水下激光强度层析测量装置关键技术研究

论文摘要

水下激光强度层析测量装置基于光学层析技术，通过检测水体的光学后向散射来实现水质测量和水下探测。该装置利用了伪随机m序列自相关特性，测量精度高、最大无模糊距离远，是测量体制中重要的发展方向之一。本文主要研究实验性伪码测量装置的设计和实现方法，其中包括伪码序列和伪码调相信号的产生、发射与接收，以及伪码的相关检测等。在确定以FPGA和DSP开发技术为基础的情况下，利用ADC和DAC作为数字／模拟信号转换芯片，以及其他各种数字设计技术，设计出一个伪码测量装置的硬件平台。使用FPGA技术在MaxPlusⅡ编译环境下将各个模块用VHDL硬件描述语言予以实现，并使用DSP技术实时控制参考信号的频率及相位。通过回波信号相对于参考信号的相关值的大小来测量水体信息。在伪码相关检测的设计过程中，详细分析了数字相关器的实现原理和实现结构，并给出了用FPGA技术实现数字相关器的设计方法。通过在验证电路板上的多次实验，证明了此测量装置的可行性，为方案的进一步改进及应用提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 水下激光测量的背景
• 1.1.2 层析测量技术简介
• 1.1.3 软件无线电概念
• 1.1.4 伪码测量的优越性
• 1.2 本课题的研究意义
• 1.3 本课题的研究目标
• 第2章 伪码测量的原理
• 2.1 伪码序列的特性及产生方法
• 2.1.1 伪随机码的特性
• 2.1.2 伪随机码的产生
• 2.2 m序列介绍
• 2.2.1 m序列的特性
• 2.2.2 m序列的自相关函数和功率谱
• 2.3 伪随机码调相信号的特性
• 2.3.1 伪码调相信号的原理
• 2.3.2 BPSK信号的频谱
• 2.3.3 BPSK信号的自相关函数
• 2.3.4 BPSK信号的功率谱密度
• 2.4 相关检测器
• 2.4.1 模拟式相关器
• 2.4.2 数字式相关器
• 2.5 伪码测量装置的工作流程
• 2.6 本章小结
• 第3章 伪码测量装置的硬件设计
• 3.1 基于FPGA硬件设计
• 3.1.1 FPGA的供电
• 3.1.2 FPGA的配置芯片
• 3.2 基于DSP硬件设计
• 3.2.1 DSP的结构特点
• 3.2.2 TMS320VC5402外围硬件电路
• 3.3 并口D/A转换电路设计
• 3.3.1 AD9708引脚排列及功能
• 3.3.2 AD9708内部结构与功能
• 3.3.3 AD9708时序
• 3.3.4 AD9708与FPGA及AD8072的连接
• 3.4 并口A/D转换电路设计
• 3.4.1 AD9283引脚排列及功能
• 3.4.2 AD9283时序
• 3.4.3 AD9283与FPGA的连接
• 3.5 低通滤波器的设计
• 3.6 电源系统方案
• 3.7 PCB制版的设计
• 3.7.1 PCB设计中的布线规则
• 3.7.2 PCB设计中的端接电阻
• 3.8 本章小结
• 第4章 伪码测量装置的软件设计实现
• 4.1 基于DSP的软件设计实现
• 4.1.1 时钟发生器设置
• 4.1.2 定时器设置
• 4.1.3 McBSP设置
• 4.1.4 HPI-8用作GPIO
• 4.2 基于FPGA的软件设计实现
• 4.2.1 DDS序列的FPGA实现
• 4.2.2 m序列的FPGA实现
• 4.2.3 伪码调相的FPGA实现
• 4.2.4 两路m序列调相信号相关器的FPGA实现
• 4.3 本章小结
• 第5章 结果分析
• 5.1 相关运算结果分析
• 5.2 实验精度分析
• 5.3 实验误差分析及方案改进
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A 测量装置电路图
• 附录B PCB板布局图
• 附录C 电路板实物图