基于时频分布算法的深海高度测量系统-电路与系统专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master The Deepsea Altitude Measurement System Based On Time-Frequency Distribution Algorithm Candidate: Zhang Mengdi Supervisor: Prof. Yu Haibin December，2015 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。（必威体育官网网址论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘 要 海洋占据了地球表面的 71%，是个巨大的矿产资源宝库。而到目前为止，还有 95%大海 的海底是未知的。随着海洋事业的发展，越来越多深海拖体、取样器等设备用于深海的探测 及资源开发。这些设备在深海中工作时，必须由其自身获得距海底的实时高度。深海离底高 度测量系统，即高度计，就是一种利用声学测距原理对设备离底高度进行实时探测的设备， 在维持设备工作时的离底高度及安全着底的过程中发挥着重要的作用。国内虽有少量高度计 产品，但是使用于科考船、科考设备上的多为进口设备，如 Kongsberg 1007D 等。 本课题主要设计了一款搭载于水下设备上、可在深海环境中稳定工作的高度计系统，该 高度计的预计的量程为大于 100m，具备有精度高、抗干扰能力强的特点。本文首先介绍了高 度计系统涉及的各种声学原理，根据回波测距原理确定了系统需要获得的两个主要参数：回 差时间和声速。通过对水下声速特性的分析，本文提出了温度对声速进行校正的方法，并预 留了深度校正的软硬件接口。 系统的硬件部分主要实现声波信号的发射与接收，本文采用 STM32F107 单片机作为 MCU，以 DDS 芯片做为频率控制模块。发射电路产生固定频率的电信号，经由水声换能器的 电-声转换从而发射声波。同时，声波经海底反射后由换能器接收并产生电信号，接收电路对 回波信号进行放大及预处理，并由 MCU 进行 AD 采样。 在传统的时域幅值检测法中，无法排除噪声对结果的影响，且获取的回差时间精度低， 同时，由于水声换能器余震的干扰，将会导致较大的测量盲区。本文在分析了时频分布算法 原理、FFT 原理的基础上，设计并实现了一种短时傅立叶变换算法(STFT)，使用该算法在频 域上排除噪声干扰及有效信号的提取，同时通过时间窗来确定回差时间将更为精确。 在本文的最后一章还给出了高度计系统的调试过程。本文使用示波器观察各个模块的波 形来确定硬件系统的正常工作，在软件部分使用 MATLAB 对软件处理结果的正确性进行验 证。 关键词：高度计，DDS，时频分布算法，STFT I ABSTRACT The ocean covers 71% of the Earths surface, and it is a great treasury of mineral resources. However, 95% of the ocean seabed is unknown so far. With the development of marine industry, more and more equipments, such as deep sea towed body and sampler, have been used for the detection of seabed and the exploration of ocean resources.