基于互相关理论的高精度水下超声波测距系统研究

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1、原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在在论文中作了明确的说明。作者签名：』_峰日期：4年』月卑日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。嗍毕年

2、4月芋日中南人学硕摘要随着陆地矿产资源的日趋枯竭，大洋钴结壳资源成为2l世纪最具有商业开采价值的战略资源，世界主要发达国家已经开始了开采研究工作。中国大洋矿产资源研究开发协会“十五”期间重点攻关项目“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”(DYl05-03-02)的研究工作表明，深海钴结壳微地形探测的精度对细腻重构海底地形，逼真展现海底钴结壳微地形的起伏特征，从而实现深海采矿系统的最佳切削深度控制，具有十分重要的意义，也是其技术实现的关键所在。为更精确地提取海底微地形的特征，在国家自然科学基金“深海钴结壳微地形监测技术与最佳采集深度建模研究"(50474052)的资助下，研制了一种基于互相关

3、分析方法的高精度水下超声波测距系统。该水下测距系统通过对超声波换能器端电压进行高速采样，从采样数据中分离出超声波发射信号，利用随机信号的互相关分析理论来确定超声波的渡越时间，从而计算出测量的距离值。本论文的主要研究内容是：1．在理论上推导了超声波信号振幅与换能器极间电压的关系：阐述了超声波换能器的特性，分析了环境因素对水下声速的影响。详细介绍了运用互相关分析理论进行确定超声波渡越时间的方法以及消除噪声的数字滤波算法。2．设计了一种通过对超声波信号进行高速采样，利用随机信号的互相关分析理论来确定超声波的渡越时间的水下超声波测距系统。在数据处理技术上，提出了对采样数据进行截割分离发射信号的新方

4、法，并编写相应的数据处理程序。3．对相关法超声波测距系统的探测精度和回波波形，分三种底质情况进行了实验研究。实验结果表明：在探测高度为1400mm的范围内，超声波测距系统的测距误差不超过Icm，满足深海微地形原始高程数据探测的需要。在测量稳定性方面，该测距系统性能优良，比电平法超声波测距系统稳定。论文进行了具有工程实践意义的创新性研究，为深海钴结壳地形监测技术打下了理论基础，并为实际钴结壳矿产资源开采中实现微地形重构提供了技术原型。关键词：超声波，微地形探测，信号采集，数字滤波，互相关分析中南大学硕十学位论文ABSTRACTABSTRACTAlongwithlandmineralresou

5、rceusedupbyhumanbeings，Oceaniccobaltcrustresourcehasbeenacommercialforegroundstrategicallyresourcein21centuryandthemostdevelopedcountriesintheworldaredoingtheworkofinvestigationandexploitation．ThestudyresultoftheCOMRAitem‘‘CobaltCollectionModelKeytechnologyandEquipmentResearch"(DY105—03-02)conside

6、redthatthedetectionprecisionisimportantfortinyterrainreconstructionandundulatecharacter．Itisalsothekeytotechnicalreality．Fordistillingtheseabedcharacteraccurately,andimbursedbythenationalnaturalsciencefunditem‘‘studyontheAbyssalbenthicCobalt-richCrustsTinyterrainDetectingTechnologyandtheBestcollec

7、tiondeepnessmodel"(50474052)，ahighprecisionunderwaterultrasonicrangefindersystembasedoncorrelationanalysisisproducedinthisdissertation．Thissystemissamplingthevoltageofdetectionsensorandseparatingthelaunchwavesfro