基于信号相位差的海水声速测量方法研究

论文摘要

海水声速是进行水下超声波测距与定位、探伤及海洋环境监测等测量过程中的重要参数之一,它随海水温度、压力及盐度等的差异而变化。精确地测量海水声速具有重要意义,可以有效地为测深仪、声纳等水声设备校正测量误差提供准确的声速数据。本文对基于信号相位差的海水声速测量方法进行了深入研究。主要研究了利用单频信号相位差进行声速测量的方法,针对单频信号相位差估计存在的相位模糊,提出了利用双频信号相位差进行声速测量的方法。论文的主要工作包括以下四个方面:(1)归纳了海水声速的分布规律及特点,分析并对比了目前国内外进行海水声速测量的方法及特点。在此基础上,本文提出了利用信号相位差进行海水声速测量方法。(2)提出了利用单频信号相位差进行声速测量的方法。根据时差法进行声速测量的原理,通过将时间的测量转换为相位的估计,在距离测量精度足够高的条件下,信号频率越高,要求的相位差估计精度就越低,则声速测量精度就越高。在信号频率确定的条件下,相位差估计的精度是声速测量精度的关键。因此,本文着重研究了各种相位估计方法,包括过零比较法、数字相关法及FFT谱分析法。通过分析及对比,提出了利用FFT谱分析进行信号相位差估计的方法。此外,为了分析换能器及水声信道特性对信号相位差估计的影响,本文建立了声速测量系统的数学模型,并利用此模型进行了基于单频信号相位差的声速测量仿真分析。(3)提出了利用双频信号相位差进行声速测量的方法。为了消除采用单频信号存在的相位模糊,进一步提高声速测量精度,本文提出采用频差很小的双频信号进行声速测量的方法。分析了测量原理及利用FFT谱分析时频谱泄漏对信号相位差估计的影响,利用声速测量系统模型进行了基于双频信号相位差的声速测量仿真分析。(4)设计了声速测量实验系统,包括信号发射及采集的硬件电路,搭建了声速测量的实验平台,分析了实验平台的反射回波及各种环境因素对相位差估计结果的影响,距离测量精度对声速测量精度的影响。利用搭建的实验平台进行了基于信号相位差的声速测量实验,对采集的数据进行了分析和处理,验证了利用信号相位差进行声速测量的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 海水中的声速分布规律
• 1.2.1 深海声速剖面的分层
• 1.2.2 浅海中的声速剖面
• 1.2.3 常见海水声速分布
• 1.3 国内外海水声速测量的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 海水声速测量方法研究
• 2.1 海水声速的间接测量方法研究
• 2.1.1 Del Grosso 声速算法及特点
• 2.1.2 Wilson 声速算法及特点
• 2.1.3 Chen-Millero-Li 声速算法及特点
• 2.2 海水声速的直接测量方法研究
• 2.2.1 时差法及特点
• 2.2.2 驻波干涉法及特点
• 2.2.3 共振声谱法及特点
• 2.2.4 相位比较法及特点
• 2.3 海水声速测量方法的适用性分析
• 2.4 小结
• 第三章 基于单频信号相位差的声速测量方法
• 3.1 利用单频信号相位差进行声速测量的原理研究
• 3.1.1 测量原理
• 3.1.2 相位差估计及距离测量对声速测量精度的影响
• 3.2 相位精确估计技术
• 3.2.1 过零比较法
• 3.2.2 数字相关法
• 3.2.3 快速傅里叶变换（FFT）法
• 3.3 基于单频信号相位差的声速测量仿真
• 3.3.1 声速测量系统的建模
• 3.3.2 基于单频信号相位差的声速测量仿真分析
• 3.4 小结
• 第四章 基于双频信号相位差的声速测量方法
• 4.1 利用双频信号相位差进行声速测量的原理研究
• 4.2 频谱泄漏对信号相位差估计的影响
• 4.2.1 频谱泄漏的产生
• 4.2.2 频谱泄漏对相位差估计的影响及消除
• 4.3 基于双频信号相位差的声速测量仿真
• 4.4 小结
• 第五章 声速测量实验系统设计及实验
• 5.1 声速测量实验系统设计
• 5.2 影响声速测量精度的因素分析
• 5.2.1 距离测量对声速测量精度的影响
• 5.2.2 反射回波对测量系统的影响
• 5.2.3 环境因素对测量系统的影响
• 5.3 声速测量实验数据的分析与处理
• 5.3.1 基于单频信号相位差的声速测量实验
• 5.3.2 基于双频信号相位差的声速测量实验
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间取得的学术成果