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作为一种获取水下声信号的重要设备,数字线列阵在目标远程探测、水下防御、海洋石油勘探以及基础科研等领域均有着重要的应用,因而受到越来越多的关注。数字线列阵的结构特点要求必须具备一套专用的数据传输系统来完成湿端大量数据向干端的高速、远距离传输,可以说数据传输系统的工作情况直接决定了线列阵的性能;而在应用数字线列阵时,通常需要准确的获知线列阵的阵形信息和地理位置,从而确保声阵采集数据的可用性和有效性。
针对以上要求,本论文从数字线列阵的实现和应用两个方面开展了研究工作。实现方面,在总结数字线列阵数据传输特点的基础上,针对细线阵和勘探漂缆的不同要求分别设计了两套数据传输系统,并在实验室和湖试条件下对系统性能进行了测试。在应用数字线列阵方面,针对传统方法对海底缆定位时存在的不足,提出了一种海底缆高效定位算法,并通过仿真对算法的正确性进行了验证。本文的主要研究工作如下:
1.针对细线阵的特点,设计并实现了一套细线阵用数据传输系统。该系统在保证将湿端数据向干端高速、远距离传输的同时,还可以实现用户对湿端部分的实时监控和管理;此外,本系统的湿端模块满足了低功耗、小型化和通用性的要求;在不超过系统数据传输总带宽的前提下,湿端连接的水听器的数量可以根据需要任意设置,增强了系统的可扩展性;系统上电后,湿端多个数据传输节点将自动组成数据传输网,自组网功能的存在使得节点间的顺序可以任意互换,便于成缆和维护,同时也提高了系统的可靠性;最后,本系统还提供了连续传输和批次传输两种工作模式,满足了多种应用的要求。实验室测试结果和湖试结果均表明,本数据传输系统设计方案合理,系统可以实现对湿端大量数据实时、可靠传输,并且各通道数据间保持了良好的同步性。
2.针对勘探漂缆的特点,设计并实现了一套勘探漂缆用数据采集传输系统。该系统采用一体化的设计思想,将湿端模拟信号采集部分与数据传输部分集成在一起;集成性的设计降低了功耗,提高了系统的可靠性,同时也便于模块的维修和更换;在继承了细长线列阵数据传输系统技术特点的基础上,本系统还提供了多种可选的数据采样率和数据传输速率,满足了民用领域的不同需求。对系统的测试结果表明,本数据采集传输系统设计方案合理,系统可以实现对多路水听器输出信号的同步采样和高精度量化,并将数字信号同步、可靠的传输到干端部分。
3.针对已有算法对海底缆定位时存在的缺点,本论文在目前较为成熟的超短基线水声定位系统框架下提出了一种基于应答方式的海底缆高效定位算法。该算法采用“多点同步定位”思想,并综合考虑了水声定位中的影响因素,有效的解决了如相位模糊、定位效率偏低、定位精度不足等问题。仿真结果表明,该算法可以实现对水下多个目标位置的同步测量,并且保证了较高的定位精度。
本论文讨论的数据传输系统为完全自主设计和研发的系统,为实现数字线列阵的国产化打下了坚实的基础;海底缆高效定位算法有效的解决了已有方法存在的问题,为实现对海底缆的快速、准确定位提供了关键技术支持。