CN106771664B - 基于jonswap海谱的海面缩比模拟方法及测试系统 - Google Patents

基于jonswap海谱的海面缩比模拟方法及测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于JONSWAP海谱的海面缩比模拟方法及测试系统,对波高进行线性缩比得到缩比系数p;调整静态电磁散射测量系统的俯仰角姿态;根据任务要求的测试频率f,设定静态电磁散射测量系统的测试频率为p*f;静态电磁散射测量系统提升到造波水池的水面上方;根据任务要求的测试高度H,将提升到的实际测试高度设置为H/p;根据任务要求模拟的峰升因子γ、风区长度X、风速U,将实际测试时的峰升因子设置为γ、风区长度设置为X/p、风速设置为
Figure DDA0001169652440000011
利用海环境模拟设施在造波水池模拟形成JONSWAP海谱的海面;利用静态电磁散射测量系统进行海杂波静态电磁散射特性测试。本发明可以使用现有中低海情波浪的造波水池来模拟高海情海浪,实现JONSWAP谱的缩比。

Description

基于JONSWAP海谱的海面缩比模拟方法及测试系统
技术领域
本发明涉及海杂波静态电磁散射特性模拟测试技术,特别涉及一种基于JONSWAP海谱的海面缩比模拟方法及测试系统。
背景技术
海面电磁散射的外场实测可控性差,且代价巨大,无法满足大量测试的需求。利用实验室内海杂波模拟系统,采用人工造波的方式,可以在实验室内开展可控的海杂波模拟测量研究。
JONSWAP海谱是一种人工造波模拟比较常用的海谱,相关的专利、论文中对于JONSWAP谱的模拟有比较详细的论述,但受造波系统造波能力的限制,人工模拟的海情有限,无法直接开展全尺寸高海情的模拟测试,目前仅能够进行3级以下海情的模拟测试。对于这种造波池人工缩比模拟高海情的方法还处于空白阶段,也是目前开展海面模拟测试的难点之一。
山东大学在专利“一种液压控制冲箱式造波装置及方法”(公开号:CN105823698A、申请号:CN201610164488.0)提出了一种液压控制冲箱式造波装置及方法,包括试验水渠、液压千斤顶、传动杆等,通过调整筒状冲箱与水面撞击,产生波浪,冲箱的圆弧构造产生的波浪更接近天然波浪,但水渠尺寸较小,不利于电磁散射特性测试,且未提及缩比波浪的造波池模拟方法。
三峡大学在专利“一种实验用推板式波浪模拟水槽”(公开号:CN204612896U、专利申请号:CN201520366830.6)中提出了一种实验用推板式波浪模拟水槽,包括水槽、消浪尖劈、伺服电机等,可以形成波浪用于模拟试验,同样该专利并未提及室内波浪缩比的方法。
凯利斯兰特尔波浪有限责任公司在专利“表面重力波浪发生器和波浪池”(公开号CN104781486A、申请号:CN200980154911.7)中,提出了用于产生适宜冲浪的波浪池,适合于通过移动机构在沿着侧壁的方向上移动以在沟槽中产生波浪,其在槛部上形成破碎浪,该种造波设备通常尺寸较小,且需要在侧壁放置移动机构,会对电磁散射回波产生影响,因此并不适用于电磁散射测试。
西安电子科技大学在硕士论文“导体目标与海面复合电磁散射的缩比诱导关系”提出了基于互易性原理和等效边缘电磁流法计算的三维目标与二维海面的耦合场的缩比关系,对于海面缩比的讨论并未提及JONSWAP谱,也没有提及缩比波浪的造波方法。
上海无线电设备研究所在论文“粗糙海面的电磁散射缩比模拟测量的若干基本问题”中根据粗糙海面缩比模拟理论与条件,讨论了缩比PM谱海面满足几何相似性条件的要求,和对粗糙海面进行缩比模拟测量的途径。但并未提及JONSWAP谱的缩比方法。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷,本发明的一个技术方案是提供一种基于JONSWAP海谱的海面缩比模拟方法,包含:
基于波级表及风和浪对应关系表对波高进行线性缩比,得到缩比系数p;
调整静态电磁散射测量系统的俯仰角姿态,模拟0°~90°范围内的不同入射角;根据任务要求的测试频率f,设定静态电磁散射测量系统的测试频率为p*f;
将静态电磁散射测量系统提升到造波水池的水面上方;根据任务要求的测试高度H,将提升到的实际测试高度设置为H/p;
根据任务要求模拟的峰升因子γ、风区长度X、风速U,将实际测试时的峰升因子设置为γ、风区长度设置为X/p、风速设置为
Figure BDA0001169652420000021
利用海环境模拟设施在造波水池模拟形成JONSWAP海谱的海面;
利用静态电磁散射测量系统进行海杂波静态电磁散射特性测试。
优选地,所述的造波水池,是用来产生中低海情波浪的造波水池,在其中模拟生成高海情海浪。
优选地,所述静态电磁散射测量系统通过测试系统姿态装定设备来与拖曳式运动小车组成联结体,以随所述拖曳式运动小车沿水面上方的高架轨路移动;
通过所述测试系统姿态装定设备来调节静态电磁散射测量系统的轴线与所述高架轨路之间的夹角。
优选地,所述高架轨路上升到设定值,并根据任务要求调整该高架轨路与水面的夹角;所述高架轨路位于设定值时,静态电磁散射测量系统达到实际测试高度。
优选地,利用所述测试系统姿态装定设备来调节天线主瓣与水面的夹角,使静态电磁散射测量系统能够对海杂波电磁散射特性与方位角的关系进行测试,并通过与拖曳式运动小车固定连接的信号采集系统实时采集散射回波信号。
本发明的另一个技术方案是提供一种海杂波静态电磁散射特性测试试验系统,通过造波设备在造波水池内模拟形成JONSWAP海谱的海面;其中,根据任务要求模拟的峰升因子γ、风区长度X、风速U,将实际测试时的峰升因子设置为γ、风区长度设置为X/p、风速设置为
Figure BDA0001169652420000031
p为基于波级表及风和浪对应关系表对波高进行线性缩比得到的缩比系数;
在所述造波水池水面上方的双肢龙门构架,架设与水平面的夹角、距离和高度可调的高架轨路;可沿高架轨路移动的拖曳式运动小车,对实时采集散射回波信号的信号采集系统固定连接,并通过测试系统姿态装定设备与电磁散射测量系统组成联结体;
其中,根据任务要求的测试高度H,提升所述高架轨路直至使电磁散射测量系统达到实际测试高度H/p;并且,根据任务要求的测试频率f,设定所述静态电磁散射测量系统的测试频率为p*f,来进行海杂波静态电磁散射特性测试。
优选地,所述信号采集系统固定连接在拖曳式运动小车下方的横梁处;
在横梁下方通过测试系统姿态装定设备设置的吊杆、吊杆并帽、带齿套筒和角度调节板与静态电磁散射测量系统连接;
所述静态电磁散射测量系统的俯仰角姿态调整后,通过所述角度调节板设置的锁定螺杆进行锁定。
优选地,所述的造波水池,是用来产生中低海情波浪的造波水池,在其中模拟生成高海情海浪。
优选地,所述造波水池内设有浪高测试反馈系统,造波水池四壁还设有消波装置。
本发明能够在现有造波水池波浪产生方式的基础上,实现JONSWAP谱的缩比,研究造波池内缩比波浪的频率、有效风区、风速的确定性关系,在造波池内产生能用与电磁散射测试的缩比波浪。
附图说明
图1是本发明所述海杂波静态电磁散射特性测试试验系统的结构示意图。
图2是本发明中拖曳式运动小车的装载示意图。
图3是本发明中测试系统姿态装定设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述:
如图1~图3所示,本发明提供一种海杂波静态电磁散射特性测试试验系统,包含海环境模拟设施、海杂波测量系统。
所述海环境模拟设施,包括:造波水池1、造波设备2、浪高测试反馈系统4,以及设置在造波水池的四壁以消除水波在波壁产生的回波干扰的消波装置3。
所述造波水池1的上方设置有双肢龙门构架5,用来架设与水平面的夹角、距离和高度可调的高架轨路6,拖曳式运动小车7可沿该高架轨路6移动。
海杂波测量系统包含的信号采集系统10、电磁散射测量系统8,分别与所述拖曳式运动小车7固定连接,以随该拖曳式运动小车7移动。其中,信号采集系统10位于拖曳式运动小车7下方的横梁,横梁下方进一步通过测试系统姿态装定设备9依次设置的吊杆14、吊杆并帽13、带齿套筒12、角度调节板11与电磁散射测量系统8连接,所述角度调节板11设有锁定螺杆15对调节好的角度进行锁定。
本发明所述基于JONSWAP海谱的海面缩比模拟方法,包含以下过程:
S1.计算合适的缩比系数
现有的造波水池只能产生中低海情(1-3级)波浪,根据表1中的波级表以及表2中的风和浪的对应关系表,对波高进行线性缩比,通过选择相应的缩比系数为P,可以实现高海情(4-5级)海浪的模拟。
S2.静态电磁散射测量系统装定及设置
将静态电磁散射测量系统8通过测试系统姿态装定设备9在横梁下方固定,按要求调整俯仰角姿态,模拟0°~90°范围内的不同入射角,若任务要求的测试频率为f,则在进行系统设定时将测试频率设置为p*f。
S3.高架轨道调节
高架轨路6沿双肢龙门构架5上升到水面上方,若任务要求的测试高度为H,则实际测试高度应设置为H/p。
S4.进行缩比波浪模拟
利用海环境模拟设施在实验室内模拟JONSWAP海面,若任务要求模拟的峰升因子为γ、风区长度为X、风速为U,则实际测试时峰升因子选为γ、风区长度为X/p、风速为
Figure BDA0001169652420000051
S5.静态模拟测试
对海杂波的静态缩比测试,静态电磁散射测量系统8及信号采集系统10配合,测试海杂波的散射信号并采集存储,进行后期处理,测试完毕则进入步骤S6。
S6.试验结束后各分系统归位
电磁散射静态缩比模拟测试试验结束后将各分系统归位。
我国国家军用标准中采用国家海洋局1978年颁布规定的浪级,以三一波高(即所观察到的波群之中的1/3最大浪高的平均值)来划分波级,见表1。
表1波级表
波级 H<sub>1/3</sub>(m) H<sub>1/10</sub>(m) 名称
0 0 0 无浪
1 <0.1 <0.1 微浪
2 0.1~0.5 0.1~0.5 小浪
3 0.5~1.25 0.5~1.5 轻浪
4 1.25~2.50 1.5~3.0 中浪
5 2.50~4.0 3.0~5.0 大浪
6 4.0~6.0 5.0~7.5 巨浪
7 6.0~9.0 7.5~11.5 狂浪
8 9.0~14.0 11.5~18 狂涛
9 >14.0 >18 怒涛
对于风和浪之间的对应关系,如表2所示。
表2
以在最大能造三级波浪的造波水池中获取2GHz下JONSWAP海谱(峰升因子为γ=3.3、风区长度为X=100m、风速U=10m/s)缩比模拟测试数据为例,测试的主要步骤如下:
步骤1:计算合适的缩比系数。
要产生风速U=10m/s的JONSWAP谱模拟海浪,根据表1的波级表和表2的风和浪的对应关系表,10m/s对应五级,产生波高2m左右,最大能模拟三级浪的造波水池(波高0.6m),此时选择缩比系数一般应大于2/0.6≈4,此处确定缩比系数p=4。
步骤2:静态电磁散射测量系统装定及设置
将静态电磁散射测量系统8通过测试系统姿态装定设备9在横梁下方固定,按要求调整俯仰角姿态,模拟0°~90°范围内不同的入射角,若任务要求的测试频率为2GHz,则在进行系统设定时将测试频率设置为8GHz。
步骤3:高架轨道调节
高架轨路沿双肢龙门构架上升到水面上方,任务要求的测试高度为6m,则实际测试高度应设置为1.5m。
步骤4:进行缩比波浪模拟
利用海环境模拟设施在实验室内模拟JONSWAP海谱海面,任务要求模拟的峰升因子为γ=3.3、风区长度为X=100m、风速为U=10m/s,实际测试时峰升因子选为γ=3.3、风区长度为10m、风速为5m/s,开展缩比波浪的模拟,用于后续的电磁散射特性缩比测试。
步骤5:静态模拟测试
测试时,利用测试系统姿态装定设备9将静态电磁散射测量系统8与拖曳式运动小车7组成联结,并通过测试系统姿态装定设备9调节静态电磁散射测量系统8轴线与高架轨路6之间的夹角;高架轨路6上升到要求的高度,并按要求调整高架轨路6与水面的夹角;造波设备2按设定的造波波形造出波浪;利用测试系统姿态装定设备9调节天线主瓣与水面的夹角,用来测试海杂波电磁散射特性与方位角的关系,信号采集系统10实时采集散射回波信号。测试完毕则进入步骤6。
步骤6:试验结束后各分系统归位
缩比海浪电磁散射静态模拟测试试验结束后将各分系统归位。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于JONSWAP海谱的海面缩比模拟方法,其特征在于,基于波级表及风和浪对应关系表对波高进行线性缩比,得到缩比系数p;调整静态电磁散射测量系统的俯仰角姿态,模拟0°~90°范围内的不同入射角;根据任务要求的测试频率f,设定静态电磁散射测量系统的测试频率为p*f;
将静态电磁散射测量系统提升到造波水池的水面上方;根据任务要求的测试高度H,将提升到的实际测试高度设置为H/p;
根据任务要求模拟的峰升因子γ、风区长度X、风速U,将实际测试时的峰升因子设置为γ、风区长度设置为X/p、风速设置为
Figure FDA0002243043470000011
利用海环境模拟设施在造波水池模拟形成JONSWAP海谱的海面;
利用静态电磁散射测量系统进行海杂波静态电磁散射特性测试;
所述造波水池,是用来产生中低海情波浪的造波水池,在其中模拟生成高海情海浪;所述静态电磁散射测量系统通过测试系统姿态装定设备来与拖曳式运动小车组成联结体,以随所述拖曳式运动小车沿水面上方的高架轨路移动;通过所述测试系统姿态装定设备来调节静态电磁散射测量系统的轴线与所述高架轨路之间的夹角;
信号采集系统固定连接在拖曳式运动小车下方的横梁处;在横梁下方通过测试系统姿态装定设备设置的吊杆、吊杆并帽、带齿套筒和角度调节板与静态电磁散射测量系统连接;所述静态电磁散射测量系统的俯仰角姿态调整后,通过所述角度调节板设置的锁定螺杆进行锁定。
2.如权利要求1所述基于JONSWAP海谱的海面缩比模拟方法,其特征在于,所述高架轨路上升到设定值,并根据任务要求调整该高架轨路与水面的夹角;所述高架轨路位于设定值时,静态电磁散射测量系统达到实际测试高度。
3.如权利要求2所述基于JONSWAP海谱的海面缩比模拟方法,其特征在于,利用所述测试系统姿态装定设备来调节天线主瓣与水面的夹角,使静态电磁散射测量系统能够对海杂波电磁散射特性与方位角的关系进行测试,并通过与拖曳式运动小车固定连接的信号采集系统实时采集散射回波信号。
4.一种海杂波静态电磁散射特性测试试验系统,其特征在于,
通过造波设备在造波水池内模拟形成JONSWAP海谱的海面;其中,根据任务要求模拟的峰升因子γ、风区长度X、风速U,将实际测试时的峰升因子设置为γ、风区长度设置为X/p、风速设置为
Figure FDA0002243043470000021
p为基于波级表及风和浪对应关系表对波高进行线性缩比得到的缩比系数;
在所述造波水池水面上方的双肢龙门构架,架设与水平面的夹角、距离和高度可调的高架轨路;可沿高架轨路移动的拖曳式运动小车,对实时采集散射回波信号的信号采集系统固定连接,并通过测试系统姿态装定设备与电磁散射测量系统组成联结体;
其中,根据任务要求的测试高度H,提升所述高架轨路直至使电磁散射测量系统达到实际测试高度H/p;并且,根据任务要求的测试频率f,设定所述静态电磁散射测量系统的测试频率为p*f,来进行海杂波静态电磁散射特性测试;
所述信号采集系统固定连接在拖曳式运动小车下方的横梁处;
在横梁下方通过测试系统姿态装定设备设置的吊杆、吊杆并帽、带齿套筒和角度调节板与静态电磁散射测量系统连接;
所述静态电磁散射测量系统的俯仰角姿态调整后,通过所述角度调节板设置的锁定螺杆进行锁定;
所述的造波水池,是用来产生中低海情波浪的造波水池,在其中模拟生成高海情海浪。
5.如权利要求4所述海杂波静态电磁散射特性测试试验系统,其特征在于,所述造波水池内设有浪高测试反馈系统,造波水池四壁还设有消波装置。
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