随着社会经济的快速发展,广阔的海洋逐渐进入人们生产活动的范围,进而也加大了海洋信息技术的发展。但与陆地上广泛使用的无线电磁波通信不同,海洋中主要为基于声波的通信方式,面临着诸多的技术难点,例如水声信道中严重的多径衰弱、多普勒效应和复杂的背景噪声等,限制着水声通信技术的发展。而水下声信标的设计,是水下定位系统的重要组成部分,对水下信息技术发展至关重要。本文设计的声学信标系统以应用于蛙人的可穿戴设备为背景,采用基于高性能内核Cortex-M7的STM32F7开发板做为硬件开发平台,开发了一套基于Winform的上位机配置软件,可以通过串口等接口配置信标下位机,产生所需要的声波信号。在以开发板为核心的外围电路中,为了增大信号输出功率和匹配换能器负载,设计了基于D类功放的功率放大模块和匹配电路,并通过实验测试验证了换能器输出效率和声源级满足设计要求。**分析了水声信道特性,对常用的BELLHOP信道模型进行了介绍,设置相应参数,得到模型的声线图和冲激响应函数。为了保证信息的有效传输和声信标的使用效率,设计了由唤醒信号、同步信号和有效负载数据共同组成的数据帧格式,其中同步信号中包括粗同步和细同步两个部分,在接收端通过滑动窗口频谱分析的方法确定同步时刻,并通过海测实验验证了该数据帧结构的可行性。在上位机软件设计中,以基于C#开发的Win form窗体程序为主要配置软件,以基于MATLAB设计的GUI为辅助,使得下位机能够方便快速的产生所需发送的声波信号。论文的最后,通过水池实验对比了本文所设计的声信标系统和信号发生器、NI采集卡作为声源的实验,发送端发送相同频率的单频信号和chirp信号,在接收端通过相同的采集模块接收,对比接收信号的时域和频域信息,验证了该信标系统满足设计要求。并通过水下定位实验,在水池中布置三个固定的浮标平台,将本文所设计的声信标作为目标点,测得两组声信标的定位轨迹,基于TDOA定位算法解算出声信标的位置信息,其定位精度能够控制在较小范围内,符合设计要求。
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