基于UWB的無(wú)線觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 寬，馬游春，劉鵬媛，趙 陽(yáng)

(1.中北大學(xué) 微米納米技術(shù)研究中心，太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

對(duì)炮彈爆炸進(jìn)行高速攝像采集是研究炮彈爆炸過(guò)程和毀傷威力的重要手段，在軍工領(lǐng)域有著重要的作用。高速攝像機(jī)采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量十分巨大，而內(nèi)存空間有限，因此需要定點(diǎn)觸發(fā)高速攝像采集系統(tǒng)，以保證完整記錄炮彈落地的過(guò)程。對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的觸發(fā)電路是否穩(wěn)定可靠，決定了采集系統(tǒng)能否順利實(shí)現(xiàn)功能。若系統(tǒng)沒有順利完成觸發(fā)，誤觸發(fā)或者延遲觸發(fā)，都會(huì)令采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失或錯(cuò)誤，得不到正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，甚至造成采集實(shí)驗(yàn)的失敗，輕則帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，重則延誤武器研發(fā)的進(jìn)程。因此，一定要提高采集觸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠，選擇正確合理的觸發(fā)方式。

目前，常用的觸發(fā)方式主要有內(nèi)觸發(fā)、光學(xué)觸發(fā)、斷線觸發(fā)和電磁觸發(fā)，這些觸發(fā)方式都是通過(guò)炮彈撞擊地面，才給出的觸發(fā)條件，這樣高速攝像機(jī)就無(wú)法記錄下炮彈快落地時(shí)爆炸前的畫面。為防止記錄范圍不夠全面，需要在炮彈落地前提前觸發(fā)該系統(tǒng)。目前采用的就是無(wú)線觸發(fā)來(lái)人為的提前預(yù)觸發(fā)。無(wú)線觸發(fā)電路的主要功能是在收到相應(yīng)的無(wú)線信號(hào)后產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。而人為預(yù)觸發(fā)因?yàn)槭侨送ㄟ^(guò)計(jì)算時(shí)間來(lái)給出的觸發(fā)信號(hào)，難免會(huì)有不穩(wěn)定性，為了能定量的進(jìn)行預(yù)觸發(fā)，提高觸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，引入了UWB無(wú)線測(cè)距系統(tǒng)，UWB(ultra wide band)技術(shù)具有功耗低[1]，對(duì)信道衰落不敏感，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]，該系統(tǒng)對(duì)炮彈與地面站的距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦到達(dá)預(yù)定距離時(shí)，給出觸發(fā)信號(hào)，即可精準(zhǔn)地完成提前觸發(fā)，保證每一次實(shí)驗(yàn)都穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 觸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該觸發(fā)系統(tǒng)主要有炮彈標(biāo)簽與地面基站兩部分組成。炮彈標(biāo)簽為UWB移動(dòng)標(biāo)簽，地面基站為UWB定位基站。在炮彈發(fā)射之前，將炮彈標(biāo)簽安裝在炮彈上，定位基站放置在高速攝像機(jī)處，并將定位基站的觸發(fā)信號(hào)線接在高速攝像機(jī)的觸發(fā)接口上，炮彈發(fā)射后，定位基站檢測(cè)到與炮彈的距離小于指定距離時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，高速攝像機(jī)啟動(dòng)，完成實(shí)驗(yàn)。無(wú)線觸發(fā)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 無(wú)線觸發(fā)示意圖

1.2 系統(tǒng)觸發(fā)原理

無(wú)線觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)原理為：在地面站UWB系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)一個(gè)距離值，然后標(biāo)簽與地面基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，地面基站會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量基站與標(biāo)簽的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間并采用測(cè)距算法對(duì)兩者距離進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算監(jiān)測(cè)，一旦檢測(cè)到距離值小于預(yù)設(shè)距離，基站會(huì)輸出一段3.3 V的高電平脈沖，高速攝像機(jī)接收到脈沖信號(hào)即開始啟動(dòng)，采集炮彈落地到爆炸的過(guò)程，即完成提前觸發(fā)的任務(wù)。距離信息也可以由串口實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)上[3-4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

UWB系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要由主控模塊、射頻收發(fā)模塊、天線收發(fā)模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊、發(fā)射與接收雙路放大模塊組成，如圖2所示。FPGA作為主控制器，對(duì)DW1000模塊進(jìn)行電平信號(hào)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收，并通過(guò)串口接收來(lái)自上位機(jī)的指令和將距離信息上傳至上位機(jī)。DW1000作為測(cè)距模塊，對(duì)基站與標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距。發(fā)送接收放大電路用于延長(zhǎng)發(fā)射距離和提高信號(hào)性能。

圖2 基站硬件框圖

2.1 主控制器核心

與單片機(jī)相比，F(xiàn)PGA得益于其內(nèi)部并行處理數(shù)據(jù)流的架構(gòu)，擁有更快的處理數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)成本相對(duì)較低，開發(fā)速度更快，因此選擇FPGA作為主控芯片。選擇Xilinx公司推出的Spartan3 系列XC3S400 芯片，封裝為 PQG208。該芯片內(nèi)部有74 880個(gè)邏輯單元，不僅性能出色，功耗也十分低[5]。編程用VHDL硬件描述語(yǔ)言，擁有更強(qiáng)的行為描述能力，豐富的仿真語(yǔ)句和庫(kù)函數(shù)。內(nèi)部集成Chipscope在線邏輯分析儀，可直接調(diào)用，提高調(diào)試系統(tǒng)的效率?？刂破髂K是硬件平臺(tái)的核心，是定位基站與定位標(biāo)簽的控制器，為 DW1000 電路提供相應(yīng)時(shí)序、控制以及數(shù)據(jù)交互功能，且能夠銜接通過(guò)無(wú)線通信模塊或串口通信模塊與 PC 機(jī)中上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并完成對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)的復(fù)位功能。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

在整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)中，DW1000、FPGA、Flash等模塊需要1.8 V與3.3 V電壓，功率放大器的啟動(dòng)電壓為5 V，DW1000的控制信號(hào)為3.3 V，因此在用于控制射頻模塊和功率放大器之前，必須將其電平轉(zhuǎn)換為5 V，F(xiàn)PGA的內(nèi)核電壓為1.5 V，因此還需要1.5 V的電壓輸出，以上所需要的電壓分別由4個(gè)電源模塊提供，電源模塊的原理如圖3所示。

2.3 UWB射頻收發(fā)模塊

目前市場(chǎng)上使用最為廣泛的UWB 射頻收發(fā)模塊為DecaWave 公司研制的DW1000[6]，它是第一塊UWB無(wú)線收發(fā)器，具有功耗低、成本低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高精度定位，定位精度可達(dá)±10 cm，其遵循IEEE802.15.4-2011 UWB 標(biāo)準(zhǔn)[7]。支持TOA(到達(dá)時(shí)間)、TDOA(到達(dá)時(shí)間差)、TWR(雙向測(cè)距)等多種算法，所支持的射頻波段寬，可支持3.5～6.5 GHz超寬頻定位，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)6.8 Mbps，有效通信距離為300 m左右[8-9]。數(shù)據(jù)交互接口采用SPI接口。其定位原理類似衛(wèi)星定位，需要有基站、標(biāo)簽及中心控制器，通過(guò)基站發(fā)送的UWB脈沖信號(hào)進(jìn)行基站與標(biāo)簽之間的距離測(cè)試，達(dá)到指定距離時(shí)進(jìn)行后續(xù)操作[10]。該芯片有較強(qiáng)的抗多徑能力和射頻功率可編程的功能，可在惡劣環(huán)境下保持通信的穩(wěn)定。其外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 電源模塊原理圖

圖4 DW1000外圍設(shè)計(jì)電路圖

查閱芯片資料可知，該模塊需要搭載一個(gè)38.4 MHz的外部晶振。時(shí)鐘管理部分主要包括三部分：晶體振蕩器、時(shí)鐘鎖相環(huán)和射頻PLL。時(shí)鐘鎖相環(huán)以外部晶振為參考時(shí)鐘輸入，用來(lái)產(chǎn)生SPI通信使用時(shí)鐘和數(shù)字后端使用時(shí)鐘，RF鎖相環(huán)用于提供接收鏈下發(fā)射鏈上變頻的本地振蕩器的時(shí)鐘，也以該外部晶振作為參考。

該模塊內(nèi)部帶有一次性可編程存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如TX功率電平、天線延遲值、晶體初始頻率誤差調(diào)整、測(cè)距范圍精度調(diào)整等，當(dāng)使用時(shí)需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可自行檢索調(diào)整[11]。當(dāng)片上電壓調(diào)節(jié)器被禁用時(shí)，存儲(chǔ)器可以在最低功耗狀態(tài)下保持DW1000的配置數(shù)據(jù)。

2.4 發(fā)射與接收雙路放大模塊

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，影響通信的因素都有：發(fā)射功率級(jí)、發(fā)射機(jī)天線增益、傳播通過(guò)程中的損耗、接收機(jī)天線增益、接收機(jī)靈敏度。為了增強(qiáng)信號(hào)的收發(fā)性能，同時(shí)延長(zhǎng)與標(biāo)簽之間的通信距離，在DW1000后增加了增益電路。將外部功率放大器連接DW1000來(lái)增加發(fā)射功率，將低噪聲放大器與DW1000連接來(lái)提高接收機(jī)靈敏度，從而提高通信最遠(yuǎn)距離[12-13]。

2.4.1 發(fā)射路徑放大電路設(shè)計(jì)

圖5 功率放大電路原理圖

圖6 低噪聲放大電路原理圖

在發(fā)送路徑上外加一個(gè)放大器，當(dāng)處于發(fā)送模式時(shí)，通過(guò)配置GPIO4引腳，將其更改為使用EXTPA(外部放大器)，來(lái)啟用外部功率放大器，開啟射頻通道，外部PA使能；當(dāng)處于接收模式時(shí)，外部PA被禁用，GPIO設(shè)置直接使DW1000開啟射頻通道。圖5為發(fā)射路徑外部功率放大電路圖，74HC1G04為逆變器，可以避免TXRX兩條路徑同時(shí)啟用的情況，cmd_tx為發(fā)射信號(hào)，從射頻開關(guān)U8的公共射頻端口VC2，通過(guò)RF2端口到功率放大器U7的3引腳，再通過(guò)功率放大器的6引腳輸出放大信號(hào)至射頻開關(guān)U6的RF1端口，最后從公共射頻端口7到天線。原理圖中最右端cmd_tx為接收信號(hào)，由天線經(jīng)過(guò)U6的公共射頻端口VC2返回至RF2端口，再?gòu)腞F2端口到U8的RF1端口，最后通過(guò)RFC端口到達(dá)巴倫。

2.4.2 接收路徑放大電路設(shè)計(jì)

接收路徑放大電路原理如圖6所示。當(dāng)處于接收模式狀態(tài)時(shí)，將射頻路徑切換成包括LNA的路徑，在發(fā)送模式下，LNA從電路中移除。圖中較低的射頻路徑即為接收路徑，由天線到U1上的公共射頻端口，再通過(guò)LNA與衰減器到達(dá)RF2端口，最后到達(dá)巴倫。圖中較高的射頻路徑為發(fā)送路徑，從公共射頻端口進(jìn)入，從RF1端口到達(dá)RF2端口，通過(guò)公共射頻端口最后到達(dá)天線。

3 算法與軟件設(shè)計(jì)

3.1 UWB測(cè)距算法

測(cè)距算法一般為通過(guò)測(cè)量標(biāo)簽和地面基站之間的到達(dá)時(shí)間、角度、強(qiáng)度等物理量，然后通過(guò)相應(yīng)的測(cè)距算法計(jì)算出標(biāo)簽與基站的具體距離。常用的測(cè)距技術(shù)有AOA(基于信號(hào)到達(dá)角度)、RSSI(基于信號(hào)接收強(qiáng)度)、TOA(基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間)等，考慮到測(cè)距成本、傳輸距離、環(huán)境條件，選擇TOA測(cè)距算法作為本文的測(cè)距方法。

TOA算法可分為單邊單向測(cè)距和雙向測(cè)距，由于單向測(cè)距對(duì)于時(shí)鐘的同步要求較高，因此選擇雙向測(cè)距算法，其測(cè)距原理如圖7所示。

圖7 單邊雙向測(cè)距

在Ta1時(shí)刻，設(shè)備A首先向設(shè)備B發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包，設(shè)備B在Tb1時(shí)刻收到數(shù)據(jù)包,等待Treply時(shí)刻后，設(shè)備B給A發(fā)送確認(rèn)消息，此時(shí)的發(fā)送時(shí)間可計(jì)算為Tb2=Tb1+Treply，在設(shè)備A收到數(shù)據(jù)包后記錄此時(shí)的時(shí)刻值Ta2。由式(1)～(2)可得到電磁波在空中的飛行時(shí)間Tprop，兩個(gè)設(shè)備間的距離即為飛行時(shí)間乘電磁波的飛行速度。

Triybd=Ta2-Ta1

(1)

Triybd=Tb2-Tb1

(2)

(3)

由于設(shè)備A和設(shè)備B使用自己的時(shí)鐘，時(shí)鐘會(huì)存在一定的漂移，以eA、eB分別表示設(shè)備A和B的時(shí)鐘漂移(以ppm為單位)，則測(cè)量的Tprop為:

(4)

然后，測(cè)得的飛行時(shí)間與實(shí)際飛行時(shí)間之間的誤差為:

(5)

因?yàn)門reply遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Tprop，則上述公式可以化簡(jiǎn)為:

(6)

由此可見當(dāng)B很長(zhǎng)時(shí)間之后回復(fù)A時(shí)，測(cè)距的誤差也會(huì)增大，如當(dāng)Treply為2 ms，時(shí)鐘漂移為80 ppm時(shí)，測(cè)得的時(shí)間誤差為80 ns，乘以光速，計(jì)算出的距離誤差可達(dá)到24 m，為了減少時(shí)鐘漂移的影響，提出了一種優(yōu)化算法[14]，該算法增加了設(shè)備A和設(shè)備B之間的信息傳輸。其基本原理如圖8所示。

圖8 雙邊雙向測(cè)距

這種測(cè)距算法稱為雙邊雙向測(cè)距。首先設(shè)備A在T1時(shí)刻將數(shù)據(jù)包發(fā)給設(shè)備B，設(shè)備B在T2時(shí)刻收到該數(shù)據(jù)包，在收到該數(shù)據(jù)包后，B等待Treply1的時(shí)間發(fā)送確認(rèn)信息，此時(shí)該時(shí)刻記為T3，設(shè)備A收到確認(rèn)信息的時(shí)間為T4，A收到確認(rèn)信息后等待Treply2時(shí)刻，再次向設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)包，該時(shí)間即T4+Treply2記為T5，設(shè)備B在T6時(shí)刻接收該數(shù)據(jù)包[15]。

由于：

TROUND1=Treply1+2TPROP

(7)

TROUND2=Treply2+2TPROP

(8)

TROUND1×TROUND2-Treply1×Treply2=

4TPROP+2TPROP×Treply1+2TPROP×Treply2

(9)

TROUND1+TROUND2+Treply1+Treply2=

4TPROP+2Treply1+2Treply2

(10)

電磁波在空中的飛行時(shí)間為:

(11)

由于每個(gè)獨(dú)立設(shè)備有自己的時(shí)鐘，考慮到時(shí)鐘漂移eA和eB的影響，Tprop的測(cè)量值為：

TPROP=

(12)

則可以得到真實(shí)值和實(shí)際測(cè)量值的誤差為：

(13)

化簡(jiǎn)可得：

(14)

因?yàn)門prop太小可省略，于是化簡(jiǎn)得：

(15)

即：

(16)

從上式可以看出Treply1和Treply2對(duì)誤差的影響很小，因此這種算法可以優(yōu)化時(shí)鐘漂移帶來(lái)的影響[16]。

3.2 UWB收發(fā)軟件設(shè)計(jì)

UWB通信基于SPI通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，其工作模式可通過(guò)GPIO.5和GPIO.6來(lái)決定，選擇模式0，在時(shí)鐘的第一個(gè)上升沿啟動(dòng)發(fā)送。表1顯示了UWB幀的一般結(jié)構(gòu)，它由包括前導(dǎo)碼(Preamble)和幀定界符的開始(SFD)的同步首部開始，之后PHY首標(biāo)(PHR)定義該幀的數(shù)據(jù)有效載荷部分的長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)速率。

表1 UWB通信幀結(jié)構(gòu)

3.2.1 標(biāo)簽DW1000數(shù)據(jù)收發(fā)

標(biāo)簽DW1000進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送前要進(jìn)行一系列配置。首先要對(duì)硬件DW1000進(jìn)行復(fù)位，并將SPI通信速率設(shè)置為2 MHZ左右，設(shè)置完成后對(duì)DW1000進(jìn)行初始化，此時(shí)將SPI速率設(shè)置為高速模式，并將預(yù)定義好的config結(jié)構(gòu)體寫入DW1000完成對(duì)其的配置。對(duì)于發(fā)送過(guò)程，需對(duì)寄存器TX_BUFFER(傳輸數(shù)據(jù)緩沖器)、TX_FCTRL(傳輸幀控制)進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置前導(dǎo)碼監(jiān)測(cè)超時(shí)時(shí)間。將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器，并配置發(fā)送端參數(shù)，啟動(dòng)發(fā)送后數(shù)據(jù)開始傳輸，等待數(shù)據(jù)傳輸完成，讀取DW1000發(fā)送寄存器狀態(tài)，發(fā)送完成將該位置1，然后接收對(duì)方返回的確認(rèn)包，成功接收后，幀計(jì)數(shù)加一，將狀態(tài)寄存器的RXFGG標(biāo)志位和錯(cuò)誤位清除，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間和確認(rèn)包接收時(shí)間進(jìn)行記錄。準(zhǔn)備發(fā)送二次確認(rèn)數(shù)據(jù)包，首先設(shè)置二次確認(rèn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間T5，將所有的時(shí)間戳(T1、T4、T5)寫入二次確認(rèn)數(shù)據(jù)包中，不斷查詢芯片狀態(tài)直到發(fā)送完成。

3.2.2 基站DW1000數(shù)據(jù)收發(fā)

基站部分在數(shù)據(jù)接收前也需要與標(biāo)簽端一樣進(jìn)行前期初始化及芯片配置，當(dāng)開始接收數(shù)據(jù)時(shí)，將DW1000的接收使能打開，檢查SYS_STATUS寄存器的RXFCG和ERR位，來(lái)判斷芯片狀態(tài)，直到成功接收或者發(fā)生錯(cuò)誤，讀取DW1000接收寄存器狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)接收完成，在SYS_STATUS寄存器中清除標(biāo)志位RXFCG，分別讀取寄存器RX_FINFO和RX_BUFFER來(lái)獲得接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和接收數(shù)據(jù)，判斷所接收到的數(shù)據(jù)是否是初始發(fā)送數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正確則獲得初始發(fā)送數(shù)據(jù)的接收時(shí)間T2，并將數(shù)據(jù)寫入BUFFER中，將接收狀態(tài)寄存器的值置1清除該位，準(zhǔn)備發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包，首先設(shè)置確認(rèn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間T3，其次設(shè)置發(fā)送完成后對(duì)方開啟接收的延遲時(shí)間、設(shè)置接收超時(shí)時(shí)間，之后發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包，重復(fù)上述操作，等待二次接收，判斷接收到的數(shù)據(jù)是否為二次確認(rèn)數(shù)據(jù)包，獲得接收數(shù)據(jù)包時(shí)的時(shí)間T6，從接收的二次確認(rèn)數(shù)據(jù)包中可以讀取到T1、T4、T5，至此計(jì)算電磁波在空中飛行時(shí)間所需的6個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全部接收。程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 DW1000收發(fā)程序設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 靜態(tài)誤差分析

對(duì)測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行誤差測(cè)量，在靜態(tài)環(huán)境下，測(cè)量4個(gè)基站分別到25個(gè)標(biāo)簽的距離，在東南西北個(gè)放置一個(gè)基站，為A1，A2，A3，A4，4個(gè)基站圍成一個(gè)正方形區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)布滿25個(gè)測(cè)試點(diǎn)為T1至T25，將標(biāo)簽上電，并將基站通過(guò)串口連接至上位機(jī)，上位機(jī)即可實(shí)時(shí)顯示基站與測(cè)試點(diǎn)的距離。4個(gè)基站與25個(gè)標(biāo)簽的初始位置如圖10所示。

圖10 4個(gè)基站和5個(gè)標(biāo)簽的初始距離

為了能直觀地觀測(cè)到測(cè)距誤差，將測(cè)試得到的100個(gè)距離信息文件導(dǎo)入Matlab軟件，通過(guò)編寫程序，仿真得出測(cè)距誤差的熱度，如圖11所示。

圖11 測(cè)距誤差熱度圖

由誤差熱度圖分析可以得到，T11，T12，T14，T15處對(duì)應(yīng)的誤差值為0～20 cm，說(shuō)明這些位置誤差相對(duì)較小。面積最大的區(qū)域?qū)?yīng)的誤差為20～40 cm，說(shuō)明測(cè)距誤差大部分分布在20～40 cm。

4.2 靶場(chǎng)測(cè)試分析

在與某單位進(jìn)行的炮彈落地測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，將該系統(tǒng)作為采集記錄裝置的觸發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，均完成了對(duì)高速攝像機(jī)的提前觸發(fā)，記錄下完整的炮彈落地爆炸的過(guò)程，成功地完成了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置距離參數(shù)為300 m以內(nèi)觸發(fā)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將測(cè)試后的距離信息文件進(jìn)行分析，得到觸發(fā)時(shí)基站與炮彈的距離如表2所示。

表2 觸發(fā)時(shí)基站與炮彈的距離表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)得觸發(fā)時(shí)距離誤差在10 m左右，滿足對(duì)高速攝像機(jī)提前觸發(fā)的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止環(huán)境和人為因素影響精度，應(yīng)將基站天線安裝與地面垂直，遠(yuǎn)離墻壁、玻璃、樹木等遮擋物，炮彈上標(biāo)簽的天線也應(yīng)當(dāng)露出[17]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于UWB模塊的無(wú)線觸發(fā)系統(tǒng)，利用UWB的測(cè)距算法精確實(shí)現(xiàn)了對(duì)記錄裝置的提前觸發(fā)，可有效解決記錄系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)的完整性問題，硬件上直接采用UWB模塊，極大地降低了設(shè)計(jì)難度，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)TOA算法進(jìn)行改進(jìn)，消除了UWB的時(shí)延問題。進(jìn)行程序編寫，通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)距來(lái)驗(yàn)證整體系統(tǒng)的可行性。通過(guò)使用Matlab軟件進(jìn)行誤差分析，得到誤差熱度圖，可以得到系統(tǒng)的測(cè)距誤差為20～40 cm，在實(shí)際的靶場(chǎng)測(cè)試環(huán)境中得到的觸發(fā)時(shí)距離數(shù)據(jù)，誤差在10 m左右，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性及可靠性。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)誤差小，穩(wěn)定性高，滿足工程需求，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)使用價(jià)值。