一種應(yīng)用于航空聲吶浮標(biāo)的磁羅盤設(shè)計(jì)

張艷艷

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

0 引 言

目前，很多導(dǎo)航系統(tǒng)都需要磁羅盤來提供輔助航向信息，本文提出基于磁通門傳感器設(shè)計(jì)的磁羅盤應(yīng)用于航空聲吶浮標(biāo)中，安裝在浮標(biāo)水下聲系統(tǒng)定向探頭內(nèi)。航空聲吶浮標(biāo)空投入水后，水面漂浮氣囊在海洋表面漂浮，水下聲系統(tǒng)部分在海洋深處對潛艇進(jìn)行測向、定位，當(dāng)水下聲系統(tǒng)探測到目標(biāo)時(shí)需依靠磁羅盤來判斷目標(biāo)相對于磁北的真方位，最終通過水面漂浮氣囊天線將目標(biāo)信息發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)了聲吶浮標(biāo)對目標(biāo)方位的實(shí)時(shí)探測。通常設(shè)計(jì)磁羅盤可以選用的測磁傳感器為磁阻效應(yīng)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器和磁通門傳感器。磁阻效應(yīng)傳感器應(yīng)用范圍廣、測量方便，可以測量小梯度的非均勻磁場及快速時(shí)間變化磁場，但溫度特性差，易受非線性關(guān)系限制[1]。霍爾效應(yīng)傳感器測量范圍廣、精度高、功耗小、尺寸小、易安裝，適合于強(qiáng)磁場測量，但溫度特性差，噪聲大，靈敏度低[2]。磁通門傳感器測量弱磁場范圍寬、測量分辨力高、溫度特性好、響應(yīng)迅速、可靠性強(qiáng)，可以長期工作，能夠滿足聲吶浮標(biāo)的使用需要[3]。受浮標(biāo)使用環(huán)境、體積、重量的限制，本文設(shè)計(jì)的磁羅盤，具有功耗低、尺寸小、重量輕、可靠性高、誤差小的特點(diǎn)。

1 磁通門傳感器工作原理

磁通門傳感器為磁飽和式傳感器，其選取導(dǎo)磁率高的磁性材料做磁芯材料，在交變磁場的飽和激勵(lì)下，磁場感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度存在非線性關(guān)系，它是利用這種非線性關(guān)系來測量弱磁場的傳感器。本文選用的環(huán)形正交磁通門傳感器，其內(nèi)部采用阻尼液使磁芯在一定情況下保持水平狀態(tài)，增加傳感器的穩(wěn)定性，在其工作時(shí)激勵(lì)磁場作用于磁芯上，兩路正交的感應(yīng)線圈將環(huán)境磁場調(diào)制成偶次感應(yīng)電勢，可用于地磁方位角測量。

環(huán)形正交磁通門傳感器2組正交的N'S'向感應(yīng)線圈和E'W'向感應(yīng)線圈由同一個(gè)線圈激勵(lì)，感應(yīng)線圈感應(yīng)環(huán)境磁場在其軸向的分量，產(chǎn)生與地磁方向有關(guān)的含多次諧波分量的信號，其中二次諧波分量穩(wěn)定度最好，幅值最大，且其幅度與磁通門傳感器N'S'方向偏離真地磁北方向的角度 α 成正弦或余弦關(guān)系變化，磁通門羅盤工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 磁通門傳感器工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working principle of fluxgate sensor

2 磁通門傳感器數(shù)學(xué)模型

在一根鐵芯上纏繞激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈，激勵(lì)線圈經(jīng)載流信號激勵(lì)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為：

式中：W為感應(yīng)線圈匝數(shù)；μ為鐵芯磁導(dǎo)率；H為載流激勵(lì)線圈在鐵芯上建立的激磁磁場強(qiáng)度；S為鐵心橫截面積。其中，S，N為不變量，鐵芯遠(yuǎn)離飽和工作狀態(tài)時(shí)，其磁導(dǎo)率μ近似為常數(shù)，則感應(yīng)電勢e僅與激磁磁場強(qiáng)度H有關(guān)。激磁磁場強(qiáng)度為：

式中：Hm為激勵(lì)磁場強(qiáng)度幅值，f為激勵(lì)磁場信號的頻率，則式(1)變?yōu)椋?/p>

該式為變壓器效應(yīng)的理想數(shù)學(xué)模型。

由于鐵芯磁化曲線存在非線性，激勵(lì)磁場瞬時(shí)值變化會(huì)引起磁導(dǎo)率μ隨之而變。所以，實(shí)際變壓器效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

激勵(lì)磁場瞬時(shí)值方向呈周期性變化,引起鐵芯磁導(dǎo)率 μ (t)發(fā) 生 改 變，由 于 μ (t)不 存 在 正負(fù)之 分 ， 所以μ(t)是偶函數(shù)，將 μ (t)做傅里葉級數(shù)展開，可得：

式中： μ0m為 μ (t)的常量分量， μ2m， μ4m， μ6m為 μ (t)的各偶次諧波分量。

由于變壓器存在于環(huán)境磁場中，所以變壓器鐵芯的外加磁場有激勵(lì)磁場和環(huán)境磁場。若環(huán)境磁場實(shí)際加在鐵芯軸向的分量為H0時(shí)，則式（4）變?yōu)椋?/p>

將式（6）代入H0引起的感應(yīng)電勢可得：

由式(7)可以證明，當(dāng)鐵芯磁導(dǎo)率 μ 隨激勵(lì)磁場強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)電勢中會(huì)出現(xiàn)隨環(huán)境磁場強(qiáng)度而變的偶次諧波e(H0)。

當(dāng)鐵芯處于周期性過飽和工作狀態(tài)時(shí)，偶次諧波e(H0)將顯著增大，可以利用該物理現(xiàn)象測量環(huán)境磁場[4-5]。

3 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的磁羅盤組成包括功率放大電路、環(huán)形正交磁通門傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、處理電路。其中信號調(diào)理電路由帶通濾波電路、相敏檢波電路組成，數(shù)據(jù)采集、處理電路主要包括激勵(lì)信號及參考信號生成、AD采集和數(shù)據(jù)計(jì)算處理，組成框圖如圖2所示。

圖2 磁羅盤組成框圖Fig.2 Block diagram of magnetic compass

激勵(lì)信號源的選擇對磁羅盤性能有著決定性的作用，重點(diǎn)從頻率穩(wěn)定性、相位穩(wěn)定性以及信號波形等幾個(gè)方面考慮。磁通門傳感器通過激勵(lì)信號f1激勵(lì)出帶有方位信息的感應(yīng)信號，再經(jīng)信號調(diào)理電路進(jìn)行濾波及檢波處理后，輸出帶有 α 方位信息的羅盤信號。若激勵(lì)信號f1存在頻率差 Δf，則信號調(diào)理電路中的濾波器對感應(yīng)信號處理會(huì)引起電路增益和相位發(fā)生改變，增益和相位的改變會(huì)導(dǎo)致檢波處理引入方位角偏差。激勵(lì)信號與相敏檢波參考信號采用同一頻率源，若信號相位不穩(wěn)定，同樣會(huì)導(dǎo)致檢波處理引入方位角偏差。一般激勵(lì)信號的形式包括方波、三角波和正弦波，其中方波信號具有較好的占空比和較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，因此本設(shè)計(jì)選用方波作為信號激勵(lì)。綜合考慮，選用FPGA器件對晶振分頻生成方波激勵(lì)信號與參考信號。方波激勵(lì)信號經(jīng)功率放大電路，為磁通門傳感器激勵(lì)線圈提供足夠強(qiáng)度的激勵(lì)電流，使磁通門傳感器磁芯進(jìn)入周期性深度飽和狀態(tài)，引起磁芯磁導(dǎo)率周期性的變化，進(jìn)而使感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)信號，信號的幅度和相位反映了外界磁場的大小和方向。兩路感應(yīng)信號經(jīng)選頻濾波放大、檢波處理輸出帶有磁方位信息兩路羅盤信號Vx，Vy。

3.1 功率放大電路

功率放大電路的重要性能是增益、相移和電壓波形，應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定度，且功率要求一定的裕度。FPGA器件對晶振分頻輸出f1方波信號，經(jīng)功率放大電路輸出驅(qū)動(dòng)信號為磁通門傳感器提供高飽和激勵(lì)電流，感應(yīng)線圈感應(yīng)磁場強(qiáng)度產(chǎn)生具有激勵(lì)信號f1偶此諧波且包含地磁方位角的信號，該信號中激勵(lì)信號的二次諧波分量穩(wěn)定度最好。

傳感器感應(yīng)線圈輸出信號中的二次諧波分量表達(dá)式為：

圖3 激勵(lì)信號與感應(yīng)信號對比圖Fig.3 Comparison of excitation signal and induction signal

3.2 調(diào)理電路

調(diào)理電路將磁通門傳感器N'S'與E'W'向感應(yīng)輸出信號分別經(jīng)過帶通濾波電路和相敏檢波電路，徹底濾除所有感應(yīng)信號中的脈動(dòng)分量，最終得到僅包含有地磁方位角 α的南北信號（Vx）和東西信號（Vy）。

1）帶通濾波電路

信號調(diào)理電路的帶通濾波器，主要作用是對感應(yīng)信號中磁感應(yīng)信號的二次諧波分量頻率信號進(jìn)行選頻，衰減其他多次諧波。本設(shè)計(jì)中的帶通濾波器選用兩級雙T網(wǎng)絡(luò)帶通濾波器，其具有高Q值，濾波性能穩(wěn)定，選頻特性好的優(yōu)點(diǎn)，頻率響應(yīng)特性如圖4和圖5所示。帶通濾波器的第一級濾波器中心頻率為 2f1-Δf，第二級濾波器中心頻率為 2f1+Δf，兩級帶通濾波器完全對稱，在 2f1處相位變化為零，在 4f1處相對于 2f1處衰減了40dB，即該帶通濾波器對感應(yīng)信號進(jìn)行了選頻放大處理，且對 2f1信號相位未發(fā)生改變。

圖4 帶通濾波器幅頻特性Fig.4 Amplitudefrequency characteristics of a bandpass filter

圖5 帶通濾波器相頻特性Fig.5 Phasefrequency characteristics of a bandpass filter

2）檢波電路

晶振分頻輸出2f1方波參考信號，控制開關(guān)模擬器對經(jīng)帶通濾波器的兩路感應(yīng)信號進(jìn)行檢波處理，得到相對磁北的方位角信息，最終兩路感應(yīng)輸出信號形式為：

3.3 數(shù)據(jù)采集、處理電路

FPGA控制AD采集磁羅盤兩路感應(yīng)輸出信號Vx、Vy，利用PFGA內(nèi)部處理器進(jìn)行數(shù)字信號處理，計(jì)算磁方位角。磁方位角的計(jì)算對兩路感應(yīng)信號的電壓值Vx，Vy比較敏感，當(dāng)Vx，Vy出現(xiàn)波動(dòng)、毛刺時(shí)，會(huì)引起磁方位角的波動(dòng)，因此一般工程應(yīng)用上在進(jìn)行方位計(jì)算前要對兩路感應(yīng)信號進(jìn)一步處理，如圖6所示。

圖6 數(shù)字信號處理流程圖Fig.6 Digital signal processing flowchart

首先對兩路感應(yīng)信號進(jìn)行低通濾波處理，去除兩路感應(yīng)信號波動(dòng)或者毛刺產(chǎn)生的野點(diǎn)，同時(shí)增加對兩路信號合法性判斷，需滿足：

式中GL，GH為固定值門限，對于不滿足該式的認(rèn)為是野點(diǎn)，直接剔除。方位角計(jì)算式為：

通過式（13）計(jì)算得到磁方位角，然后其值進(jìn)入一個(gè)長隊(duì)列，對該隊(duì)列進(jìn)行取平滑中值輸出 |α |，再根據(jù)Vx，Vy的數(shù)值符號進(jìn)行判象限，最終得到方位角α值。

4 測試結(jié)果

利用測試夾具將磁羅盤安裝在無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行測試。為防止鐵磁物質(zhì)影響磁羅盤傳感器，無磁轉(zhuǎn)臺(tái)以鋁合金材料制作而成，其工作范圍為0°～360°，航向精度為6′，航向分辨率為2′。利用指南針將無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的零刻度與磁羅盤的北保持一致，將無轉(zhuǎn)臺(tái)分別轉(zhuǎn)到10°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，240°，270°，300°和330°，通過計(jì)算機(jī)串口讀取磁羅盤方位角，并記錄數(shù)據(jù)。圖7為磁羅盤在不同方位上的測磁方位誤差圖，計(jì)算得到均方根誤差為0.63°，其中最大偏差為0.96°。

圖7 磁羅盤測磁方位角誤差曲線Fig.7 Magnetic azimuth error curve of magnetic compass

此處均方根誤差指的是每個(gè)測量點(diǎn)的實(shí)測值與無磁轉(zhuǎn)臺(tái)顯示值的方位差值的均方根誤差。計(jì)算式為：

式中： Δ α1， Δ α2…Δαn為測量點(diǎn)的實(shí)測值與無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的差值；為 Δ α1， Δ α2… Δ αn的平均值； Δ α為即為方位角均方根誤差值。

引起磁羅盤測量誤差的主要原因：1）磁通門傳感器本身測磁引入的誤差，主要與傳感器鐵心材料、探頭加工裝配誤差等因素有關(guān)；2）信號激勵(lì)源及參考信號可能存在的不穩(wěn)定性引起的誤差；3）外圍電路不穩(wěn)定引起的誤差，其中濾波電路的穩(wěn)定可靠是整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵；4）測量過程中，磁羅盤對北安裝誤差及環(huán)境雜散磁場引起的誤差。綜合考慮上述可能引起磁羅盤測磁方位誤差的各個(gè)因素，在設(shè)計(jì)之初采取相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)，選用有效、適用于工程批生產(chǎn)的可行措施，將磁羅盤測磁方位誤差降到最低。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)航空聲吶浮標(biāo)的實(shí)際使用需求，提出基于磁通門傳感器的磁羅盤設(shè)計(jì)。該磁羅盤具有功耗低、尺寸小、重量輕、可靠性高、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，滿足航空聲吶浮標(biāo)性能需求，具有工程指導(dǎo)意義。