CN108680919A - 一种基于x波段雷达的综合导航及海浪检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，包括依次连接的显控台、天线和伺服收发单元；显控台包含主机单元、显示单元、操控单元和船电电源；主机单元分别与显示单元和操控单元连接，主机单元包含雷达主机板、雷达控制板、信号处理板和电源模块；雷达主机板分别与雷达控制板、信号处理板、显示单元、操控单元、船电电源和伺服收发单元连接；伺服收发单元包含伺服单元和收发单元；伺服单元包含依次连接的电机传动装置、方位和船艏脉冲形成电路；收发单元包含依次连接的性能监视器、发射机和接收机。本发明综合导航和海浪检测功能于一体，适用于船载移动和海上平台、岸基固定应用，满足机动探测和近岸探测的需求。

Description

一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统
技术领域
本发明涉及雷达技术的研究领域，特别涉及一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统。
背景技术
X波段岸基雷达和航海雷达广泛应用于海上交通管理和海上航行导航，可实现海上浮标、船只、海岸等目标的探测与检测跟踪，提供导航避碰信息，保障舰船的航行安全。
此外，近年来X波段雷达也逐步发展成为一种用于海洋环境监测的新手段。当X波段雷达电磁波入射到海面时，与那些与雷达波长相当的、由风引起的毛细波产生布拉格(Bragg)散射，后向散射回波被雷达接收器接收，形成“海杂波”，而波长较长的重力波通过对毛细波的流体动力调制、倾斜调制、阴影调制作用表现在海杂波图像上，因此，X波段雷达图像包含着丰富的海浪信息。利用X波段雷达进行海洋监测具有便捷、可靠、经济、实时和分辨率高等特点。
目前国内用于实现海洋探测系统的X波段雷达主要都是采用进口的雷达，雷达的控制操作会受到一定限制。此外，导航雷达系统和测波雷达系统通常是作为两个独立的系统来使用，集成度较差，功能相对单一，当需要同时使用导航及测波功能时需要两个系统来完成，造成资源的浪费，无法满足日益发展的海洋探测管理领域的技术要求。因此，需要一种新型的综合导航及海浪监测雷达系统来解决目前的现状。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，接收从雷达控制板发出的传感器数据，和从信号处理板发出的雷达视频数据，将雷达回拨和传感器数据做综合处理和显示，实现综合导航和测波功能。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，包括依次连接的显控台、天线和伺服收发单元；
所述显控台包含主机单元、显示单元、操控单元和船电电源；所述主机单元分别与显示单元和操控单元连接，所述主机单元包含雷达主机板、雷达控制板、信号处理板和电源模块；所述雷达主机板分别与雷达控制板、信号处理板、显示单元、操控单元、船电电源和伺服收发单元连接；所述船电电源分别与电源模块和显示单元连接；
所述伺服收发单元包含伺服单元和收发单元；所述伺服单元包含依次连接的电机传动装置、方位和船艏脉冲形成电路；所述收发单元包含依次连接的性能监视器、发射机和接收机。
优选的，雷达主板机由X86工控机构成，主机单元是显控台的核心处理单元，显控台的主机单元控制伺服收发单元工作，接收来自伺服收发单元的雷达时频、船艏、方位和触发信号及工作状态信息；
优选的，所述雷达主板机提供双DVI显卡，支持高清晰双屏显示，即雷达回波界面和海浪参数界面分开显示，利于操作人员观测，便于同时进行综合导航进和海浪检测操作；
优选的，所述雷达控制板的控制芯片为FPGA控制芯片；
优选的，所述信号处理板的处理芯片为FPGA处理芯片；
优选的，所述天线为水平级化裂缝波导天线；此类型天线具有旁瓣电平低、结构简单、风阻小、重量轻优点；天线罩壳采用圆弧倒角设计，可有效减小风阻，使天线在相对风速较高时仍能保持正常转速，增强了天线的抗风能力。天线选用磁控管作为大功率器件，基于刚性调制方式产生三种宽度调制脉冲，兼顾雷达距离分辨力与作用距离的要求。
本发明所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统的工作过程如下：
显控台控制伺服收发单元，伺服收发单元驱动天线以特定转速转动，产生船艏、方位信号，完成雷达射频信号的发射与接收；收发单元产生载波为9410MHz的大功率射频脉冲，通过天线向空间辐射；射频脉冲遇到目标后部分能量被反射，由天线接收，经混频、对数放大、视频检波后形成雷达视频信号发送至显控台；性能监视器通过耦合发射的9410MHz射频信号，并通过内部的AFC进行频率锁存，并延时发射，由接收机接收，形成在一定距离上的圆环，用于监视雷达磁控管性能是否下降。显控台的主机单元控制伺服收发单元工作，接收来自伺服收发单元的雷达视频、船艏、方位和触发信号及工作状态信息；对视频信号进行雨雪杂波抑制、抗同频异步干扰、脉间积累等处理，并进行目标检测，点迹提取，完成数据关联、跟踪滤波、海浪反演等功能；显示单元与操控单元接收用户操控命令并完成雷达视频、目标航迹、海浪参数等信息的显示；
采用离散傅里叶分析的方法进行海浪参数反演；海浪参数反演流程如图所示，由于海浪回波信号满足Bragg谐振散射条件的毛细波以及调制毛细波的较长波产生的，为了从雷达图像上得到海浪信息，首先将一系列的雷达图像数字化，得到离散图像信息，然后在(x,y,z)三维空间上通过三维傅氏变换得到三维图像谱。接着对比实际谱能量和理论谱能量这两者所处的位置，得到海流大小和方向，以修正色散关系。根据包含流速的表面波色散关系，采用最小二乘法估计流速。在适当的色散关系的条件下，把三维图像谱在频率上积分转化成二维图像谱，继而变到一维谱。这样可以由二维谱或一维谱获得大部分重要的海面状态参数，例如：浪高，浪周期，浪向等。浪向估计中采用贝叶斯估计与3DFFT相结合的方法，有效浪高则通过色散空间中信号信噪比进行估计。
其中，雷达控制板接收外部传感器，如AIS、GPS、计程仪的输入串口信息，并将串口信息处理后通过以太网送给主机单元；同时，主机单元也通过以太网将雷达回波信息发送给控制板，控制板再通过串口发送给外部其它接收设备。此外，雷达控制板还完成雷达回波信号的雨雪抑制处理，并为信号处理板及风扇供电；
信号处理板接受来自雷达控制板的船艏、方位、触发信号和雷达视频信号，并经过差分放大器和A/D采样后由FPGA处理器进行滤波处理和同频异步干扰处理；进一步的，信号处理板将处理后的雷达回波数据和方位信号打包，通过以太网发送至雷达主机板。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明将导航雷达系统和测波雷达系统结合，即综合导航和海浪检测功能于一体，适用于船载移动和海上平台、岸基固定应用，满足机动探测和近岸探测的需求，节约资源，满足日益发展的海洋探测管理领域的技术要求；
2、本发明支持高清双屏显示，雷达回波界面和海浪参数界面分开显示，利于操作人员观测，便于同时进行综合导航进和海浪检测操作；
3、本发明采用水平极化裂缝波导天线，裂缝波导安装在玻璃纤维增强型塑料罩内，以刚性连接方式固定在伺服收发单元托架上。天线罩壳采用圆弧倒角设计，可有效减小风阻，使天线在相对风速较高时仍能保持正常转速，增强了天线的抗风能力。天线选用磁控管作为大功率器件，基于刚性调制方式产生三种宽度调制脉冲，兼顾雷达距离分辨力与作用距离的要求。
附图说明
图1是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统整体结构框图；
图2是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统显控台结构框图；
图3是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统雷达控制板结构框图；
图4是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统信号处理板结构框图；
图5是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统A/D采样电路的电路图；
图6是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统方位和船艏脉冲形成电路的电路图；
图7是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统外接旋转编码电路的电路图；
图8是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统外接矩阵键盘电路的电路图；
图9是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统外接背光驱动电路的电路图；
图10是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统雷达主控软件结构框图；
图11是本发明所述一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统海浪参数反演流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，如图1所示，包括依次连接的显控台、天线和伺服收发单元；
显控台如图2所示，包含主机单元、显示单元、操控单元和船电电源；所述主机单元分别与显示单元和操控单元连接，所述主机单元包含雷达主机板、雷达控制板、信号处理板和电源模块；所述雷达主机板分别与雷达控制板、信号处理板、显示单元、操控单元、船电电源和伺服收发单元连接；所述船电电源分别与电源模块和显示单元连接；
伺服收发单元包含伺服单元和收发单元；所述伺服单元包含依次连接的电机传动装置、方位和船艏脉冲形成电路；所述收发单元包含依次连接的性能监视器、发射机和接收机。
伺服收发单元驱动天线以特定转速转动，产生船艏、方位信号，完成雷达射频信号的发射与接收。电机传动装置主要由电机驱动板、直流驱动电机和齿轮传动装置组成，电机驱动板主要将为电机提供驱动电压，接收电机启动控制命令来实现电机启动和停止。收发单元产生载波为9410MHz的大功率射频脉冲，通过天线向空间辐射。射频脉冲遇到目标后部分能量被反射，由天线接收，经混频、对数放大、视频检波后形成雷达视频信号发送至显控台。收发单元中采用对数放大接收机，完成雷达信号接收；采用刚性调制发射机，易于实现发射脉宽控制，利于系统性能稳定。性能监视器通过耦合发射的9410MHz射频信号，并通过内部的AFC进行频率锁存，并延时发射，由接收机接收，形成在一定距离上的噪声环，用于监视雷达磁控管性能是否下降。噪声环显示的距离表明收发机的输出功率，正常情况下会在雷达图像的24海里附近显示一个噪声环，当磁控管输出功率降低10dB时，噪声环显示的距离将在12海里附近。
雷达主板机由X86工控机构成，主机单元是显控台的核心处理单元，显控台的主机单元控制伺服收发单元工作，接收来自伺服收发单元的雷达时频、船艏、方位和触发信号及工作状态信息；
主机单元对视频信号进行雨雪杂波抑制、抗同频异步干扰、脉间积累等处理，并进行目标检测，点迹提取，完成数据关联、跟踪滤波、海浪反演等功能。显示与操控单元接收用户操控命令并完成雷达视频、目标航迹、海浪参数等信息的显示。
雷达主板机提供双DVI显卡，支持高清晰双屏显示，即连接两个显示屏，雷达回波界面和海浪参数界面分开显示，利于操作人员观测，便于同时进行综合导航进和海浪检测操作；
雷达控制板的控制芯片为FPGA控制芯片；雷达控制板的原理实现如图3所示，RS422/RS232接口经电平转换与FPGA输入端连接，FPGA输出端与RJ45网口连接，雷达视频信号经过雨雪抑制电路后输出给信号处理板，+12V电压经电源转换器输出-12V、-5V、+3.3V、+2.5V、+1.2V电压给内部供电，+5V电压给信号处理板供电，+12V电压给风扇供电。FPGA控制器定时向天线发送控制信息，并从雷达收发机输入的雷达复合信号中解码出方位信号、船首信号以及收发机状态信息。雷达控制板接收外部传感器，如AIS、GPS、计程仪，输入串口信息，并将串口信息处理后通过以太网送给主机单元；同时，主机单元也通过以太网将雷达回波信息发送给控制板，控制板再通过串口发送给外部其它接收设备。此外，雷达控制板还完成雷达回波信号的雨雪抑制处理，并为信号处理板及风扇供电。
信号处理板的处理芯片为FPGA处理芯片；信号处理板的原理实现如图4所示，来自雷达控制板的雷达视频信号与差分放大器输入端连接，差分放大器输出端与A/D采样器输入端连接，A/D采样器输入端与FPGA处理器连接，FPGA输出端与RJ45网口连接来自雷达控制板的+5V电压经电源转换器输出+5V、-5V、+3.3V、+2.5V、+1.2V电压给内部供电。信号处理板接受来自雷达控制板的船艏、方位、触发信号和雷达视频信号，并经过差分放大器和A/D采样电路后由FPGA处理器进行滤波处理和同频异步干扰处理。进一步的，信号处理板将处理后的雷达回波数据和方位信号打包，通过以太网发送至雷达主机板。
A/D采样电路采用了ADI公司的AD9214BRS-80芯片，最大采样率80MHz。为提高视频信号信噪比，设计中采用AD8138差分驱动放大器，对雷达视频信号进行调理，电路图如图5所示。AD8138偏置电压由AD9214内部参考电压提供，通过AD8138调理后，使得差分视频信号摆幅不超过AD芯片Vp-p电压。AD8138电路中，输入端稳压二极管V2对差分放大器起保护作用。R32和R33对信号进行阻抗匹配，通过调整R32可以使得信号达到较好的匹配。AD9214采集后的数字信号送给FPGA进行后续信号处理。
由于从信号接口板输送过来的触发、船艏、方位信号为5V电平，为满足FPGA LVTTL3.3V要求，电路设计中，采用了SN74LVC4245芯片完成对电平的转换。另外，为增强信号的驱动能力，设计中采用74LS04增大信号驱动，方位和船艏脉冲形成电路图如图6所示。
操控单元的控制核心为DSP处理器。操控单元主要有雷达键盘控制板和轨迹球组成，操控单元通过RS422接口和主机单元通讯；轨迹球与雷达键盘控制板相连，并通过USB接口连接至主机单元；轨迹球可控制光标的移动，具有稳定、定位精准、可靠性高的特点，适合在剧烈震动与极端狭窄的环境下使用。
雷达键盘控制板的控制核心为TMS320F2812处理器，外接旋转编码器电路如图7所示，外接矩阵键盘电路如图8所示，外接背光驱动电路如图9所示。旋转编码器电路主要是产生AB相脉冲，TMS320F2812通过检测AB相脉冲识别旋转编码器是顺时针旋转还是逆时针旋转，进而执行相关的指令功能；矩阵键盘电路提供了雷达各种功能按键或组合按键，TMS320F2812检测矩阵按键电路，执行相关指令功能；TMS320F2812实时检测雷达键盘控制板上的按键，一旦检测到有按键按下，TMS320F2812就会驱动背光电路，背光就会打开，如果间隔一定时间，没有按键按下，背光会熄灭。
天线为水平级化裂缝波导天线；此类型天线具有旁瓣电平低、结构简单、风阻小、重量轻优点；天线罩壳采用圆弧倒角设计，可有效减小风阻，使天线在相对风速较高时仍能保持正常转速，增强了天线的抗风能力。天线选用磁控管作为大功率器件，基于刚性调制方式产生三种宽度调制脉冲，兼顾雷达距离分辨力与作用距离的要求。
雷达主机板安装操作系统，运行雷达主控软件。雷达主控软件主要通过以太网，接收从雷达控制板发出的传感器数据，和从信号处理板发出的雷达视频数据，将雷达回拨和传感器数据做综合处理和显示，实现综合导航和测波功能。雷达主控软件架构如图10所示，软件包括操作系统层、数据层、应用层、接入层四个层次。操作系统曾负责管理和控制系统的硬件及软件资源，提供硬件驱动程序和主控软件的运行环境。数据层包含硬件驱动层和图形支持软件，硬件驱动层主要提供雷达控制板驱动、信号处理板驱动及网络传输驱动等硬件驱动，图形支持软件负责提供雷达PPI显示绘制。应用层包含主控软件，完成雷达视频数据、目标航迹数据的获取、处理、显示，AIS信息处理与显示，海浪参数反演，电子海图信息处理与显示，接口管理等功能。接入层提供雷达系统的接入门户和人机交互界面。
采用离散傅里叶分析的方法进行海浪参数反演。海浪参数反演流程如图11所示，由于海浪回波信号满足Bragg谐振散射条件的毛细波以及调制毛细波的较长波产生的，为了从雷达图像上得到海浪信息，首先将一系列的雷达图像数字化，得到离散图像信息，然后在(x,y,z)三维空间上通过三维傅氏变换得到三维图像谱。接着对比实际谱能量和理论谱能量这两者所处的位置，得到海流大小和方向，以修正色散关系。根据包含流速的表面波色散关系，采用最小二乘法估计流速。在适当的色散关系的条件下，把三维图像谱在频率上积分转化成二维图像谱，继而变到一维谱。这样可以由二维谱或一维谱获得大部分重要的海面状态参数，例如：浪高，浪周期，浪向等。浪向估计中采用贝叶斯估计与3DFFT相结合的方法，有效浪高则通过色散空间中信号信噪比进行估计。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，包括依次连接的显控台、天线和伺服收发单元；
所述显控台包含主机单元、显示单元、操控单元和船电电源；所述主机单元分别与显示单元和操控单元连接，所述主机单元包含雷达主机板、雷达控制板、信号处理板和电源模块；所述雷达主机板分别与雷达控制板、信号处理板、船电电源和伺服收发单元连接；所述船电电源分别与电源模块和显示单元连接；
所述伺服收发单元包含伺服单元和收发单元；所述伺服单元包含依次连接的电机传动装置、方位和船艏脉冲形成电路；所述收发单元包含依次连接的性能监视器、发射机和接收机。
2.根据权利要求1所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，所述雷达主机板为X86工控机，提供双DVI显卡。
3.根据权利要求1所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，所述雷达控制板包含电平转换，控制芯片、雨雪抑制电路；控制芯片输入端经电平转换与RS422/RS232接口连接，控制芯片输出端与网口连接，雷达视频信号经过雨雪抑制电路后输出给信号处理板；所述雷达控制板的控制芯片为FPGA控制芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，所述信号处理板包含处理芯片、差分放大器、A/D采样器；来自雷达控制板的雷达视频信号与差分放大器输入端连接，差分放大器输出端与A/D采样器输入端连接，A/D采样器输入端与处理芯片连接；所述信号处理板的处理芯片为FPGA处理芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，所述电源模块包含船电电源、主机ATX电源和雷达前端专用电源；所述船电电源分别与主机ATX电源、雷达前端专用电源和显示单元连接，所述主机ATX电源输出电压有5V和12V；所述雷达前端专用电源输出电压为48V。
6.根据权利要求1所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，所述操控单元包含雷达键盘控制板和轨迹球，所述雷达键盘控制板使用TMS320F2812处理器，并外接旋转编码器电路、矩阵键盘电路和背光驱动电路；所述轨迹球与雷达键盘控制板相连，并通过USB接口连接至主机单元。
7.根据权利要求1所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，所述天线为水平极化裂缝波导天线。
8.根据权利要求1所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，所述电机传动装置包含依次连接的电机驱动板、直流驱动电机和齿轮传动装置。
9.根据权利要求1所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，其特征在于，所述方位和船艏脉冲形成电路采用SN74LVC4245芯片对电平装换，采用74LS04增大信号驱动。
10.根据权利要求2所述的一种基于X波段雷达的综合导航及海浪检测系统，所述发射机为刚性调制发射机。
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