挖泥船用超声波测深仪研究

论文摘要

挖泥船在疏浚过程中需要经常测量河道、湖泊等作业现场的深度,从而进行挖泥船工作效果和工作量的评估。传统测深工具针对的主要是水域较清澈,深度较大的测深环境,一般不大适用挖泥船的作业环境如深度较浅、水域较浑浊和悬浮物众多等等。因此挖泥船作业水域测深,除了常规的干扰外,还要考虑另外两个因素,一个是水域混浊和悬浮物造成的假回波;一个是较浅水域造成的多次回波以及较浅水域到深水域的适应性。总的来说挖泥船作业水域测深不仅仅是抗干扰的问题,而且是真假回波的甄别问题。目前市面尚无针对挖泥船以及类似工作环境而开发的测深仪。基于这一情况,研究了挖泥船作业水域的水文特性和在各种特殊环境下回波的特性,针对这些特性设计了相应的时间延迟估计算法,提出利用最小方差对回波进行甄别的思想,通过考察回波包络与参考回波包络的相似度来确定真正的回波,该方法有效地提高了挖泥船作业环境下深度测量的准确度和稳定度。最后课题进行了超声波测深仪的设计,试验证明该测深仪器在挖泥船作业水域或者是类似水域中有比较好的适应性。论文主要章节安排如下:第一章论述了目前国内外超声波测深技术的现状和发展,着重对挖泥船或者是类似工作环境下超声波测深现状进行了考察。简要介绍了超声波时间延迟估计的现有理论,初步分析了挖泥船作业水域的水文特点以及测深难点,同时对挖泥船作业水域测深的现状进行阐述。第二章论述了超声波的性质以及产生、超声波测深过程以及收发波的基本特性,分析了挖泥船工作水域的水文特性以及该水域的特殊情况对超声波测深的影响,最后根据前面分析给出了测深仪的总体设计。第三章从现有时间延迟估计理论的优劣出发,详细地论述了自适应时间延迟估计理论以及其在挖泥船作业水域进行时间延迟估计的优势。在分析了挖泥船工作环境以及自身特点的情况下,设计了适合本课题的自适应时间延迟估计算法。为了形象地验证算法的效果,进行了相应的仿真。第四章讲述了挖泥船用超声波测深系统的硬件设计,详细阐述了收发电路、控制电路的组成、设计、作用以及电气系统的防干扰处理。第五章对本系统的软件进行了设计,对该软件进行了功能模块设计,其中特别详细的介绍了算法的实现。为了进一步加强系统抗干扰能力,在软件上进行了抗干扰设计。第六章,利用本课题设计的测深算法和常规测深方法进行对比试验,验证了该测深仪器在挖泥船作业水域的可靠性。第七章对研究工作进行总结,提出自己的进一步想法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 综述
• 1.1 常规超声波测深的现状和发展
• 1.1.1 超声波测深硬件发展
• 1.1.2 时间延迟估计
• 1.2 挖泥船用超声波测深现状
• 1.3 论文选题的目的及内容
• 第2章 挖泥船用超声波测深仪的总体设计
• 2.1 超声波测深的基本原理
• 2.1.1 超声波的性质及产生
• 2.1.2 超声波测深的过程
• 2.1.3 发射波特征
• 2.1.4 接收波特征
• 2.1.5 渡越时间估计方法
• 2.2 挖泥船超声波测的深共性与特殊性
• 2.2.1 超声波水下传播一般规律
• 2.2.2 挖泥船测深的特殊性
• 2.3 挖泥船用测深仪的总体设计
• 第3章 挖泥船用测深仪时间延迟估计算法的研究
• 3.1 时延估计方法
• 3.2 自适应时间延迟估计
• 3.2.1 基于LMS的自适应滤波
• 3.2.2 LMSTED算法
• 3.3 本系统LMSTDE设计
• 3.3.1 延时范围约束
• 3.3.2 减少数据采集量
• 3.3.3 硬件上的要求
• 3.3.4 算法总结以及其物理意义
• 3.3.5 算法仿真
• 第4章 超声波测深系统的硬件设计
• 4.1 超声波发射电路
• 4.1.1 可控震荡电路
• 4.1.2 信号调理和功率放大电路
• 4.1.3 阻抗匹配设计
• 4.2 超声波接收电路
• 4.2.1 收发转换电路与输入电路
• 4.2.2 选频放大电路
• 4.2.3 回波包络生成电路以及回波电平产生电路
• 4.3 控制系统
• 4.3.1 系统控制电路和数据采集电路
• 4.3.2 键盘显示及通讯电路
• 4.4 电气防干扰措施
• 第5章 测深系统软件设计
• 5.1 测深仪软件总体设计
• 5.2 测深仪软件各个模块的设计
• 5.2.1 测量过程的实现
• 5.2.2 键盘处理程序
• 5.2.3 人机交互界面设计
• 5.2.4 时间延迟估计的实现
• 5.2.5 通讯实现
• 5.3 软件防干扰
• 5.3.1 看门狗抗干扰
• 5.3.2 软件抗程序跑飞
• 5.3.3 程序跑飞处理
• 第6章 试验与分析
• 6.1 试验条件介绍
• 6.2 试验过程及结论
• 第7章 总结及展望
• 7.1 课题总结
• 7.2 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 附录B