声学多普勒剖面仪信号处理系统研究

作     者：金礼聪 

作者单位：浙江工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈朋

授予年度：2017年

学科分类：082403[工学-水声工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：声学多普勒流速剖面仪 现场可编程门阵列 浮点乘法 有限冲激响应数字滤波 复相关 软硬件结合 

摘      要：随着社会经济发展和新的水体问题出现,水体流速信息监测在水资源保护、开发、利用以及防汛抗旱中得到越来越广泛地应用。传统的水体测流方法在实时性和准确性等方面较差,无法满足现代化水文监测的需求。具有先进自动化技术的声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)能够实时地获取水体流速信息,且具有准确性高、使用方便和操作简单等特点。本文在对ADCP的信号处理系统进行研究之后,设计了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的ADCP信号处理计算单元和软硬件结合的信号处理系统,并对所设计的信号处理系统进行了验证分析,结果表明系统可进行快速、准确的水流测速。论文主要的工作内容和成果归纳如下:(1)研究了声纳信号在水中传播的多普勒效应和复相关测频原理,提出了基于FPGA的ADCP信号处理计算单元,在该计算单元中设计了具有快速处理能力且资源利用较少的浮点乘法器和有限冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)数字滤波器,该滤波器可进行多路并行滤波,能有效滤除高频无用信号。(2)研究了ADCP的工作机制,提出了一种基于FPGA的软硬件结合的设计方法,采用自定义的知识产权(Intellectual Property,IP)核设计底层中需要高计算量和并行处理的运算模块,同时在Xilinx MicroBlaze软核中实现流程控制、数据调度和命令通信等功能,有效利用了FPGA内部的并行资源,提升了处理速度。(3)在实验室中用模拟的声纳信号对复相关测频方法进行了验证,在实际水体中对ADCP信号处理系统进行标定和精度测试,结果表明了本系统可进行快速、准确的水流测速。