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(gè)國家的重視。但對于AUV而言，回收過程中會(huì)受到海流、海風(fēng)等環(huán)境影響，預(yù)設(shè)的方向和距離會(huì)發(fā)生改變，因此回收過程中的精確定位會(huì)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(xué)定位等^[2]，其中水聲定位和衛(wèi)星定位只適用于大致的遠(yuǎn)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(xué)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(jìn)行回收作業(yè)；光學(xué)定位會(huì)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(jì)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(hào)識(shí)別對象并完成對目標(biāo)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(jì)。整體系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用示意圖如圖1所示。

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(hào)進(jìn)行放大，放大增益能達(dá)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(hào)進(jìn)行檢波，最后將檢波后的直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)強(qiáng)度或通信距離，并利用信號(hào)顯示模塊的數(shù)碼管以及LED燈對其進(jìn)行顯示，按鍵負(fù)責(zé)對數(shù)碼管顯示內(nèi)容進(jìn)行切換。供電電源采用的是9 V可充電鋰電池。

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(jì)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(jì)預(yù)期指標(biāo)是將頻段為20 MHz～1 200 MHz的信號(hào)進(jìn)行增益放大，增益可達(dá)20 dB以上，噪聲系數(shù)可以控制在1 dB以內(nèi)。

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(jì)指標(biāo)是頻率范圍為50 MHz～3 800 MHz、功率在-80 dBm～20 dBm的射頻信號(hào)變換成直流電壓輸出。

2.3 信號(hào)顯示主控模塊

    信號(hào)顯示主控模塊的框架如圖5所示。該模塊設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)是將范圍為-80.0 dBm～20.00 dBm的信號(hào)強(qiáng)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。

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(hào)顯示主控模塊中的AD轉(zhuǎn)換以及數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

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。

    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(biāo)下的合格率進(jìn)行分析，并且保證元件參量變化符合正態(tài)分布。

3.2 信號(hào)顯示主控模塊相關(guān)程序設(shè)計(jì)

    信號(hào)顯示主控模塊相關(guān)程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖7所示。

    在該模塊的程序設(shè)計(jì)流程中，最關(guān)鍵的是對系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口以及ADC的初始化配置，進(jìn)而完成數(shù)碼管、LED燈的驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，測向搜尋儀的調(diào)試地點(diǎn)選在錢塘江旁的沿江大道。搜尋儀和天線的整體實(shí)物圖、測試地圖如圖8所示。

    在測試過程中，由于空間受限，信號(hào)收發(fā)源的位置距離最遠(yuǎn)只能達(dá)到1 000 m，測試過程中射頻信號(hào)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(tái)。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(hào)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)距離值為10 km時(shí)，接收到的信號(hào)強(qiáng)度值對應(yīng)的距離值為-50 dBm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于-80 dBm，因此理論上通信距離是可以達(dá)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(dòng)方向，記錄相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值，并將得到的測試值和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得到誤差值，偏離角度分別與信號(hào)強(qiáng)度值、誤差絕對值的關(guān)系如圖9所示。

    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(dòng)后的方向與沿江大道方向偏離角度為0°時(shí)測得的信號(hào)強(qiáng)度值最大，并且測得值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差最小，誤差范圍均達(dá)到預(yù)期指標(biāo)±1 dBm以內(nèi)；隨著偏離角度絕對值θ的增大，測得的信號(hào)強(qiáng)度值會(huì)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(gè)測試位置上通過測向找到最大信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)距離值進(jìn)行比較作誤差分析。實(shí)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。

    由圖10可以知道，測得距離值和實(shí)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(dāng)測試距離值慢慢變大，誤差也會(huì)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(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求，實(shí)現(xiàn)了低噪聲射頻放大、射頻檢波、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、信號(hào)強(qiáng)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(hào)源；在測試過程中對目標(biāo)定位精度較高，因此后續(xù)可以將該搜尋儀應(yīng)用于實(shí)際海試測試，不斷地對其功能進(jìn)行完善優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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

作者信息:

胡畢煒，蔡文郁，溫端強(qiáng)，張娟娟

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州310018）