小平台剖面声纳的信号处理技术研究

论文摘要

近年来,随着海洋资源开发和民用堤坝安全检测技术的发展,对高分辨率剖面声纳的需求越来越迫切,作为水下探测的重要手段,高分辨率剖面声纳在水库、航道测淤、堤坝管涌空洞检测、海底油气管线定位、海底浅地层分层、沉船等水下掩埋物体探测等领域发挥着重要作用。同时,当前浅地层剖面声纳多为大型拖曳式探测方式,为了使得剖面声纳能够近距离探测目标区域,减小剖面声纳系统体积、重量使其搭载水下机器人等小平台可以作为水下目标探测的重要手段。本文以国家“863计划”“堤坝安全检测水下机器人”与“海底石油管线外检测”项目中两型小平台高分辨率剖面声纳系统设计与实现为主要应用背景开展的。提出了一种基于IP互连的分布式并行声纳信号处理系统,并围绕系统的设计与实现展开了一系列信号处理技术的研究工作。主要研究内容包括:并行处理系统的性能分析研究,并行互连拓扑网络结构研究,基于交叉开关的二维环网结构研究;在上述并行处理互连网络研究的基础上,进行了多DSP节点的剖面声纳并行处理系统的设计与实现研究,提出适合该系统结构的任务并行处理策略;然后,在剖面声纳信号分析的基础上,针对线性调频脉冲压缩的影响因素、脉冲压缩的旁瓣影响问题进行了研究,提出了将组合窗与谱修正相结合的加权处理方法。最后,以所设计的两型小平台剖面声纳根据实际的验证和探测需求,分别进行了水池、水槽及外场海试等试验研究。本文在以上研究基础上,解决了小平台剖面声纳系统的以下几个方面问题:1.缩小剖面声纳系统的体积,使其能够搭载到小平台载体上进行堤坝、海底管线等目标的近距离探测与搜索。2.指出当前并行声纳信号处理系统的一些弊端,研究出新颖的适合多DSP并行处理系统的互连拓扑网络,建立一种新型声纳阵列信号并行处理系统,进而提出一种通用型声纳阵列信号处理平台结构—软件声纳。3.研究了并行处理系统中节点数据通信问题,提出了在剖面声纳并行处理系统中常用的多节点广播式数据通信协议,使其更适应于剖面声纳系统匹配滤波脉冲压缩时参考信号的统一分配。4.解决线性调频脉冲信号的脉冲压缩旁瓣对剖面声纳小目标探测的影响问题,综合各种旁瓣抑制方法进行工程实现,用已建立的剖面声纳系统进行分辨力验证试验。本文所提出的系统结构和处理算法方面的改进,只是解决了小平台剖面声纳的某些方面的问题,为了使小平台剖面声纳在水下探测、资源开发等领域广泛的应用,需要声纳硬件系统设计与软件算法开发各方面的共同努力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景和意义
• 1.2 剖面声纳综述
• 1.2.1 剖面声纳国外发展现状
• 1.3 小平台剖面声纳关键技术的研究内容
• 1.3.1 实时数字信号处理技术综述
• 1.3.2 并行数字信号处理机技术
• 1.3.3 脉冲压缩技术
• 1.3.4 声纳基阵技术
• 1.3.5 关键技术研究内容
• 1.5 高分辨率多波束剖面声纳宽带基阵设计
• 1.5.1 发射基阵设计
• 1.5.2 接收基阵设计
• 1.5.3 宽带基元设计
• 1.5.4 换能器基阵测试结果
• 1.6 论文的研究内容和结构
• 第2章 基于DSP并行的实时信号处理技术
• 2.1 高速数字信号处理器及其并行体系结构
• 2.1.1 数字信号处理器性能及其并行技术的发展
• 2.2 DSP并行处理系统的性能评价
• 2.2.1 DSP并行处理算法的性能评价
• 2.2.2 加速比性能定律
• 2.2.3 典型的多DSP并行系统设计及性能分析
• 2.3 DSP并行处理系统的互连网络结构
• 2.3.1 分布式并行系统的互连网络
• 2.3.2 直接网络
• 2.3.3 间接网络
• 2.3.4 基于交叉开关的二维环网结构研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于IP互连的分布式并行声纳信号处理系统
• 3.1 分布式DSP并行处理系统设计思想
• 3.1.1 分布式并行体统结构
• 3.2 基于IP互连的分布式并行声纳信号处理系统设计
• 3.2.1 基于IP互连的分布式并行处理系统结构
• 3.2.2 基于IP互连的分布式并行处理系统总体设计
• 3.2.3 IP并行处理系统高速总线
• 3.3 IP并行处理系统子节点板设计
• 3.3.1 多波束剖面声纳系统基于IP局域网络结构
• 3.3.2 子节点板内流水线并行结构
• 3.4 IP并行处理系统子节点板间并行任务处理策略
• 3.4.1 基于IP的点点（Point-point）算法分割并行策略
• 3.4.2 基于IP的宏流水数据块并行处理策略
• 3.5 本章小结
• 第4章 数字脉冲压缩技术研究
• 4.1 基于剖面声纳的信号基础研究
• 4.1.1 大时宽带宽乘积信号
• 4.1.2 模糊函数与分辨理论
• 4.1.3 线性调频信号及其特性分析
• 4.2 匹配滤波脉冲压缩及其影响因素
• 4.2.1 线性调频匹配滤波的脉冲压缩
• 4.2.2 线性调频脉冲压缩的影响因素
• 4.3 线性调频脉冲压缩的旁瓣抑制
• 4.3.1 线性调频脉冲压缩旁瓣影响问题
• 4.3.2 线性调频旁瓣抑制方法
• 4.3.3 数字匹配滤波脉冲压缩处理的实时实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 小平台剖面声纳的试验研究与应用
• 5.1 基于堤坝安全检测的剖面声纳设计及实现
• 5.1.1 基于堤坝安全检测的剖面声纳系统功能及指标
• 5.1.2 堤坝安全检测剖面声纳系统结构
• 5.1.3 堤坝安全检测剖面声纳工作流程
• 5.2 堤坝安全检测剖面声纳试验研究
• 5.2.1 水池模型试验
• 5.2.2 葛洲坝大江冲砂闸一级消力池池底探测
• 5.3 基于海底石油管线探测的多波束剖面声纳设计
• 5.3.1 海底石油管线探测剖面声纳功能及指标
• 5.3.2 海底石油管线探测剖面声纳系统结构
• 5.3.3 海底石油管线探测剖面声纳系统工作流程
• 5.4 海底石油管线探测剖面声纳试验研究
• 5.4.1 水池模型试验
• 5.4.2 剖面声纳探测掩埋管线的水槽试验
• 5.4.3 海底石油管线探测剖面声纳海试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A