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。

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。

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。

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。

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。

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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    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）