计程仪系统设计和测速算法仿真研究

论文摘要

本文主要对计程仪的工作原理，系统组成和测速算法进行了研究。计程仪系统由测速传感器，匹配电路，发射机系统，接收机系统，信号处理单元组成。发射机包括正弦波脉冲信号的DDS产生电路，差分放大电路，发射机电信号输出端和超声波换能器的匹配电路三个功能模块。接收机包括差动放大电路，包络解调电路两个功能模块。数据处理部分包括对0.5s／1s的特定水层的回波包络进行采样，MCU对采样的数据进行处理，计算船舶航行速度，判断其是否为合法速度，并判断下个采样的持续时间。测速算法部分主要研究了互相关算法，差分算法和改进的差分算法计算船舶航行速度的原理，并对这三个算法进行了仿真研究，分析和比较了这三个算法的测速误差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 计程仪的发展概况
• 1.2 船舶的测速原理和方法
• 1.2.1 声相关测速原理
• 1.2.2 多普勒测速原理
• 1.2.3 GPS测速原理
• 1.3 本文的研究工作
• 2 超声波和船底流层对测速的影响
• 2.1 超声波传播和衰减特性
• 2.1.1 超声波衰减特性
• 2.1.2 计算超声波衰减的经验公式
• 2.1.3 超声波在海水中的传播
• 2.2 船舶航行时的分界层分析
• 2.2.1 边界层特点
• 2.2.2 边界层厚度
• 2.2.3 边界层厚度与船舶航行速度的关系
• 2.4 本章小结
• 3 超声波换能器及其性能指标
• 3.1 超声波换能器的分类
• 3.2 超声换能器的主要性能指标
• 3.3 实际超声换能器的要求
• 3.3.1 超声换能器的频率要求
• 3.3.2 超声换能器的指向要求
• 3.3.3 换能器选择
• 3.4 本章小结
• 4 计程仪系统设计
• 4.1 换能器的匹配
• 4.1.1 超声换能器的电匹配原理
• 4.1.2 换能器实际匹配电路参数
• 4.2 发射系统设计
• 4.2.1 正弦波脉冲信号的产生方法
• 4.2.2 差分信号产生电路
• 4.3 接收系统设计
• 4.3.1 差动放大电路
• 4.3.1.1 基本差动放大电路
• 4.3.1.2 同相并联差动放大电路
• 4.3.2 超外差接收机
• 4.3.2.1 包络解调原理
• 4.3.2.2 包络解调电路
• 4.4 计程仪系统设计原理框图
• 4.5 本章小结
• 5 超声波回波信号相关处理及算法
• 5.1 相关分析理论
• 5.1.1 自相关函数
• 5.1.2 互相关函数
• 5.1.3 相关函数的推广公式
• 5.1.4 信号相关函数的实现
• 5.2 计算相关延时的差分算法
• 5.2.1 差分算法的特点
• 5.2.2 差分算法的航速计算
• 5.2.3 区间选择的流程图
• 5.2.4 互相关算法和差分算法的计算量分析
• 5.3 对互相关和差分算法的仿真及性能分析
• 5.3.1 对特定延时的仿真波形分析
• 5.3.2 采样点完全重叠时的仿真分析
• 5.3.3 采样点不完全重叠时的仿真分析
• 5.3.4 反向航行时仿真结果
• 5.4 改进的差分算法
• 5.4.1 算法误差原理分析
• 5.4.2 差分算法的改进方法
• 5.4.3 性能改善分析
• 5.5 速度测量的流程
• 5.6 差分算法的实际应用
• 5.7 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献