《電子技術(shù)應(yīng)用》
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水下無人潛器回收測向搜尋儀
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
胡畢煒,，蔡文郁,，溫端強，張娟娟
杭州電子科技大學 電子信息學院,，浙江 杭州310018
摘要： 設(shè)計了一款可高精度定位且支持多種射頻源的水下無人潛器(AUV)回收測向搜尋儀,。定向天線負責接收來自AUV上射頻源的信號,，搜尋儀首先通過低噪聲射頻放大模塊、射頻檢波模塊對該信號進行放大檢波,，極大地保證了信號在傳輸過程中的抗干擾性以及通信的最大距離,。隨后通過信號顯示主控模塊對信號強度值以及信號收發(fā)源之間的距離值進行顯示，最終完成對AUV的射頻定位,。試驗證明,，該搜尋儀的適用頻段為50 MHz～1 200 MHz，可以支持不同頻率的射頻信號源,，在保證測向精度較高的情況下,，測距的最大值可以達到10 km，誤差可控制在10%以內(nèi),。
中圖分類號： TN966
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.013
中文引用格式： 胡畢煒,，蔡文郁，溫端強,，等. 水下無人潛器回收測向搜尋儀[J].電子技術(shù)應(yīng)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

    在海洋開發(fā)日益重要的現(xiàn)在,，水下無人潛器AUV得到了各個國家的重視,。但對于AUV而言，回收過程中會受到海流,、海風等環(huán)境影響,，預(yù)設(shè)的方向和距離會發(fā)生改變，因此回收過程中的精確定位會變得十分艱難[1]。目前AUV回收的定位方式有水聲定位,、衛(wèi)星定位、電磁定位以及光學定位等[2],，其中水聲定位和衛(wèi)星定位只適用于大致的遠程定位,，而AUV回收過程中關(guān)鍵的是近距離定位，必須滿足很高的定位精度[3],；電磁定位以及光學定位適用于近距離定位,，但是電磁定位容易受到AUV本身的磁場干擾，必須避免在變磁場區(qū)域進行回收作業(yè),；光學定位會受到海水背景光,、混濁度、折射等因素的影響,，需要采取一定的措施（如過濾掉背景光）,，這不僅加大了成本，而且定位的精度也得不到保證[4],。

    基于上述的研究現(xiàn)狀,，本文設(shè)計的無人潛器回收測向搜尋儀采用的定位方式是射頻定位，射頻定位指的是通過射頻信號識別對象并完成對目標源的定位,，該定位技術(shù)操控簡易,，受環(huán)境的干擾比較小[5]，因此很適用于該搜尋儀的設(shè)計,。整體系統(tǒng)的實際應(yīng)用示意圖如圖1所示,。

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1 系統(tǒng)工作原理

    整體搜尋儀內(nèi)部框架圖如圖2所示。低噪聲射頻放大模塊對天線接收的射頻信號進行放大,，放大增益能達到20 dB,，并且噪聲系數(shù)可以控制在1 dB以內(nèi)；射頻檢波模塊對放大的信號進行檢波,，最后將檢波后的直流電壓信號轉(zhuǎn)換為信號強度或通信距離,，并利用信號顯示模塊的數(shù)碼管以及LED燈對其進行顯示，按鍵負責對數(shù)碼管顯示內(nèi)容進行切換,。供電電源采用的是9 V可充電鋰電池,。

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2 系統(tǒng)硬件

2.1 低噪聲射頻放大模塊

    低噪聲射頻放大模塊框架如圖3所示。模塊電路原理圖設(shè)計軟件是美國Agilent推出的ADS仿真軟件,，主控芯片為ATF54143,。該放大模塊的設(shè)計預(yù)期指標是將頻段為20 MHz～1 200 MHz的信號進行增益放大，增益可達20 dB以上,，噪聲系數(shù)可以控制在1 dB以內(nèi),。

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2.2 射頻檢波模塊

    射頻檢波模塊框架如圖4所示。該主控芯片采用的是一種真有效值響應(yīng)的功率檢測芯片AD8362,，射頻檢波模塊的預(yù)期設(shè)計指標是頻率范圍為50 MHz～3 800 MHz,、功率在-80 dBm～20 dBm的射頻信號變換成直流電壓輸出,。

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2.3 信號顯示主控模塊

    信號顯示主控模塊的框架如圖5所示。該模塊設(shè)計預(yù)期目標是將范圍為-80.0 dBm～20.00 dBm的信號強度值以及相對應(yīng)的距離值能用四位數(shù)碼管精確顯示,，主控芯片選擇的是STM32F103CB,。

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3 系統(tǒng)軟件

    該系統(tǒng)的軟件部分主要分為兩部分：(1)低噪聲射頻放大模塊中ADS軟件仿真；(2)信號顯示主控模塊中的AD轉(zhuǎn)換以及數(shù)碼管驅(qū)動程序設(shè)計,。

3.1 低噪聲射頻放大模塊ADS軟件仿真

    低噪聲射頻放大模塊中ADS軟件仿真流程圖如圖6所示,。

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    在該仿真流程中，最核心的部分是成品率仿真分析,，首先給最終的ADS電路原理圖增加YIELD 仿真器及YIELD 參數(shù),，隨后對放大器在所設(shè)定目標下的合格率進行分析，并且保證元件參量變化符合正態(tài)分布,。

3.2 信號顯示主控模塊相關(guān)程序設(shè)計

    信號顯示主控模塊相關(guān)程序設(shè)計的流程圖如圖7所示,。

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    在該模塊的程序設(shè)計流程中，最關(guān)鍵的是對系統(tǒng)時鐘,、I/O口以及ADC的初始化配置,，進而完成數(shù)碼管、LED燈的驅(qū)動以及數(shù)據(jù)采集,。相關(guān)代碼在美國Keil Software公司的Keil軟件上完成,。

4 系統(tǒng)調(diào)試

    為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，測向搜尋儀的調(diào)試地點選在錢塘江旁的沿江大道,。搜尋儀和天線的整體實物圖,、測試地圖如圖8所示。

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    在測試過程中,，由于空間受限,，信號收發(fā)源的位置距離最遠只能達到1 000 m，測試過程中射頻信號發(fā)射源采用的是頻段為220 MHz～240 MHz,、發(fā)射功率為5 W的數(shù)傳電臺,。根據(jù)無線信道的衰減公式以及考慮到放大模塊的20 dB增益和天線增益7.5 dBi，可以得到100 m,、200 m,、500 m及1 000 m處對應(yīng)的接收信號強度標準值為-2.50 dBm、-8.52 dBm,、-16.5 dBm及-22.5 dBm,；并且通過該公式可以知道，當距離值為10 km時,，接收到的信號強度值對應(yīng)的距離值為-50 dBm,，遠遠小于-80 dBm，因此理論上通信距離是可以達到10 km。整體回收測向搜尋儀的測向以及測距功能測試步驟如下：

    (1)測向功能測試,。在相同距離處通過調(diào)整天線轉(zhuǎn)動方向,，記錄相應(yīng)的信號強度值，并將得到的測試值和對應(yīng)的標準值進行比較得到誤差值,，偏離角度分別與信號強度值,、誤差絕對值的關(guān)系如圖9所示。

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    由圖9可以知道,，在相同距離的情況下,，天線發(fā)射端轉(zhuǎn)動后的方向與沿江大道方向偏離角度為0°時測得的信號強度值最大,，并且測得值與標準值的誤差最小,，誤差范圍均達到預(yù)期指標±1 dBm以內(nèi)；隨著偏離角度絕對值θ的增大,，測得的信號強度值會越小,，相對應(yīng)的誤差值也越大。因此該測向搜尋儀測向功能是較為精確的,。

    (2)測距功能測試,。在各個測試位置上通過測向找到最大信號強度的方向（即沿江大道方向）后，保持方向不變,，通過觀察數(shù)碼管的顯示來記錄相對應(yīng)的信號強度值,，通過按鍵切換顯示記錄相對應(yīng)的距離值，并將得到的測試值和標準距離值進行比較作誤差分析,。實際距離值分別與測試距離值,、距離誤差百分比的曲線變化圖如圖10所示。

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    由圖10可以知道,，測得距離值和實際距離值的變化曲線接近于斜率為1的線性直線,，距離值的誤差百分比最高大約為6.20%，并且當測試距離值慢慢變大,，誤差也會變小,，因此該搜尋儀的測距功能是較為精確的。

5 結(jié)論

    該搜尋儀的設(shè)計達到了預(yù)期的要求,，實現(xiàn)了低噪聲射頻放大,、射頻檢波、數(shù)碼管驅(qū)動,、信號強度以及距離顯示等基本功能,；工作適用頻段較寬，可以支持不同頻率的射頻信號源,；在測試過程中對目標定位精度較高,，因此后續(xù)可以將該搜尋儀應(yīng)用于實際海試測試，不斷地對其功能進行完善優(yōu)化。

參考文獻

[1] 王智學.AUV回收時的運動控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,，2006.

[2] 潘光,，黃明明.AUV回收技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢[D].西安：西北工業(yè)大學，2008.

[3] 王曉娟.基于視覺的AUV水下回收引導(dǎo)定位技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,，2011.

[4] 王雪峰,，呂汝信.水下航行體位置指示及打撈、回收新技術(shù)研究[J].船舶工程,，2002(4)：52-55.

[5] 李向陽.一種定位系統(tǒng)射頻發(fā)射前端設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學,，2010.



作者信息:

胡畢煒，蔡文郁,，溫端強,，張娟娟

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州310018）

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