海洋探测拖曳体海底高度测量系统设计

分类号：TH766单位代码：10183研究生学号：2008552035密级：公开吉林大学硕士学位论文海洋探测拖曳体海底高度测量系统设计Thedesignofthesubmarine-height-measuringsystemfortheoceanexplorationtowed作者姓名：张鹏专业：电力电子与电力传动研究方向：海洋电磁探测技术与装备指导教师：周逢道副教授培养单位：仪器科学与电气工程学院2010年6月海洋探测拖曳体海底高度测量系统设计Thedesignofthesubmarine-height-measuringsystemfortheoceanexplorationtowed作者姓名：张鹏专业名称：电力电子与电力传动指导教师：周逢道副教授学位类别：工学硕士答辩日期：2010年6月4日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊(光盘版)电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：□√硕士□博士学科专业：电力电子与电力传动论文题目：海洋探测拖曳体海底高度测量系统设计作者签名：指导教师签名：年月日联系地址(邮编)：吉林大学仪器科学与电气工程学院(130026)作者联系电话：[phone]内容提要可控源电磁探测（CSEM：ControlledSourceElectromagnetic）作为一种利用电磁波进行地球物理探测的方法广泛应用于矿藏勘探、航空和海洋等领域。海洋可控源电磁法经过长期的理论研究和实践的积累得到了长足的发展，在深海油气资源勘探开发中取得了巨大的成功。可控源电磁法在陆地进行探测时，地形环境可知，且可利用高度计方便的测出相对高度；而在海洋中，海底地形的不可知性，而且海洋对于电磁波的屏蔽，应用在陆地上的传统测高方式已经不再适用，故本课题旨在利用水声的方式将拖曳体距海底的实际高度精确测出。本文在考虑了海洋可控源电磁法的工作特点和工作环境，设计了一套适用于深海探测拖曳体的海底高度测量系统。本文的内容包括：系统的总体设计、系统各部分参数的计算、系统硬件部分的设计及完成、系统信号的数值仿真以及在实验室水池中完成的实验等部分。该系统的实现，解决了深海工作的可控源电磁系统的电磁发射源相对海底高度的测量的难题。关键词：海洋CSEM拖曳体单波束测距FPGAI目录第1章绪论............................................11.1海洋可控源电磁探测的原理及应用....................11.2海洋可控源电磁探测的特点..........................21.3海洋可控源电磁探测的国内外发展现状................21.4论文的研究内容与工作安排..........................4第2章高度测量系统基本原理.............................52.1声纳的定义.......................................52.2海水中声波的特性..................................52.2.1声波的物理特性................................52.2.2海水中的声速..................................62.2.3声波的传输损耗和混响..........................62.2.4海洋中的噪声..................................72.3主动声纳方程......................................82.4主动测距方法......................................92.4.1脉冲重复周期..................................92.4.2脉冲距离分辨力................................92.4.3最大测量距离.................................102.4.4最小测量距离.................................10第3章高度测量系统总体设计............................123.1高度测量系统总体框架.............................12II3.2水声换能器......................................123.3发射接收子系统...................................143.4主控子系统......................................143.4.1脉冲信号发生模块.............................143.4.1.1脉冲信号选择.............................143.4.1.2电路部分设计.............................163.5高度测量系统换能器参数计算.......................173.5.1传播损失TL..................................173.5.2目标强度TS..................................183.5.3海洋中的噪声NL..............................193.5.4接收指向性系数DI............................193.5.5检测阈DT....................................203.5.6声源级SL....................................203.6高度测量系统换能器参数的确定.....................21第4章主控子系统设计与实现............................224.1FPGA概述和系统编程环境..........................224.2VerilogHDL语言和FPGA编程流程...................224.3主控子系统的FPGA顶层设计........................254.4信号发生模块.....................................264.4.1DDS基本原理.................................264.4.2CW脉冲信号查找表的产生......................27III4.4.3CW脉冲信号的产生............................284.5计时模块设计.....................................294.6计算模块设计.....................................304.7主控子系统总体仿真...............................334.7.1主控子系统仿真分析...........................334.7.2CW脉冲信号的平滑处理........................344.8高度测量主控子系统误差分析.......................354.8.1主控子系统计时误差...........................354.8.2主控子系统声速误差...........................364.8.3主控子系统理论误差...........................37第5章发射和接收子系统设计与实现......................385.1高度测量接收子系统设计...........................385.1.1高速DA转换电路...............................385.1.2换能器匹配电路...............................405.2高度测量接收子系统设计...........................415.2.1收发转换开关.................................415.2.2鉴频电路.....................................425.2.3接收电路具体设计.............................43第6章系统总体仿真与实验室水池实验....................446.1高度测量系统的换能器指向性.......................446.2换能器接收回波信号仿真...........................44IV6.2.1回波信号产生.................................446.2.2采样信号产生.................................456.2.3高度测量系统仿真流程.........................466.2.4高度测量系统仿真.............................476.3高度测量系统实验室水池实验.......................486.3.1实验室水池实验布局...........................486.3.2发射子系统输出波形...........................496.3.3换能器输出的波形.............................496.3.4换能器接收回波信号波形.......................506.3.5回波信号仿真与实验结果波形对比...............51第7章全文总结及进一步工作建议........................527.1全文总结........................................527.2对进一步工作的建议...............................53参考文献...............................................54致谢...................................................II摘要....................................................IABSTRACT..............................................III导师及作者简介.........................................VI第1章绪论1第1章绪论1.1海洋可控