21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。隨著陸地資源的日益枯竭,人類對海洋環(huán)境的探測研究以及對海洋資源的開采利用日益重視。我國是一個(gè)海洋大國,發(fā)展用于海洋探測的水下聲學(xué)技術(shù)對于國家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)都有著重要的意義。其中,拖曳聲吶陣列系統(tǒng)作為運(yùn)用聲波探測的代表性設(shè)備之一,被廣泛運(yùn)用于水下目標(biāo)識別、海洋油氣資源開發(fā)等領(lǐng)域。拖曳聲吶陣列系統(tǒng)在勘探作業(yè)時(shí),具有實(shí)時(shí)勘探采集數(shù)據(jù)量大,持續(xù)作業(yè)時(shí)間長的特點(diǎn),這些特點(diǎn)對于作為數(shù)據(jù)錄取過程最后一環(huán)的數(shù)據(jù)錄取子系統(tǒng)的性能提出了較高要求。針對上述需求,本文對數(shù)據(jù)錄取子系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析和研究,完成了可靠性較高的數(shù)據(jù)錄取子系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文主要的研究內(nèi)容與完成的工作包括以下幾個(gè)方面:1.介紹了拖曳聲吶陣列探測系統(tǒng)的工作原理;分析了船上系統(tǒng)、水下系統(tǒng)的功能與各組成模塊。根據(jù)聲吶系統(tǒng)對數(shù)據(jù)錄取性能和可靠性的需求提出了數(shù)據(jù)錄取子系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案,分析了待解決的關(guān)鍵技術(shù)。2.根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo),綜合比較各方案,設(shè)計(jì)了錄取系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集卡。選擇專用PCI芯片控制DMA傳輸與外置FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存相結(jié)合的方案設(shè)計(jì)了PCI板卡;開發(fā)了與水下系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的濕端模塊;設(shè)計(jì)了具有兩級切換控制的高速數(shù)據(jù)采集卡備份電路,實(shí)現(xiàn)了采集卡命令、數(shù)據(jù)傳輸通路的備份。3.根據(jù)上位機(jī)的功能需求與性能指標(biāo),基于Qt搭建了上位機(jī)軟件。通過QThread多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對拖纜系統(tǒng)工作控制,對上傳數(shù)據(jù)檢測錄取顯示,對數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)等多個(gè)任務(wù)的并行執(zhí)行;通過Qwt與QCustom Plot實(shí)現(xiàn)波形、信息狀態(tài)顯示;通過雙層乒乓結(jié)構(gòu)映射文件技術(shù)實(shí)現(xiàn)水聲數(shù)據(jù)持續(xù)存儲(chǔ);實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對數(shù)據(jù)錄取系統(tǒng)傳輸通路在故障狀態(tài)下的備份切換控制。4.分析水下數(shù)據(jù)幀在上傳過程中可能產(chǎn)生的差錯(cuò)情況,包括數(shù)據(jù)字節(jié)、包、幀的缺失以及傳輸過程中數(shù)據(jù)信息改變的情況;在高速數(shù)據(jù)采集卡中實(shí)現(xiàn)了對幀結(jié)構(gòu)性缺失錯(cuò)誤情況的檢測與處理;在上位機(jī)中,依據(jù)數(shù)據(jù)幀中電子艙狀態(tài)信息與CRC校驗(yàn)比對結(jié)果,對數(shù)據(jù)信息傳輸改變錯(cuò)誤進(jìn)行檢測與處理。5.對數(shù)據(jù)錄取子系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和外場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄取速率實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄取性能;通過電子艙節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生模擬差錯(cuò)數(shù)據(jù)上傳,驗(yàn)證了PCI卡與上位機(jī)對差錯(cuò)數(shù)據(jù)檢測與處理功能;測試了濕端備份通路切換功能。在外場實(shí)驗(yàn)中,通過一周烤機(jī)測試與在渤海海域的海上實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了數(shù)據(jù)錄取系統(tǒng)的各項(xiàng)功能及系統(tǒng)持續(xù)工作的可靠性。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH766
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論示了水下莫爾斯電碼通訊，并使用水聲定位技術(shù)發(fā)現(xiàn)了距離約 3 公里外的一座冰山。第一次世界大戰(zhàn)期間，探測敵方潛艇的迫切需求促使了聲吶技術(shù)的快速發(fā)展1915 年下水的英國海軍 H 級潛艇裝備了 “費(fèi)森登振蕩器”（ Fessendeoscillator），如下圖 1-1（a）所示。它是一種早期的水聲換能器，能夠產(chǎn)生水下聲信號，并且接收拾取他們的回聲。隨后，人們開始使用壓電式以及磁致伸縮式水聽器取代了靜電式水聽器。到 1918 年，英國已經(jīng)完成了由壓電石英晶體材料制成的世界上第一種實(shí)用主動(dòng)聲學(xué)探測設(shè)備“反潛探測器”（ASDIC）原型機(jī)的研制，并于 1922 年開始量產(chǎn)，裝備在皇家海軍軍艦上。ASDIC 的顯示部分如下圖 1-1（b）所示。20 世紀(jì) 30 年代，美國水聲技術(shù)取得許多重要進(jìn)展，許多重要現(xiàn)象和原理，如海水中的溫躍層，被發(fā)現(xiàn)。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了對抗德國潛艇的巨大威脅，同盟國投入更多的資源加強(qiáng)水聲技術(shù)的研究，用于聲吶系統(tǒng)的新材料和新技術(shù)迅速發(fā)展起來。美國人開始使用英文單詞“Sonar”作為相關(guān)設(shè)備的專有名詞。壓電效應(yīng)材料磷酸二氫銨（ADP）晶體徹底取代了老式磁致伸縮

1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.3.1 軍用領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀聲吶系統(tǒng)是水面艦艇探測水下威脅的主要手段，聲吶更是潛艇在水下安全航行以及完成攻擊的重要保證。世界海軍強(qiáng)國都投入了大量資源用來研究開發(fā)艦用、潛用拖曳聲吶陣列技術(shù)和裝備[27]。在未來的海上戰(zhàn)場上，穩(wěn)定、高可靠的聲吶系統(tǒng)將發(fā)揮越來越重要的作用。美國目前裝備水面艦艇最廣泛的聲吶系統(tǒng)是阿利伯克級驅(qū)逐艦上裝備的AN/SQQ-89(V)聲吶系統(tǒng)，它由 SQS-53C 型艦艏聲吶（如圖 1-2a 所示）與AN/SQR-19 拖曳聲吶陣列組成。該聲吶陣列長約 250 米，拖纜總長約 1700 米，拖曳深度超過 350 米[28]，是目前世界上經(jīng)受過實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)的最先進(jìn)的被動(dòng)戰(zhàn)術(shù)拖曳陣聲吶。如圖 1-2（b）所示，在阿利伯克級驅(qū)逐艦尾部有 AN/SQR-19 型拖曳聲吶陣列纜體釋放口。

第 1 章 緒 論統(tǒng)由 AN/BQS-13DNA 艇殼主/被動(dòng)球形聲吶、AN/BQR-20 艇艏基陣和 TB-16 拖曳水聽器陣列組成，目前最新的型號為 E 型，它采用了數(shù)字最多波束控制技術(shù)（Digital Multibeam Steering，DIMUS），更新了 TB-29 型新型細(xì)線拖曳基陣[31]。在AN/BQQ-5系列聲吶發(fā)展而來的AN/BQQ-10系統(tǒng)在提升了性能的同時(shí)采用了開放式系統(tǒng)架構(gòu)（Open System Architecture，OSA），通過使用許多成熟商用部件（COTS）使系統(tǒng)的兼容性、可移植性、可維修性大幅提升，并顯著減低了成本[32]。除了傳統(tǒng)的球形，圓柱形聲吶基陣，俄羅斯最新型的“阿穆爾”級柴電潛艇則裝備了先進(jìn)的艇艏共形陣聲吶，如下圖 1-3（a）所示。該種設(shè)計(jì)使聲吶基陣與外部殼體形狀一致，增加了基陣孔徑，擴(kuò)大了搜索范圍。近年來國外海軍還進(jìn)一步開發(fā)出了舷側(cè)陣聲吶。舷側(cè)陣聲吶布置在艇體兩側(cè)，具有不過多的占用艇內(nèi)空間，無需復(fù)雜機(jī)械收放機(jī)構(gòu)，沒有陣形畸變，不存在空間兩重性，擁有更好的探測性能等優(yōu)點(diǎn)[33]。下圖 1-3（b）展示了英國最新的“機(jī)敏”級攻擊型核潛艇上安裝的 2076 型聲吶系統(tǒng)中的寬孔徑舷側(cè)陣聲吶。
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本文編號：2840353