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1、 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 题题 目目: :多普勒计程仪的信号处理算法研究 与系统软件设计 研研 究究 生生 罗 维 专专 业业 通信与信息系统 指导教师指导教师 赵 知 劲 教 授 完成日期完成日期 2014 年 5 月 杭州电子科技大学硕士学位论文杭州电子科技大学硕士学位论文 多普勒计程仪的信号处理算法研究 与系统软件设计 研研 究究 生：生： 罗 维 指导教师：指导教师： 赵 知 劲 教 授 2014 年 5 月 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master Signa
2、l processing algorithm research and system software design of the Doppler velocity log Candidate: Luo Wei Supervisor: Prof. Zhao Zhijin May，2014 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出
3、重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签
4、名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 I 摘 要 多普勒计程仪是一种利用水下声波的多普勒效应进行测速和计算航程的仪器，随着科学技术的发展和海洋开发的重视，多普勒计程仪的应用日益广泛，更高性能、更小型化的多普勒计程仪的研发受到各国高度重视。因此，本文主要研究多普勒计程仪的信号处理算法和上位机系统软件设计。 本文首先研究基于相移束控的波束合成算法。在多普勒频率估计前，首先需对信号进行正交解调和波束合成，波束合成算法的复杂度直接影响到整个多普勒测速系统的实时性，鉴于此，从降低算法复杂度出发，利用正交解调后信号的正交性和希尔伯特变换性质，将正交解调和波束合成器作为一个模块设计，提出一
5、种快速波束合成算法，大大降低了波束合成的复杂度。 然后研究了多普勒计程仪的频率估计算法。对窄带和宽带信号多普勒频率估计采用不同正交解调的快速波束合成的复相关算法进行了详尽的性能仿真分析和比较，宽带信号多普勒频率估计的复相关算法对正交解调误差的敏感度远远低于窄带信号多普勒频率估计，但是宽带信号多普勒频率估计中复相关算法的精度仍然会受到正交解调的影响。由于宽带信号采用二相伪随机编码信号，该信号是循环平稳信号，利用其循环平稳性研究了一种基于循环统计量的多普勒频率估计方法。利用信号在循环频率处的循环互模糊函数对频率进行估计，此算法虽然复杂度较高，但是不需要对信号进行正交解调，且其精度高。 最后设计实现
6、了多普勒计程仪的上位机软件。该软件的设计平台是 Windows 操作系统，采用 Visual C+ 6.0 进行开发。上位机系统软件的主要功能包括串口设置、系统设置、数据显示、系统日志、系统帮助等。多普勒计程仪的上位机软件，通过 RS-232C 把上位机的串口和下位机单板的串口连接起来，上位机将配置参数发送给下位机，上位机把下位机所传输上来的数据进行处理计算得到多普勒频偏值， 并将计算结果在界面显示区实时显示频率值和波形，方便用户进行远程实时监控。 关键词：多普勒计程仪，波束合成，频率估计，循环平稳，复相关，软件设计 杭州电子科技大学硕士学位论文 II ABSTRACT Doppler Vel
7、ocity Log(DVL) is an instrument of measuring velocity and calculating voyage by Doppler effect of underwater sonic. With the development of science technology and the paying attention to ocean development, DVL is used widely. The development of better performance and more miniaturizeds DVL is attach
8、ed important by the nations. Therefore, this paper mainly studies signal processing algorithms and designs PC system software of DVL. Firstly, a beamforming algorithm based on phase shift beamforming is studied. Before Doppler frequency estimation, quadrature demodulation and beamforming of signal a
9、re carried. But the real-time of entire Doppler velocimetry system is affected directly by the complexity of beamforming algorithms. To solve the problem, a fast beamforming method is proposed. The method makes quadrature demodulation and beamformer as a modular design by using the signals orthogona
10、lity of quadrature demodulation and the properties of Hilbert transform. And the complexity of the beamformer is greatly reduced. Secondly, the frequency estimation algorithm of DVL is researched. The complex-correlation algorithm using the fast beamforming method with different quadrature demodulat
11、ion is simulated and analyzed for Doppler frequency estimation of narrowband and broadband signals. Sensibility of the complex-correlation algorithm to quadrature demodulation error for broadband signal is lower than for narrowband signal. But the performance of the complex-correlation algorithm is
12、also affected by quadrature demodulation. Because the broadband signal uses binary phase shift keying(BPSK) signal, it is cyclostationary signal. So a Doppler frequency estimation method based on cyclic statistics is proposed, using cyclic cross ambiguity function of signals to estimate frequency. A
13、lthough the complexity of this algorithm is higher, but it does not requie quadrature demodulation, and its estimation accuracy is higher than the complex-correlation algorithm. At last, the PC system software is designed and implemented. The software is designed under the Windows operating system,
14、and developed by Visual C + + 6.0. The main features of PC system software include serial port setting, system setting, data showing, system log, help and so on. The PC system software connects PCs serial port with lower machines serial port together via RS-232C. Then, PC system sents configuration
15、parameters to lower machine, and receives data that lower machine transmits to compute Doppler frequency. And then, the results and waves are shown on display area timely so as to remote real-time monitored by user. Keywords：Doppler Velocity Log(DVL), beamforming, frequency estimation, cyclostationarity, complex-correlation, software design 杭州电子科技大学硕士学位论文 III 目 录 摘 要 . 4 ABSTRACT .
