论文部分内容阅读
声纳是一种利用声波在水中传播的特性，对水下目标体进行探测、定位和通信等的设备，最初主要用于反潜等军事活动。近年来由于海洋声学理论研究的巨大进展，以及电子技术的快速发展，声纳系统突破了传统的军事应用领域，广泛应用到探测海底地貌、大面积海洋环境监测、海洋资源勘探、水下信息获取、海上导航、海洋救险与打捞等众多领域。
由于陆地空间和资源的限制，人们不可避免地越来越重视海洋和依赖海洋。鉴于这种发展趋势，全国多所高校相继开设了海洋地球物理勘探这门新课程，作为一门新课程，面临着实验课程的改革与教学仪器缺乏的问题。虽然目前国内外已有众多应用声纳系统成功运用在各个方面，但是由于这些仪器专业性强，并且价格昂贵的特点，并不适合于高校实验室引进用于教学研究。针对上述情况，本项目提出研究与设计一种专门用于实验室教学目的用的单波束浅水声纳测深仪。实验室由于其特定条件的限制，侧重的是对各种模型的形态以及埋深的测量，因此一般只需实现1～2米深度范围内的测量即可。本论文的主要工作是研究与设计一个实时的声波回波信号采集子系统，为该测深系统提供可靠的硬件设计方案。
为此，本论文在现有声波采集系统的技术基础上，以研究与设计实验室用单波束浅水声纳测深仪采集子系统为目标，提出了以数字信号处理器(Digital signal Processor，DSP)为核心器件，以串口与计算机通讯为手段的采集处理子系统。
本文首先对单波束回波测深的原理以及测量方式作了研究以及介绍，然后以DSP为核心器件对采集子系统的框架进行了设计。
接着对实验室用单波束测深采集子系统的整个硬件电路进行了设计，包括模拟输入通道电路和数据采集处理电路两大部分。本文直接采用高压发射模块设计实现了声波发射电路，并通过DSP的PWM波形输出脉冲信号进行控制；以AD526和PGA103设计了模拟信号调理电路的两级放大电路，实现了放大电路增益数字可控；以运算放大器、电阻和电容搭建了二阶压控高通滤波和低通滤波电路，并且通过模拟开关4052选择电阻对实现截止频率可选；根据系统的需求设计了内触发和外触发电路，其中外触发电路可实现8级触发电平可选。数据采集处理部分以TI公司的TMS320LF2407为核心控制芯片，其外围硬件电路包括电源电路、复位电路、时钟电路、JTAG电路、系统存储器扩展电路；采用TMS320LF2407内置的ADC模块扩展了两通道的A/D采集，并利用电压抬高电路设计实现负信号的采集；利用TMS320LF2407内置的串口通讯模块(Serial Communication Interface，SCI)，选用MAX232芯片实现了与计算机的串口通讯；通过串行输入、串并输出器件74HC595扩展了DSP的I/O口，实现对模拟输入通道电路的控制。
在硬件电路设计的基础上，论文对DSP的开发平台CCS和其特点作了介绍，研究了TMS320LF2407的Flash烧写，对单波束测深系统的软件进行了设计，包括系统初始化的设计、ADC采集子程序的设计、串行通讯接口子程序的设计、PWM波形的产生，最后对程序的优化进行了介绍。
最后对上述章节所做的工作进行了测试与分析，主要包括预处理电路中滤波电路的性能测试、PWM波形产生测试和采集子系统与计算机之间的串口通讯测试。
由于时间和条件等方面的限制，本文设计的单波束测深系统没有实现对声波回波信号的采集。在论文的最后对本文所做的工作进行了总结，并为系统的改进和完善提出了建议。