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基于STM32的宽带空气声纳样机
Marta OKOŃ-FĄFARA(1), Adam KAWALEC(1), Bartłomiej FĄFARA(2)
(1) Faculty of Electronic
Military University of Technology
gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa, Poland; e-mail: marta.okon@wat.edu.pl
(2) Development Department
Military Institute of Armament Technology
Prym. St. Wyszyńskiego 7, 05-220 Zielonka, Poland
(2017年7月7日收到;2017年9月18日
本文介绍了一种低成本的宽带空气声纳样机的研制方案及其研制过程中出现的问题。这项工作的目的是设计一种短程空气声纳，能够使用任意形状的宽带信号创建周围环境的反射率图。为这种应用选择的发射和接收传感器通常工作在脉冲工作模式下。因此，必须设计专用的输出和输入电路，以便在不损失信息的情况下扩展其功能。信号的产生、传输、接收和存储由一个带有STM32单片机的发现评估板来管理。接收数据保存在SD卡上，离线处理。
关键词:成像空气声纳;STM32;超声换能器
1. 介绍
所设计的系统的基本假设是由各种潜在的应用决定的。合成孔径声纳(SAS)是目前最流行的航空声纳成像技术。传感器沿着假定的轨迹(通常是直线)移动，并记录来自扫描区域的回波。特殊的信号处理算法可以将这些回波转换成反射率图，获得地形的高分辨率图像(Hansen, 2011;Kawalec, 2010)。另一个流行的应用是反合成孔径声纳(ISAS)。静止传感器记录来自运动物体的回波，专用算法可以获得目标的图像。Serafin等(2017)给出了该系统的工作原理和初步结果。空气声纳还可以探测有限空间内的小目标。在这种情况下，物体的大小由它的反射率决定，反射率决定了它在接收信号中的回波水平。最好的例子是无人机，它通常会产生微弱的回声。另一个潜在的应用是利用空气声纳作为移动机器人的导航传感器。对障碍物的探测帮助他们在房间里导航。
要在上述成像应用中使用空气声纳，该系统必须是便携式的。这意味着它必须有尽可能小的包装尺寸，它必须由电池供电。成像应用要求较宽的信号带宽，以达到更好的图像质量在距离分辨率方面。假设信号的载波频率为50khz，带宽至少为10khz。在这个频率范围内，设备不应引起任何信号失真。
2. 系统设计
声纳系统就像雷达系统一样包含发射和接收通道、控制单元和处理单元(Richards, 2005)。声纳功能框图如图1所示。这些线表示功率路径，粗体表示信号路径。据此假设，整个系统由一个小的12v锂电池供电。
以STM32F4单片机作为控制单元。降低了系统成本，避免了硬件设计的必要性
图1.设计的空气功能框图
声纳系统
对于处理器的工作，使用了一个STM评估“disco -ery”工具包，其中包含一个扩展板，包括SD卡插槽。原始接收数据存储在外部内存中，处理操作在PC应用程序中离线执行。
选用感测器(宝丽来)制作的600系列仪器级超声传感器。在所考虑的频段内具有平坦的接收和发射特性。它是一个静电传感器，要求工作电压范围高，最大值为400v，偏置电压在150v到200v之间。根据它的数据表，在它的名义应用中，如果使用合适的驱动程序，它可以达到15米的最大范围和3毫米的分辨率。
在原型系统中使用STM32和sencomp系列600换能器并不是一个新概念。全息梳等(2015)利用这些组件设计了宽带超声记录系统。在他们的解决方案中，没有必要传输信号，因此那里没有传输通道。
2.1．传输通道
样品电子(n.d.)公司提出了sencomp系列600传感器发射和接收电路的标准设计。他们假定使用变压器来获得所需的电压范围。仿真结果表明，该方法仅适用于短脉冲信号，如图2所示。
图2.通过发射路径的信号通道提出的样品
信号的转换方式是只在输出端出现正电压。如果信号的形状与双极方阵不同，就会发生形状畸变，部分信息丢失。因此，应该找到另一个解决方案。
为了满足换能器电压范围的要求，从数模转换器的信号必须通过线性运算放大器放大。保护信号动态范围转换速率应该至少30 V /micro;s。它还应该具有平坦或线性频率特性。这些条件由Apex微技术PA88满足，其典型应用是压电驱动器。
这种解决方案的缺点是必须为放大器使用稳定的高压电源。采用电容式充电器控制器LT3751。调整控制元件，确保电池电压转换到400v。
为了验证设计的正确性，使用了持续时间为1ms、带宽在45 ~ 55khz之间的LFM脉冲。所产生的探测脉冲被送入发射换能器，并以超声波的形式发射。假设波形和发射通道末端记录的信号如图3所示。
图3.产生的信号及其放大后的版本
在传输路径的末端可以看出，给定的波形对应于输出信号，没有明显的失真。它证明了
m . Okoń-Fąfara et al。基于STM32 763宽带航空声纳的原型设计的发射通道工作正常。此外，所需的150伏偏置电压是清楚地看到。
2.2.接收通道
从被观察物体反射回来的超声波回波被另一个换能器接收并转换成电压变化。接收通道的主要目的是将信号从传感器转换到STM32模数转换器(ADC)输入电压范围，即0 - 3v。该函数由图4所示电路实现。
可以区分接收通道的三个主要部分。第一个是RC高通滤波器，消除了偏置电压。下一部分是一个累加放大器，它为信号增加了一个小的常数分量。它的值由R41和R42电阻的比值决定。线性运放U2除了其主要功能外，由于其频宽，还起着低通滤波器的作用，截止频率在100 kHz左右。预处理后的信号被放大到所需的电压范围
图4.接收通道方案
菲尔U3。给出的信号转换顺序允许保持单极电源为每个模块。
为了验证接收通道设计的正确性，进行了简单的实验。声纳传感器在70 cm的距离上彼此相对放置，发射信号由接收通道直接接收和测量。这样的安排确保了最高的输入信号强度。实验结果如图5所示为波形图(振幅vs时间)。
接收到的信号在波形图中清晰可见，但也有来自发射通道的干扰。“泄漏”信号的振幅比接收到的信号大。干扰源可能是通过地面路径进行信号传播。这种干扰当然是不需要的元素，但是可以用来同步后续的回波记录，并且可以在后处理软件中进一步删除。在进一步的系统开发过程中，这种现象将被消除。
图5.接收端信号幅度与时间的比值
3.结果
设计的声呐样机在具有较强反射率的物体上进行了测试，即反射面积为正方形的三面体锥。设计的装置和测试场景如图6所示。
图6.原型设备和测试场景
第一个测试是检查SD存储卡上信号存储的正确性。图7为实验结果，所存储的信号与接收到的信号保真度较高。发生的直流偏移与ADC输入电压范围0 - 3v有关。
图7.反射锥反射的信号
下一个重要的参数，从潜在的应用角度来看，是空气声呐的距离分辨率。其理论值可由下式估计(Richards, 2005):
（1）
其中v为声波传播速度，B为传输信号带宽。在我们的例子中，距离分辨率应该是1.7厘米。为了验证这个值，在声纳传感器前放置了两个反射锥。它们之间的相互距离在0厘米到5厘米之间每隔1厘米变化一次。反射的回波信号被储存起来，然后它们就被储存起来
被压缩的范围。最后一个可分辨反射器回波的距离被指定为空气声纳的距离分辨率。图8显示了两次连续扫描记录的对象的回波。证明了接收结果是可重复的，两者之间的任何差异都与噪声有关。也可以看出，距离约为2cm，保证了回波的分离。计算结果表明，空气声呐的实际分辨率与理论值基本一致。
图8.两个相隔2厘米的物体的回声被记录下来连续两次扫描
一个类似的场景被用来验证声纳的射程。将反射锥移开换能器，检测记录的回波信号的电平。该物体在信号中变得不可见的距离被指定为声纳范围。所使用的反射锥的反射面积为0.25平方米，其空气声纳的探测范围约为5米。对于成像和扫描的目的，空气声纳的设计就足够了。
正如前面强调的，项目假设之一是设计声纳的低成本。包括元件的价格和所谓的开发成本，总金额不超过200 A c。对于这样一个样机来说，这是一个相当合理的价格。
4. 总结
介绍了以STM32单片机为控制单元的宽带空气声呐的设计。满足了系统在价格、带宽、分辨率和范围等方面的主要设计假设。设计系统的基本假设是由各种潜在的应用决定。最受欢迎的空气声纳成像应用是合成孔径声纳（SAS）。传感器移动沿着假定的轨道（通常是一条直线）和记录扫描区域的回波。特别的信号处理算法允许转换那些回应反射率图并获得高分辨率的地形图像。另一种流行的应用是逆合成孔径声纳（ISAS）。固定传感器记录来自移动物体和专用的回声算法允许获得目标的图像。该操作原理和初步结果系统由Serafin等人提出。该空气声纳还可以检测到有限的小物体空间。在这种情况下，对象的大小由它的反射率，定义了它的回声水平收到的信号。最好的例子是无人机，其中通常呈现弱回声。另一个潜在的应用是使用空气声纳作为用于移动机器人的导航传感器。检测障碍帮助他们在房间里四处走动。在上述成像中使用空气声纳应用程序系统必须是可移植的。这意味着它必须具有尽可能小的封装尺寸，并且必须由电池供电。成像应用需要宽信号带宽在范围分辨率方面达到更好的图像质量。假定信号的载波频率为50 kHz，带宽至少10 kHz。在这频率范围，设备不应该引起任何信号失真。进一步的工作将涉及提高信号纯度。特别是接收通道需要进一步的工作，以扩大电压范围，并缩小有效滤波带仅对传输信号的频率。还可以使用更宽频段的运算放大器。尽管该装置有了进一步的发展m . Okoń-Fąfara et al。基于STM32 765宽带航空声纳的原型空气声呐在信号处理的研究中具有重要的应用价值。
参考文献
1. Hansen R.E. (2011), Introduction to Synthetic Aperture Sonar, [in:] Sonar systems, Kolev N. [Ed.], pp. 3–28,
InTech.
2. Holocomb M.R., Schneider S.N., Briggs J.F.
(2015), 100 kHz bandwidth ultrasonic recording system,
Instrumentation Science and Technology, 43, 214–221.
3. Kawalec A., Szugajew M., Serafin P. (2010), Synthetic aperture sonar [in Polish], Elektronika – konstrukcje, technologie, zastosowania, 10/2010, pp. 64–66.lt;
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