，因此必须折中选择波束倾角大小。..第3章正交解调和波束合成技

6、术研究........173.1引言....173.2正交解调......173.3相移束控技术........193.4算法仿真及性能分析......263.5本章小节......28第4章多普勒计程仪的频率估计方法研究.....294.1引言....294.2基于复相关的频率估计方法....294.2.1复相关频率估计........294.2.2算法仿真及性能分析.....324.3基于循环统计量的频率估计方法......384.3.1循环平稳特性.....384.3.2频率估计方法.....394.3.3算法仿真及性能分析........434.4本章小节.....

7、.46第5章多普勒计程仪上位机软件设计........475.1引言....475.2上位机系统软件总体设计........475.3串口通信......505.4FPGA寄存器与帧传输格式.....565.5多普勒频偏计算....585.6本章小节......58第5章多普勒计程仪上位机软件设计5.1引言为了能够实时监控多普勒计程仪工作，希望能够通过上位机设置多普勒计程仪工作参数，上位机能够实时显示多普勒计程仪频率估计结果和波形，因此本章设计了多普勒计程仪信号处理系统的上位机软件。通过RS-232C串口把上位机和