收发一体式短脉冲陆用多普勒计程仪的研究与实现

论文摘要

根据多普勒效应研制的利用超声波测速的精密仪器叫做多普勒计程仪,多用于测量船舶相对于海床或者水层的相对速度。近些年来对陆地惯性导航系统的精度要求不断提高,而其精度的提高需要提供被测载体的精确速度参数。鉴于多普勒计程仪在船舶上的成功应用,本论文提出研制应用于陆地载体的多普勒计程仪。本论文针对多普勒计程仪在陆地载体上应用的特点,围绕其信号处理系统的硬件解决方案以及软件算法的研究进行展开。本论文的工作也主要集中于三部分：数字信号处理系统和相关功能模块的硬件电路设计以及调试；根据所设计的硬件进行各功能模块的软件设计及实现；系统所采用的频率估计算法的研究。数字信号处理系统以TI公司的控制器TMS320F28335为核心。相关功能模块主要集中在脉冲的收发电路方面。对于发射脉冲部分,采用驱动芯片TPS28225为发射脉冲驱动器。对于脉冲的接收部分,由于回波信号微弱并且受噪声影响,采用两级程控放大以及一个带通放大器。各功能电路的软件部分同样集中在两个方面,即利用控制器中的PWM模块产生50KHz的方波信号,经驱动电路进行放大,并在换能器的匹配电路的选频作用下,发射出50KHz的正弦波信号,以及利用控制器中的IO管脚对程控放大器的放大倍数进行设定,并由控制器中的ADC模块对放大后的信号进行采样。回波频移的估计算法是影响测速精度的主要因素之一,过零法频率估计法、锁相环测频法、复相关频率估计法是目前较为常用的测频方法。经仿真得出复相关频率估计法的精度最高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.1.1 论文来源
• 1.1.2 陆用多普勒计程仪综述
• 1.1.3 国内外发展动态
• 1.2 本论文的主要工作
• 第2章 陆用多普勒计程仪测速原理及设计
• 2.1 超声多普勒测速原理
• 2.1.1 多普勒效应
• 2.1.2 多普勒效应的工程应用
• 2.1.3 詹纳斯配置
• 2.2 影响精度的因素与解决方法
• 2.3 本章小结
• 第3章 陆用多普勒计程仪设计方案
• 3.1 陆用多普勒计程仪的特点
• 3.1.1 连续式和间断脉冲式
• 3.1.2 波束的倾角
• 3.1.3 信号频率
• 3.2 陆用多普勒计程仪设计概述
• 3.2.1 硬件设计概述
• 3.2.2 软件设计概述
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于DSP的陆用多普勒计程仪硬件设计
• 4.1 电源部分
• 4.1.1 发射电路电源
• 4.1.2 控制器电源
• 4.2 处理器部分
• 4.2.1 TMS320F28335简介
• 4.2.2 复位电路设计
• 4.2.3 TMS320F28335外扩内存
• 4.3 脉冲收发电路
• 4.3.1 电声换能器
• 4.3.2 压电超声换能器与收发电路的阻抗匹配
• 4.3.3 脉冲驱动电路
• 4.4 A/D采样
• 4.5 其他功能电路
• 4.5.1 UART接口
• 4.5.2 时钟电路
• 4.5.3 JTAG仿真接口
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于复相关法的陆用多普勒计程仪软件设计
• 5.1 开发环境构建
• 5.1.1 CCS软件版本总结
• 5.1.2 CCS软件开发
• 5.2 系统软件设计
• 5.2.1 系统的启动加载程序设计
• 5.2.2 串口程序设计
• 5.2.3 PWM程序设计
• 5.2.4 ADC采样程序设计
• 5.3 频率估计法算法的研究
• 5.3.1 插值过零法估计频率
• 5.3.2 过零法算法仿真
• 5.3.3 锁相环测频法
• 5.3.4 复相关频率估计法
• 5.3.5 复相关频率法算法仿真
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文和取得的科研成果
• 致谢