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高精度DVL系统设计与性能模拟建模研究
| 论文题名： | 高精度DVL系统设计与性能模拟建模研究 |
| 关键词： | 无人水下航行器;多普勒计程仪;测速误差;回波模型;导航精度 |
| 摘要： | 多普勒计程仪（Doppler Velocity Log，DVL）是以多普勒效应为理论基础的一种测速和计程的海洋设备。在无人水下航行器的导航中起着至关重要的作用。随着无人水下航行器技术的迅猛发展和应用场景的不断扩大，对水下导航的精度要求日益提高，而DVL的测速精度是其导航性能的决定性因素。故需开展高精度DVL技术研究。本文在研究国内外现有DVL技术的基础上，对影响DVL多普勒测速精度的发射信号、DVL算法进行研究分析，进而设计并实现了一个高精度DVL系统。 在高精度DVL系统开发过程中，为了有效地开展测量精度性能验证，本文还提出了优化的海底和流层回波模型，并以此为依托设计并实现了一个用于验证DVL性能的回波数据模拟器。 本文具体研究内容以及研究成果如下： 1.对影响DVL多普勒测速精度的因素开展了深入的研究。对引起DVL精度误差的声速变化、安装形式、航行器运动不稳定等因素进行分析研究并通过实时计算声速、补偿安装误差、设计Janus阵型结构和搭配姿态传感器等方案来减小误差。 2.对DVL的发射信号进行了研究分析。对CW单频矩形脉冲、LFM、HFM、二相位伪随机编码等发射信号形式进行时频分析，其中CW信号和m序列编码信号适用于DVL系统的发射信号；根据研究结论，针对高精度DVL系统的窄带和宽带发射信号进行了波形设计。 3.对DVL的回波信号进行了建模分析研究。当DVL能够探测到海底时，本文在扇环形海底回波模型基础上，构建了一种基于散射理论的海底回波优化模型。此优化模型和传统模型进行对比分析研究，优化模型较传统模型，与真实海底回波之间的包络特性误差更小，尤其宽带回波的包络特性更是降低了20%以上。 4.对高精度DVL算法进行了仿真研究。通过复自相关算法的研究设计出对底跟踪和对流跟踪算法；针对测速模糊的问题，提出了宽带自相关和窄带傅里叶变换等解模糊的方案。通过数据分析，对发射窄带信号和宽带信号的多普勒测速系统，测速误差不大于0.2%。 5.开展了高精度DVL系统方案设计。设计了高精度DVL信号流程。对信号处理模块中的关键模块（FPGA端的正交解调、滤波、降采样、uPP通信模块以及DSP端的uPP信号接收、海底测距、对底测速以及对流层测速等模块）进行了设计与实现，并在实际信号处理板上进行编程实现。 6.开展了高精度DVL系统的性能验证。通过优化的海底和流层回波模型设计的模拟器，分别发送窄带和宽带的回波数据，在对底跟踪模式下，测速误差分别为0.1490%和0.1200%；在对流跟踪模式下，测速误差分别为0.2893%和0.2218%。 |
| 作者： | 王佳楠 |
| 专业： | 电子科学与技术 |
| 导师： | 王茂法 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 杭州电子科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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