水声信号数据采集与处理的关键技术研究

论文摘要

本文以“某港口航道水深适时监测技术研究”项目为背景,针对港口水深测量系统中发射的水声信号,采用基于GPS时间同步技术、以MCU+FPGA为核心控制单元的设计方案,设计了一套适用于工程实际的水声信号数据采集与处理系统。该系统作为港口航道水深适时监测技术的重要部分,具有极为重要的意义。水声信号数据采集控制的核心是FPGA,时序电路的设计采用VHDL语言实现。主要任务是控制ADC与FIFO的工作时序相互配合,实现水声信号的高速采集与存储。该数据采集系统位于港口航道的一侧,水声信号的发射端位于港口航道另一侧,在同步技术方面,系统使用GPS技术来实现。发射换能器和数据采集与处理系统的处理器同时读取GPS的时间信息,到达预设时刻时,水声信号发射端和数据采集系统同时启动,实现对水声信号的异地同步采集。水声信号数据的算法处理是由单片机实现的。数据采集完成之后,单片机读取FIFO中的数据,并对其作信号的短时能量分析,判断出水声信号的起始点,然后将水声信号的有效数据和水声信号起始点的位置通过VHF发送到上位机。实验测试证明,本文设计的数据采集与处理系统在采样率为4MHz时工作稳定可靠,功耗低,测量精度高,具有较强的实用性,在水声信号的采集与处理方面有着广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 数据采集与处理的发展及研究现状
• 1.3 系统的性能分析和技术指标
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 1.5 小结
• 第2章 系统的总体设计
• 2.1 系统硬件的总体设计方案
• 2.1.1 系统硬件设计框图
• 2.1.2 主要模块功能说明
• 2.2 系统软件的总体设计方案
• 2.3 本章小结
• 第3章 GPS同步模块的设计
• 3.1 各种同步授时方法的比较
• 3.2 GPS同步原理
• 3.3 GPS同步授时模块的设计
• 3.3.1 GPS同步授时模块的硬件设计
• 3.3.2 GPS同步模块的软件设计
• 3.3.3 高精度定时模块的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 数据采集与处理模块的设计
• 4.1 系统的硬件设计
• 4.1.1 单片机控制电路
• 4.1.2 FPGA电路
• 4.1.3 A/D转换电路
• 4.1.4 FIFO存储器电路
• 4.1.5 VHF无线通信电路
• 4.2 系统的软件设计
• 4.2.1 单片机程序设计
• 4.2.2 FPGA时序电路设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 水声信号数据的处理
• 5.1 水声信号数据处理的任务
• 5.1.1 水深计算原理
• 5.1.2 数据处理的目标
• 5.2 水声信号的短时能量分析
• 5.2.1 短时能量的定义
• 5.2.2 短时能量法的信噪比分析
• 5.2.3 短时能量分析的实现
• 5.3 本章小结
• 第6章 系统性能测试及误差分析
• 6.1 实验方案设计
• 6.2 实验测试结果
• 6.3 误差分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历