深海激光流速仪信号解调系统研究

• 作 者: 董子汉
• 出 处: 安徽大学
• 发表日期: 2019年07期
• 关键词: 海底热液 激光多普勒 片上系统 数字信号处理

深海对于人类来说是一个未知的全新领域,海底热液喷口是地球内部与外部物质交换的窗口,也是地球热通量和化学元素循环的重要影响因素。海底热液流速测量可以为热液输出的物质通量分析提供有效手段,在地质、海洋和生态学等多个领域都具有重要的应用价值。激光多普勒测速技术以其非接触测量,精度高等特性适合海底热液喷口的流速测量。信号解调系统作为激光多普勒深海热液流速探测的关键组成部分,对最终获得的信号流速精度和抗噪声性能有着重要影响。受深海探测对设备体积和重量的限制,信号解调系统需要解决耐压舱空间狭小,海底热液信号谱峰提取困难,深海热液喷口散射光信号极其微弱等困难。本文针对以上问题,提出了一种新型的多普勒信号处理平台,改进了多普勒信号处理方案,实现了模拟海底“黑烟囱”环境下的流速测量。首先,本论文提出了基于片上系统的多普勒信号处理平台,选用了 Xilinx公司的Zynq ARM+FPGA SoC芯片XC7Z020作为主控,按照需求选用了带通采样作为信号抽样方法,并对该部分的实现方案进行了规划和设计。该平台体积较小,可在深海应用场景下狭小的耐压舱空间中实现,不需要在PCB板上设计FPGA与ARM核微控制器的互连,且减小了发热,不影响对温度敏感的激光光路,适用于深海激光流速计。其次,本文分析了海底热液的流动特性对信号测量造成的困难,改进了常规的多普勒信号处理方案,在信号处理过程中加入了谱峰聚类处理方法,对信号频谱中的谱峰群进行2聚类,解决了由于湍流导致的谱峰分散问题,并在信号处理方案的具体设计中使用了对称零面积法进行谱峰获取,提升了系统在低信噪比情况下的解调灵敏度,还在傅里叶变换前叠加了合适的窗函数,避免了引起频谱泄露。最后,本文基于以上方案,实现了适用于深海激光多普勒测速仪的信号解调系统,且成功进行了转盘测速标定,验证了系统的测量精度,并进行了系统集成测试和水池实验,为最终的深海搭载做好了准备。