【摘要】：21世紀(jì)是面向海洋的時(shí)期,世界部分國家都面對海洋資源蓄勢待發(fā),這也面臨海洋安全的問題。走向遠(yuǎn)洋需要精確的導(dǎo)航與定位技術(shù),其中多普勒計(jì)程儀在艦船、水下潛器定位導(dǎo)航中起著重要的作用。多普勒計(jì)程儀相較于其他導(dǎo)航設(shè)備,具有高精度、作用距離遠(yuǎn)、防電磁干擾等特性。多普勒計(jì)程儀在軍事和民用方面都有廣泛的應(yīng)用,設(shè)備的高精度,集成化小型化,是多普勒計(jì)程儀發(fā)展方向�；诖吮尘�,本文首先介紹了多普勒測速的現(xiàn)象,以及在測速原理中的問題和解決辦法。介紹了相控陣在多普勒測速過程中的優(yōu)勢。從而對多普勒計(jì)程儀的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)。根據(jù)聲吶系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求,通過方案論證,給出了發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、數(shù)字信號處理機(jī)的電路設(shè)計(jì)方案。其中發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)包括邏輯電路、驅(qū)動(dòng)芯片電路、D類功放電路、變壓器設(shè)計(jì)以及儲能電容選擇。接收機(jī)的設(shè)計(jì)包括放大電路、波束形成電路、可變增益電路以及濾波器。數(shù)字信號處理機(jī)主要是三片TI公司C5000系列DSP芯片配置電路以及一片Altera公司MAX7000A系列CPLD芯片邏輯控制電路進(jìn)行了闡述。為了能夠驗(yàn)證硬件系統(tǒng)整機(jī)性能,設(shè)計(jì)了模擬器的信號衰減電路及功率衰減電路。最后對所完成硬件電路進(jìn)行了電路性能指標(biāo)測試以及整機(jī)性能的水池測試實(shí)驗(yàn)。測試結(jié)果滿足預(yù)期技術(shù)指標(biāo)要求。
【圖文】：

聲波是人類目前發(fā)現(xiàn)的在海水中遠(yuǎn)程傳播的有效途徑，聲吶概念的應(yīng)用可以追溯一次世界大戰(zhàn)。第一次大戰(zhàn)前期，英國海軍的 Lewis Nickerson 應(yīng)用了聲吶技術(shù)，是利用聲吶去探測冰山，以免與之相撞。一戰(zhàn)時(shí)，海軍利用接收回波的特性來檢測藏在海底的潛艇，并且測量距離特征。當(dāng)時(shí)聲吶只能被動(dòng)的聽聲，屬于被動(dòng)聲吶，稱為“水聽器”。后來法國物理學(xué)家保羅蘭格文與俄國電氣工程師西洛夫斯基兩人發(fā)明了主動(dòng)的聲吶設(shè)備，推動(dòng)了主動(dòng)聲吶技術(shù)的進(jìn)步。那時(shí)的主動(dòng)聲吶設(shè)備是通過變換器實(shí)現(xiàn)聲音發(fā)射與接收，雖然后來這種換能器被淘汰，但是主動(dòng)聲吶技術(shù)思想至今。在一戰(zhàn)時(shí)期，人們意識到聲吶技術(shù)的先進(jìn)性決定著一場海上戰(zhàn)爭的勝利與這樣的環(huán)境下，西方國家開始了對聲吶技術(shù)的研究，，大大的促進(jìn)了海洋聲吶設(shè)備在領(lǐng)域的發(fā)展。聲吶設(shè)備在軍事上應(yīng)用是多種多樣的，例如進(jìn)行水下監(jiān)視，目標(biāo)探測蹤，水下導(dǎo)航定位等，保障艦艇、潛艇、反潛飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)安排和水下武器的使用[3隨著聲學(xué)測速技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一批聲吶設(shè)備，例如其中較典型的多普勒計(jì)程Doppler Velocity log，DVL）得到了大量的運(yùn)用[4]。目前已應(yīng)用在多種載體上，包下航行器、潛艇、水面艦艇等，如圖 1.1 所示。多普勒計(jì)程儀為載體提供速度信合慣導(dǎo)/羅經(jīng)等設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的導(dǎo)航與定位服務(wù)[5]。

使測速性能得到了提升，此時(shí) Brumley 等研究人員對寬帶測速方式性能進(jìn)行了研究，并且與之前窄帶測速方式進(jìn)行了對比分析[10]。與窄帶測速方式相較，寬帶測速方式具有很多的性能優(yōu)勢，例如測速的精度較高以及距離分辨力強(qiáng)等方面。缺點(diǎn)是由于帶寬的增大，會(huì)引入較大的噪聲，從而使其的作用距離變短。從上世紀(jì) 90 年代開始，相控陣技術(shù)被帶入到聲學(xué)測速產(chǎn)品中，從而多普勒計(jì)程儀進(jìn)入相控陣與常規(guī)陣共存的時(shí)代。相控陣多普勒計(jì)程儀具有很多的優(yōu)勢：（1）換能器的尺寸小，安裝方便；（2）由于相控基陣的特殊工作方式，無需進(jìn)行聲速補(bǔ)償；（3）平面陣，不易附著海洋生物；（4）波束窄，較高空間分辨率。主要的缺點(diǎn)：測速精度受波束形成、一致性的影響較大。進(jìn)入 21 世紀(jì)，多普勒計(jì)程儀產(chǎn)品愈來愈得到各國的重視，已形成了多系列商業(yè)化優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品可供選擇，目前主要有美國加利佛尼亞州的 TRDI 公司、挪威 Nortek 公司研制的多普勒設(shè)備等，這兩個(gè)公司的多普勒測速設(shè)備占據(jù)了市場大部分份額，相較于其他公司設(shè)備而言，具有很好的性能。其中 TRDI 公司 DVL 的研制起步較早，生產(chǎn)的設(shè)備因其測速性能高、產(chǎn)品系列完善在世界軍事與民用方面占有率最高，形成了強(qiáng)大的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前主流 DVLs 產(chǎn)品有四大系列：（1）Explorer DVL；（2）Pathfinder DVL；（3）PioneerDVL；（4）Workhorse Navigator DVL，如圖 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U666.7

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9 李宏U

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