声传感基阵水下测距及信息传输系统研究

摘要

水下超声波测距和水声通信在当代海洋资源开发中发挥着重要作用,海底资源勘探、水下地形测绘都离不开超声波测距技术,而在水下环境中实现测量数据的传递和交流具有重要意义。　　声波信号在水介质中会产生衰落和多途传输,如何在带宽有限的水下声信道进行有效功率匹配和传输指向性控制是水下系统信号传输的关键。本课题根据水声换能器的信号传输特点,探讨一种适合水声信道传输的基阵结构,通过对声传感基阵特性仿真,研究水声传感阵列在水下信号传输机理和应用优势,解决水信道衰落和多途效应问题,获得可靠的技术实现,为水下测量与数据通信需求提供参考依据。　　本文主要研究工作有以下几方面:　　(1)介绍了目前水下测距和水下通信的技术手段和发展概况,并对各个技术进行对比分析。　　(2)研究海洋中声波的特性和水声信道的特点,分析海水中声速分布及对系统的影响,海水中声波吸收的机理,海面、海底对声波传输的影响,海洋浅海多途效应形成的原因及应对方法。　　(3)研究水声换能器及换能器阵列的特性,探讨基阵结构的相关参数,利用MATLAB对基阵的指向性进行优化仿真,为超声波测距和水声通信发射端的设计提供依据,分析换能器基阵的驱动原理,设计性能良好的基阵驱动电路。　　(4)完成系统的软硬件设计,搭建实验测试平台。主要包括超声波接收电路和水声通信收、发端设计,调制方式的选择;以STC12C系列单片机为核心,编写超声波测距和水声通信相关程序。在室外开阔水域对系统进行联调,对系统性能进行测试。　　测试结果表明,采用阵列传感方式可适当控制发射指向性和辐射声功率,增加水下信号传输距离,完成水下测距数据的传输。在一定程度上抑制多途效应,提高了系统的抗干扰能力,具有较高的实用价值。

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第一章 绪论

§1.1研究背景及意义

§1.2水下测距及传输系统的现状和发展

§1.3论文结构

第二章 水声信道特性与传输原理

§2.1 海洋的声学传输特性

§2.2浅海水声信道特点

§2.3 本章小结

第三章 水声换能器阵列指向性分析与仿真

§3.1 水声换能器概述

§3.2 基阵指向性仿真与分析

§3.3 本章小结

第四章 系统设计与实现

§4.1系统总体方案设计

§4.2基阵驱动电路的分析与设计

§4.3水下测距部分的设计

§4.4水下传输部分的设计

§4.5 本章小结

第五章 实验测试与分析

§5.1实验系统组成

§5.2水下超声波测距测试

§5.3水下数据传输测试

§5.4 室外测试

§5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果