《电子技术应用》
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水下无人潜器回收测向搜寻仪
2017年电子技术应用第2期
胡毕炜,蔡文郁,温端强,张娟娟
杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州310018
摘要: 设计了一款可高精度定位且支持多种射频源的水下无人潜器(AUV)回收测向搜寻仪。定向天线负责接收来自AUV上射频源的信号,搜寻仪首先通过低噪声射频放大模块、射频检波模块对该信号进行放大检波,极大地保证了信号在传输过程中的抗干扰性以及通信的最大距离。随后通过信号显示主控模块对信号强度值以及信号收发源之间的距离值进行显示,最终完成对AUV的射频定位。试验证明,该搜寻仪的适用频段为50 MHz~1 200 MHz,可以支持不同频率的射频信号源,在保证测向精度较高的情况下,测距的最大值可以达到10 km,误差可控制在10%以内。
中图分类号: TN966
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.013
中文引用格式: 胡毕炜,蔡文郁,温端强,等. 水下无人潜器回收测向搜寻仪[J].电子技术应用,2017,43(2):58-60,64.
英文引用格式: Hu Biwei,Cai Wenyu,Wen Duanqiang,et al. Direction-finding and searching instrument for autonomous underwater vehicle recovery[J].Application of Electronic Technique,2017,43(2):58-60,64.
Direction-finding and searching instrument for autonomous underwater vehicle recovery
Hu Biwei,Cai Wenyu,Wen Duanqiang,Zhang Juanjuan
Electronic Information College,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China
Abstract: The paper designs a direction-finding and searching instrument for Autonomous Underwater Vehicle(AUV) recovery, which embraces the high localization accuracy and can support a variety of RF frequencies. A directional antenna is responsible for receiving signal from RF transmitter which has been installed in the AUV. Firstly, the searching instrument would enlarge and detect the signal by using a RF amplifier module and a RF detection module, which greatly ensures the anti-interference ability of the signal in the transmission process and the maximum distance of the communication. Then distance between the signal receiver and transmitter and signal intensity would be displayed by using a signal display module. Finally, radio frequency positioning for the AUV would be completed. Experimental results show that the instrument′s applicable frequency band is from 50 MHz to 1 200 MHz, therefore it can support the RF signal source with different frequency. The measured maximum distance can reach 10 km, and the error can be controlled within 10% while ensuring high accuracy of the direction measurement for the searching instrument.
Key words : autonomous underwater vehicle recovery;radio frequency positioning;searching instrument

0 引言

    在海洋开发日益重要的现在,水下无人潜器AUV得到了各个国家的重视。但对于AUV而言,回收过程中会受到海流、海风等环境影响,预设的方向和距离会发生改变,因此回收过程中的精确定位会变得十分艰难[1]。目前AUV回收的定位方式有水声定位、卫星定位、电磁定位以及光学定位等[2],其中水声定位和卫星定位只适用于大致的远程定位,而AUV回收过程中关键的是近距离定位,必须满足很高的定位精度[3];电磁定位以及光学定位适用于近距离定位,但是电磁定位容易受到AUV本身的磁场干扰,必须避免在变磁场区域进行回收作业;光学定位会受到海水背景光、混浊度、折射等因素的影响,需要采取一定的措施(如过滤掉背景光),这不仅加大了成本,而且定位的精度也得不到保证[4]

    基于上述的研究现状,本文设计的无人潜器回收测向搜寻仪采用的定位方式是射频定位,射频定位指的是通过射频信号识别对象并完成对目标源的定位,该定位技术操控简易,受环境的干扰比较小[5],因此很适用于该搜寻仪的设计。整体系统的实际应用示意图如图1所示。

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1 系统工作原理

    整体搜寻仪内部框架图如图2所示。低噪声射频放大模块对天线接收的射频信号进行放大,放大增益能达到20 dB,并且噪声系数可以控制在1 dB以内;射频检波模块对放大的信号进行检波,最后将检波后的直流电压信号转换为信号强度或通信距离,并利用信号显示模块的数码管以及LED灯对其进行显示,按键负责对数码管显示内容进行切换。供电电源采用的是9 V可充电锂电池。

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2 系统硬件

2.1 低噪声射频放大模块

    低噪声射频放大模块框架如图3所示。模块电路原理图设计软件是美国Agilent推出的ADS仿真软件,主控芯片为ATF54143。该放大模块的设计预期指标是将频段为20 MHz~1 200 MHz的信号进行增益放大,增益可达20 dB以上,噪声系数可以控制在1 dB以内。

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2.2 射频检波模块

    射频检波模块框架如图4所示。该主控芯片采用的是一种真有效值响应的功率检测芯片AD8362,射频检波模块的预期设计指标是频率范围为50 MHz~3 800 MHz、功率在-80 dBm~20 dBm的射频信号变换成直流电压输出。

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2.3 信号显示主控模块

    信号显示主控模块的框架如图5所示。该模块设计预期目标是将范围为-80.0 dBm~20.00 dBm的信号强度值以及相对应的距离值能用四位数码管精确显示,主控芯片选择的是STM32F103CB。

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3 系统软件

    该系统的软件部分主要分为两部分:(1)低噪声射频放大模块中ADS软件仿真;(2)信号显示主控模块中的AD转换以及数码管驱动程序设计。

3.1 低噪声射频放大模块ADS软件仿真

    低噪声射频放大模块中ADS软件仿真流程图如图6所示。

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    在该仿真流程中,最核心的部分是成品率仿真分析,首先给最终的ADS电路原理图增加YIELD 仿真器及YIELD 参数,随后对放大器在所设定目标下的合格率进行分析,并且保证元件参量变化符合正态分布。

3.2 信号显示主控模块相关程序设计

    信号显示主控模块相关程序设计的流程图如图7所示。

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    在该模块的程序设计流程中,最关键的是对系统时钟、I/O口以及ADC的初始化配置,进而完成数码管、LED灯的驱动以及数据采集。相关代码在美国Keil Software公司的Keil软件上完成。

4 系统调试

    为了保证实验数据的可靠性,测向搜寻仪的调试地点选在钱塘江旁的沿江大道。搜寻仪和天线的整体实物图、测试地图如图8所示。

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    在测试过程中,由于空间受限,信号收发源的位置距离最远只能达到1 000 m,测试过程中射频信号发射源采用的是频段为220 MHz~240 MHz、发射功率为5 W的数传电台。根据无线信道的衰减公式以及考虑到放大模块的20 dB增益和天线增益7.5 dBi,可以得到100 m、200 m、500 m及1 000 m处对应的接收信号强度标准值为-2.50 dBm、-8.52 dBm、-16.5 dBm及-22.5 dBm;并且通过该公式可以知道,当距离值为10 km时,接收到的信号强度值对应的距离值为-50 dBm,远远小于-80 dBm,因此理论上通信距离是可以达到10 km。整体回收测向搜寻仪的测向以及测距功能测试步骤如下:

    (1)测向功能测试。在相同距离处通过调整天线转动方向,记录相应的信号强度值,并将得到的测试值和对应的标准值进行比较得到误差值,偏离角度分别与信号强度值、误差绝对值的关系如图9所示。

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    由图9可以知道,在相同距离的情况下,天线发射端转动后的方向与沿江大道方向偏离角度为0°时测得的信号强度值最大,并且测得值与标准值的误差最小,误差范围均达到预期指标±1 dBm以内;随着偏离角度绝对值θ的增大,测得的信号强度值会越小,相对应的误差值也越大。因此该测向搜寻仪测向功能是较为精确的。

    (2)测距功能测试。在各个测试位置上通过测向找到最大信号强度的方向(即沿江大道方向)后,保持方向不变,通过观察数码管的显示来记录相对应的信号强度值,通过按键切换显示记录相对应的距离值,并将得到的测试值和标准距离值进行比较作误差分析。实际距离值分别与测试距离值、距离误差百分比的曲线变化图如图10所示。

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    由图10可以知道,测得距离值和实际距离值的变化曲线接近于斜率为1的线性直线,距离值的误差百分比最高大约为6.20%,并且当测试距离值慢慢变大,误差也会变小,因此该搜寻仪的测距功能是较为精确的。

5 结论

    该搜寻仪的设计达到了预期的要求,实现了低噪声射频放大、射频检波、数码管驱动、信号强度以及距离显示等基本功能;工作适用频段较宽,可以支持不同频率的射频信号源;在测试过程中对目标定位精度较高,因此后续可以将该搜寻仪应用于实际海试测试,不断地对其功能进行完善优化。

参考文献

[1] 王智学.AUV回收时的运动控制方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.

[2] 潘光,黄明明.AUV回收技术现状以及发展趋势[D].西安:西北工业大学,2008.

[3] 王晓娟.基于视觉的AUV水下回收引导定位技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

[4] 王雪峰,吕汝信.水下航行体位置指示及打捞、回收新技术研究[J].船舶工程,2002(4):52-55.

[5] 李向阳.一种定位系统射频发射前端设计与实现[D].成都:电子科技大学,2010.



作者信息:

胡毕炜,蔡文郁,温端强,张娟娟

(杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州310018)