1MHz声学多普勒流速剖面仪关键技术研究(硕士)

1MHz声学多普勒流速剖面仪关键技术研究(硕士)(论文21900字)
Based on coding drive acoustic doppler current profiler experimental platform for research
摘要
流速是海洋环境中一个重要的参数，方便、快速、准确地测量流速参数，对于了解海洋环境变化，治理海洋环境，利用海洋资源，都有着非常重要的意义。
声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，以下简称为 ADCP)是根据声学多普勒原理，测量河流的垂直剖面分布。ADCP一次可测得一个剖面上若干水流的速度。ADCP利用超声换能器测量流速，测量点在探头的前方，不破坏流场，具有测量精度高，量程宽；可测弱流也可测强流；测量线性，流速检定曲线不易变化；无机械转动部件，不存在泥沙堵塞和水草缠绕问题；测量的流速较传统流速仪更为准确。可以广泛应用于海洋调查、海洋学研究的海水流速、内陆河流流速剖面等水文要素的测量。声学多普勒原理应用于测量流速已经受到了人们普遍的认同。
论文详细介绍了声学多普勒剖面仪的硬件设计和软件开发，本文首先介绍了声学多普勒原理在流速测量中的应用，分析了自相关算法以及卡尔曼滤波用于流速测量的原理，搭建了硬件平台，详细阐述了各部分硬件结构的作用，并用软件编程实现了相关算法。通过实验达到了预期的实验目标，证明基于卡尔曼滤波和编码驱动的自相关算法较传统测量算法提高了测流精度。

关键字：声学多普勒  自相关  ADCP  卡尔曼滤波

研究内容
本课题旨在研制一个发射频率为1Mhz的声学多普勒剖面仪，用于测量不同环境下的流速，要求实现硬件平台的搭建以及上下机的通信，由于水声信号是个很复杂的信号，要求硬件电路必须有很强的抗干扰能力。
本课题的研究内容主要分为数字电路发射部分和模拟电路接收部分，其中数字电路发射部分实现信号的采集，基于编码的自相关算法和卡尔曼滤波设计；模拟接收部分包括信号的选频放大、自动增益控制、时间增益控制、混频、滤波等并最终得到测量数据。
通过对声学多普勒原理的分析和研究，设计了能够满足系统测量精度要求的硬件电路和软件算法。
在硬件方面：设计了基于以STM32F407为核心的硬件电路，以及温度测量模块和其它外围电路。使用多个宽带高频放大器实现信号的放大电路的设计用来滤出特定频率信号，并完成了相关的调试工作。在软件方面:利用KEIL开发环境编写了STM32F407的算法设计，实现了上下机的数据传输过程，并制订了实验的数据传输协议。

论文结构安排
本论文共分为六章，具体结构安排如下：
第一章：绪论。介绍了声学多普勒流速剖面仪的研究背景和国内外发展现状以及本课题的研究内容和论文结构安排。
第二章：介绍了声学多普勒测量流速的原理。包括多普勒效应以及多普勒频移的计算方法等。
第三章：介绍了1Mhz声学多普勒流速剖面仪的系统设计的总体方案，对各部分进行模块划分明确设计思路。
第四章：详细介绍硬件电路的设计。以及硬件平台的搭建，分析了各部分硬件电路的作用。
第五章：软件程序的设计。介绍了编码电路、自相关算法和卡尔曼滤波的编程思想，并介绍了传输信息格式，并对实验结果进行分析。
第六章：硬件调试以及实验数据分析。介绍了硬件调试过程以及各部分波形图，对实验数据进行分析。
第七章：总结与展望。对论文的工作进行概括性总结，提出其不足，并指出进一步的工作方向。