海底测量阵高精度校准系统的设计与实现
摘要
目前海底水听器阵列作为一项重要的海洋技术，在监测海洋环境和海洋生物以及在
军事领域的水下声呐监测和反潜作战中，得到广泛应用。而影响海底水听器阵列的定位
和勘探精度的直接因素就是阵列中各阵元的位置信息的精确程度，因此阵列位置校准具
有很强的实际意义。本文以海底测量阵阵位校准为应用背景，对校准系统的硬件电路、
软件程序进行了一系列设计和开发，对相应的定位模型和算法进行理论分析，并对设计
实现的海底测量阵校准系统进行一系列实验验证。
首先，论文针对海底测量阵校准系统的应用场景和水声定位原理进行分析，总结出
系统的整体设计需求。然后按照实现功能将整个校准系统分为发射单元、接收单元和解
算单元。并根据前期缺少海底测量阵的实验条件以及后期对潜标工作状态的监测需求，
设计了采集单元。通过分析各单元的功能需求和设计指标进行了方案设计。最后对方案
中的核心器件进行选型。
校准系统的硬件平台设计分为发射单元和采集单元。基于功能实现对硬件架构的需
求，上述两子单元均采用ARM+FPGA的设计方案，并选用ZYNQ7020处理器作为逻
辑控制和数据处理核心。重点对发射单元的供电模块、核心板SOM-TLZ7020模块、外
设模块进行了详细设计。采集单元受限于舱内体积采用了集成化核心板AC7020加外设
电路板的方案，并对核心板集成资源和电路设计进行讲解。
基于发射单元和采集单元的硬件设计，搭建了嵌入式操作系统，并对应用程序进行
开发。对发射单元的显控界面、Linux操作系统搭建、ARM和FPGA程序进行了详细设
计。实现了在同步模式下对校准信号的发射。对采集单元的ARM和FPGA进行了功能
设计，实现了对校准信号的采集、存储、预处理和数据上传。理论分析了TOA(Timeof
Arrival)算法和TSOA(TimeSummationofArrival)算法的定位原理，并进行公式推导和模
型仿真。
最后，对校准系统进行了功能与性能测试。对硬件系统中的电源模块、接口模块、
以及GNSS系统定位精度进行测试。对发射单元的同步时钟信号、自定义信号、信号发
射进行了功能测试。结果均符合设计指标。在湖试阶段，通过采集单元配合接收校准信
号完成自身校准，对系统整体进行了测试，验证了校准系统的预期设计功能。
关键词：水声定位；阵位校准；ZYNQ7020；TOA；TSOA
海底测量阵高精度校准系统的设计与实现
ABSTRACT
Atpresent,asanimportantmarinetechnology,thesubmarinehydrophonearrayis
widelyusedinmonitoringthemarineenvironmentandmarineorganisms,aswellasin
underwatersonarmonitoringandanti-submarinewarfareinthemilitaryfield.Thedirect
factoraffectingthepositioningandexplorationaccuracyoftheseabedhydrophonearrayis
theaccuracyofthepositioninformationofeacharrayelementinthearray,sothearray
positioncalibrationhasastrongpracticalsignificance.Thispapertakestheseabed
measurementarraycalibrationastheapplicationbackground,carriesoutaseriesofdesign
anddevelopmentonthehardwarecircuitandsoftwareprogramofthecalibrationsystem,and
carriesouttheoreticalanalysisonthecorrespondingpositioningm