21世纪是海洋的世纪,随着中国强海之路的发展,必然对海洋智能仪器提 出更高的要求。而ADCP作为海洋智能仪器中的典型代表将重点发展。本文的 研究内容来自国家863项目海洋监测技术主题多参数海洋监测浮标的子课题。 本文的主要任务是验证了一种新的测呈多普勒频移的方法,并且对将该方法应巧 到ADC巧声学多普勒流速剖面仪)系统进行测量的可行性进行了研巧,该测量方 法是整个ADCP系统的核必。 ADCP(AcousticDopplerCurrentProfilers)声学多普勒流速剖面仪是目前国际 上最先进、最流行的测里流速的设备,给水文工作者、环境保护部口、±木水利 工程项目都带来了很大的方便。近年来,随着嵌入式技术的快速发展,我国对声 学多普勒流速剖面仪取得了很大的成果,在实时性、快速处理方面取得了不错的 成绩;但是目前我国还没有一款用作商业用途的ADCP,因此开发稳定、可靠、 灵活的商业用途的产品迫在盾睫。 本文最后进行了初步实验验证,对接收波形和理论波形进行了对比,验证了 报告所提出数学模型的可行性,并且分析指出本系统存在的缺点和今后研究方 向。 本文的主要工作和创新点包括1^下几个方面 1.分析了基于多普勒效应的ADCP测量原理。将验证的测量多普勒频移的 方法应用到ADCP系统中。该测虽方法能够减少水下噪声对测里信号的影响。 2.系统在经过理论验证之后给出了系统建模的方法,并且验证了这个新型 ADCP系统的可行性和可靠性。该数学模型简化了电路设计,提奋了后续电路处 理的灵活性。 3.发射电路的设计。发射电路采用了DDS谊接数字合成巧术,该技术可 W产生复杂频率的扫频信号,方便精确控制步进频率和步进频率的扫描时间,满 足本文对发射信号的要求。 4.接收电路设计。接收电路采用了一个复杂的集成谐振电路,这样巧化了 电路结构,更重要的是送种紧凑的结构能够提髙信号的信噪比。 关键訊ADCP;多普巧效应;DDS;扫巧巧号;巧巧TheFeas化ilityS化dyofaNewADCPMathematicalModel Abstract The21StcenUiryis化ecenturyofocean.With化edevelopmentof化eroadof化e powerfulocean,itisboundtoputforwardhigherrequirementstotheoceanofintelligentinstruments.Themaincontentofthisstudyisderivatedfrommarinemonitoring technology,whichisapartof化eproject,multi-parame化rmarineenvironmentdet- ectionbuoyunderChinanational863programs.Themaintaskof化ispaperisto verifyanewme化odformeasuring化eDopplerShiftandU)study化efeas化ilityof measuringwhichcanbeappliedtotheADCP(AcousticDopplerCurrentProfiler) sys化m.Thenewmeasurementmethodisthecoreof化isADCPsys化m. ADCP(AcousticDopplerCurrentProfiler)isl:hemostadvancedflowvelocity measurementequipmentintheword.Atthesametime,theprojectshavebrought greatconvenienceto化ehydrologists,environmeinalpro化ctiondepartments,civil andhydra山icengineering.Inrecentyears,with化erapiddevelopmentofembedded 化chnology,China'sAcousticDopplerCurrentProfilerhasmadegreatachievemen化, andachievesgoodresultsinreal-timeandfastproce巧ing.B山nowourcountryhas notownedtheADCPwhichcanbeusedinthecommercialapplication,soit量5 imminent化developl:hestable,reliableandflexiblebusiness-useproducts. Thisarticlefinallyhascarriedon化epreliminaryexperimentalverification.Wi化 comparingthereceivedandtheoreticalwaveforms,itveri巧esthefeasibilityofthe proposedmathematicalmodelofthepaper,andpointsouttheshortcomingsofthe systemandthefutureresearchdirections. Thisdissertationachievesthefollowingmainworkandinnovativepoints: 1.Analy之ing化eprincipleofADCPmeasurementbasedonDopplereffect.It appliestheverifiedmeasuringDopplerShifttothesystemADCP.Thisme化od canreducetheinfluenceoftheunderwaternoiseonthemeasuredsignal. 2.Thesystemgaveamethodofsystemmodelingafter化eoryvalidation,and verified化ereliabilityandfeas化ilityof化enewADCPsystem.Themathematical modelsimplifiescircuitdesignanditimprovestheflexibilityofthesubsequent circ山t3.Designofthetransmittingcircuit.ThetransmittercircuitusesaDDS(direct digitalsynthesis)technologywhichcanproducecomplexchirpsignal.Itcan preciselycontrolthesteppingfrequencyanditssweeptime.Thisisju巧化meettherequirementsofthetransmittedsignalinthispaper. 4.Designofreceivingcircuit.Thereceivingcircuitadoptsacomplex integratedresonantcircuitsothatitsimplifiesthestructureofthecircuit.What,s importantisthatthiscompactstructurecanimproveSNR. Keywords:ADCP;DopplerEffect;DDS;ChirpSignal;FrequencyDeviation目录 第1章绪论 1 1.1ADCP系统的作用和研究意文 1 1.2ADCP技术的发展和国内外研究状况 2 1.2.1ADCP技术的发展 2 1.2.2国外研究情况 2 1.2.3国内研究情况 5 1.3ADCP分类 6 1.3.1底座式ADCP 7 1.3.2悬浮式ADCP 8 1.3.3走航式ADCP 8 1.3.4拖曳式ADCP 9 1.3.5横向固定安装的ADCP 9 1.4嵌入式系统设计 10 1.5本章小结 10 第2章ADCP的測量原理及坐标变换 11 2.1声学测速原理 11 2.2ADCP的测量原理…多普勒效应 11 2.2.1超声波传感器的原理 14 2.2.2ADCP的分层原理 15 2.2.3波束倾斜角度和流速剖面之间的关系 17 2.4ADCP系统测流的局限性 18 2.5ADCP坐标变换 19 2.5.1波束坐标到仪器坐标的转换 19 2.5.2仪器坐标到大地坐标的变换 21 2.5.3坐标转换过程中的误差分析 23 2.6水下噪声与声波传播损耗 23 2.6.1水下噪声 23 2.6.2声波传播损耗 24 2.7多径效应 25 2.8本章小结 25 第3章ADCP系统巧学棋型的连立 27 3.1ADCP系统发射信号设计 27 3.2接收信号分析与处理 28 3.2.1自相关函数 28 3.2.2数学模型的参数校准 2933散射体距离和流速的计算 30 3.3.1散射体距离的计算 30 3.3.2散射体速度的计算 31 3.4超声波传播速度的校正 32 3.4.1影响超声波水下传播速度的因素 32 3.4.2起声波速度的校正 33 3-4本章小节 33 第4章ADCP系统的实验电路设计 34 4.1ADCP系统的组成 34 4.2传感器的选型 34 4.3发射电路设计 35 4.3.】DDS的基本原理 % 4.3.2基于DDS技术的AD9959的功能 36 4.3.3发射电路流程图设计 37 4.4接收电路设计 % 4.4.1接收电路设计流程图 38 4.4.2—个通道的接收电路设计 39 4.4.3自相关解调电路设计 40 4.4.4接收电路的参数校准 41 4.5AD采样 42 4.6实验结果 43 4.7本章小结 45 第5章总结与展望 46 5.1本文的主要作用和贡献 46 5.2展望和研究 46