CN115469313A - 用于海上船载气象雷达的波束控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于海上船载气象雷达的波束控制装置及方法，涉及气象雷达领域，装置包括平台、第一控制装置、第二控制装置、第一采集模块、第二采集模块、惯导系统和控制终端；方法包括S1实时采集雷达波束的转动数据和海上船体的摇摆倾斜数据，获取雷达波束的命令信息；S2实时分析雷达波束实际指向角度；S3实时分析雷达波束的修正转动速度和加速度进行消摇；基于单个转轴进行一维海上消摇和扫描，减小设备精简复杂度和重量，降低海上气象探测雷达海上扫描工程化实现难度和成本，实现了雷达在不同角度扫描时，雷达收发电磁波波束对天线罩的的入射角度不变，保证了天线罩对雷达波束在各自消摇方向不同角度时电磁波的损耗一致。

Description

用于海上船载气象雷达的波束控制装置及方法

技术领域

本发明涉及气象雷达领域，尤其涉及一种用于海上船载气象雷达的波束控制装置及方法。

背景技术

海上船载气象探测雷达设备用于海上气象目标探测，获取海上气象目标高度、浓度、目标内部粒子径向速度等要素。该系统具备硬件监控、产品质控、数据上传、自动消摇、径向角度修正等功能。

此前的海上气象目标主动探测设备受海上运行环境局限性影响，主要以定向的廓线观测为主，缺乏针对目标及目标内部的立体观测。

为实现海上气象目标探测的机动性，有效降低成本，整机装载在小型无人艇，自带海上自稳定平台，完成海上针对气象目标的廓线观测、PPI扫描观测和RHI扫描观测，填补我国中远海区域的气象目标的主动探测空白。由于小型无人艇载重和载荷高度限制，无法安装双伺服转台分别完成海上消摇和扫描转动，也无法在同时满足消摇入射角和扫描入射角不变的前提下设计和安装大型天线罩，因此必须采用新的扫描修正方法对扫描进行补偿和修正。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种用于海上船载气象雷达的波束控制装置及方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

用于海上船载气象雷达的波束控制装置，包括：

平台；雷达收发系统和天线均安装在平台上，平台安装在船体上；

用于控制雷达收发系统的雷达波束在横向转动的第一控制装置；

用于控制雷达收发系统的雷达波束在纵向转动的第二控制装置；

用于采集雷达收发系统的雷达波束在横向转动速度和角度的第一采集模块；

用于采集雷达收发系统的雷达波束在纵向转动速度和角度的第二采集模块；

用于感应海上船体摇摆倾斜角度的惯导系统；

控制终端；控制终端的控制信号输出端分别与第一控制装置和第二控制装置的控制信号输入端连接，控制终端的数据信号输入端分别与第一采集模块、第二采集模块和惯导系统的数据信号输出端连接。

用于海上船载气象雷达的波束控制方法，包括：

S1、第一采集模块和第二采集模块实时采集雷达波束的转动数据，惯导系统实时采集实时感应采集海上船体的摇摆倾斜数据，获取雷达波束的命令信息；

S2、根据摇摆倾斜数据和命令信息实时分析雷达波束实际指向角度；

S3、实时分析雷达波束的修正转动速度和加速度进行消摇。

本发明的有益效果在于：基于单个转轴进行一维海上消摇和扫描，优化设备复杂度和减轻重量，降低船载气象探测雷达海上扫描工程化实现难度和成本，实现了雷达在不同角度扫描时，雷达收发电磁波波束对天线罩的入射角度不变，保证了天线罩对雷达波束在各自消摇方向不同角度时电磁波的损耗一致，对雷达收发电磁波波束引入的指向误差一致以及对雷达波束展宽的一致；在扫描的同时，通过该波束控制方法，进行扫描角度修正，消除了因海浪起伏造成的海上船体和雷达自身晃动带来的对雷达波束指向的影响，实现了雷达扫描波束的精准控制，提升海上船载气象探测雷达扫描的稳定性和数据可靠性；同时为保证雷达波束以预设速度进行匀速扫描，扫描时对雷达波束的扫描速度进行修正，提升海上气象探测雷达对气象目标的捕捉率和全面性，得到海上气象目标的内部剖面结构等信息。

附图说明

图1是本发明用于海上船载气象雷达的波束控制装置的结构示意图；

图2是本发明用于海上船载气象雷达的波束控制方法的速度修正示意图；

图3是本发明用于海上船载气象雷达的波束控制方法的角度修正示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，用于海上船载气象雷达的波束控制装置，包括：

平台；雷达收发系统和天线均安装在平台上，平台安装在船体上；

用于控制雷达收发系统的雷达波束在横向转动的第一控制装置；

用于控制雷达收发系统的雷达波束在纵向转动的第二控制装置；

用于采集雷达收发系统的雷达波束在横向转动速度和角度的第一采集模块；

用于采集雷达收发系统的雷达波束在纵向转动速度和角度的第二采集模块；

用于感应海上船体摇摆倾斜角度的惯导系统；

控制终端；控制终端的控制信号输出端分别与第一控制装置和第二控制装置的控制信号输入端连接，控制终端的数据信号输入端分别与第一采集模块、第二采集模块和惯导系统的数据信号输出端连接。

第一控制装置和第二控制装置均包括驱动器、电机和减速器，驱动器用于驱动电机；第一采集模块和第二采集模块均为光电编码器，驱动器的控制信号输出端与电机的控制信号输入端连接，减速器的动力输入端与电机的转轴固定连接。

本发明所设计的平台位于天线罩中心，保证在各个转动角度雷达波束相对天线罩入射角一致。

如图2所示，用于海上船载气象雷达的波束控制方法，包括：

S1、第一采集模块和第二采集模块实时采集雷达波束的转动数据，惯导系统实时采集实时感应采集海上船体的摇摆倾斜数据，获取雷达波束的命令信息，转动数据包括转动速度和角度，命令信息包括单位时间t内雷达波束的实际指向角度转动变化量Δ∅_横和Δ∅_纵，表示为Δ∅_横=v_横*t，Δ∅_纵=v_纵*t，v_横和v_纵分别为雷达波束在横向和纵向的期望扫描速度；

S2、根据摇摆倾斜数据和命令信息实时分析雷达波束实际指向角度，如图3所示，具体为：

当下时刻惯导系统采集的船体的摇摆倾斜数据为∅_1横和∅_1纵，当下时刻第一采集模块和第二采集模块采集的雷达波束的角度为∅_0横和∅_0纵，分析当下时刻雷达波束相对于大地的实际指向角度∅_横和∅_纵，表示为∅_横=∅_1横+∅_0横，∅_纵=∅_1纵+∅_0纵；

下一时刻惯导系统采集的船体的摇摆倾斜数据为∅’_1横和∅’_1纵，当下时刻与下一时刻之间的时间差为单位时间t，则下一时刻雷达波束的实际指向角度为∅’_横和∅’_纵，∅’_横=Δ∅_横+∅_横，∅’_纵=Δ∅_纵+∅_纵，第一采集模块和第二采集模块采集的雷达波束的角度应为∅’_0横和∅’_0纵，∅’_0横=∅_0横+（∅_1横-∅’_1横）+Δ∅_横，∅’_0纵=∅_0纵+（∅_1纵-∅’_1纵）+Δ∅_纵，扫描角度根据海上船体的摇摆角度进行实时补偿，保证雷达波束期望达到的角度与雷达实际波束指向角度保持一致。

S3、实时分析雷达波束的修正转动速度和加速度进行消摇，保证雷达波束实际扫描速度与期望速度保持一致，使雷达在扫描过程中完成海上纵横摇消除，具体包括：

S31、根据惯导系统在单位时间t内感应到海上船体摇摆角度变化，计算海上船体摇摆的速度v’_横和v’_纵，分别为v’_横=（∅_1横-∅’_1横）/t，v’_纵=（∅_1纵-∅’_1纵）/t；

S32、雷达波束的修正速度为Δv_横和Δv_纵，表示为Δv_横=（∅’_0横-∅_0横）/t，Δv_纵=（∅’_0纵-∅_0纵）/t；

S33、由∅_横=∅_1横+∅_0横、∅_纵=∅_1纵+∅_0纵、∅’_横=∅’_1横+∅’_0横和∅’_纵=∅’_1纵+∅’_0纵，可得Δv_横=（∅’_0横-∅_0横）/t=（∅’_1横-∅_1横）/t-v_横，Δv_纵=（∅’_0纵-∅_0纵）/t=（∅’_1纵-∅_1纵）/t-v_纵；

S34、雷达波束的加速度为a_横和a_纵，表示为a_横=Δv_横/t、a_纵=Δv_纵/t。

基于单个转轴进行一维海上消摇和扫描，优化设备复杂度和减轻重量，降低船载气象探测雷达海上扫描工程化实现难度和成本，实现了雷达在不同角度扫描时，雷达收发电磁波波束对天线罩的入射角度不变，保证了天线罩对雷达波束在各自消摇方向不同角度时电磁波的损耗一致，对雷达收发电磁波波束引入的指向误差一致以及对雷达波束展宽的一致；在扫描的同时，通过该波束控制方法，进行扫描角度修正，消除了因海浪起伏造成的海上船体和雷达自身晃动带来的对雷达波束指向的影响，实现了雷达扫描波束的精准控制，提升海上船载气象探测雷达扫描的稳定性和数据可靠性；同时为保证雷达波束以预设速度进行匀速扫描，扫描时对雷达波束的扫描速度进行修正，提升海上气象探测雷达对气象目标的捕捉率和全面性，得到海上气象目标的内部剖面结构等信息。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于海上船载气象雷达的波束控制装置，其特征在于，包括：

平台；雷达收发系统和天线均安装在平台上，平台安装在船体上；

用于控制雷达收发系统的雷达波束在横向转动的第一控制装置；

用于控制雷达收发系统的雷达波束在纵向转动的第二控制装置；

用于采集雷达收发系统的雷达波束在横向转动速度和角度的第一采集模块；

用于采集雷达收发系统的雷达波束在纵向转动速度和角度的第二采集模块；

用于感应海上船体摇摆倾斜角度的惯导系统；

控制终端；控制终端的控制信号输出端分别与第一控制装置和第二控制装置的控制信号输入端连接，控制终端的数据信号输入端分别与第一采集模块、第二采集模块和惯导系统的数据信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的用于海上船载气象雷达的波束控制装置，其特征在于，第一控制装置和第二控制装置均包括驱动器、电机和减速器；第一采集模块和第二采集模块均为光电编码器。

3.用于海上船载气象雷达的波束控制方法，其特征在于，包括：

S1、第一采集模块和第二采集模块实时采集雷达波束的转动数据，惯导系统实时感应采集海上船体的摇摆倾斜数据，获取雷达波束的命令信息，转动数据包括转动速度和角度；

S2、根据摇摆倾斜数据和命令信息实时分析雷达波束实际指向角度；

S3、实时分析雷达波束的修正转动速度和加速度进行消摇。

4.根据权利要求3所述的用于海上船载气象雷达的波束控制方法，其特征在于，在S2中具体包括：

当下时刻惯导系统感应采集的船体的摇摆倾斜数据为∅_1横和∅_1纵，当下时刻第一采集模块和第二采集模块采集的雷达波束的角度为∅_0横和∅_0纵，分析当下时刻雷达波束相对于大地的实际指向角度∅_横和∅_纵，表示为∅_横=∅_1横+∅_0横，∅_纵=∅_1纵+∅_0纵；

下一时刻惯导系统感应采集的船体的摇摆倾斜数据为∅’_1横和∅’_1纵，当下时刻与下一时刻之间的时间差为单位时间t，命令信息包括单位时间t内雷达波束的实际指向角度转动变化量Δ∅_横和Δ∅_纵，表示为Δ∅_横=v_横*t，Δ∅_纵=v_纵*t，v_横和v_纵分别为雷达波束在横向和纵向的期望扫描速度；

则下一时刻雷达波束的实际指向角度为∅’_横和∅’_纵，∅’_横=Δ∅_横+∅_横，∅’_纵=Δ∅_纵+∅_纵，第一采集模块和第二采集模块采集的雷达波束的角度应为∅’_0横和∅’_0纵，∅’_0横=∅_0横+（∅_1横-∅’_1横）+Δ∅_横，∅’_0纵=∅_0纵+（∅_1纵-∅’_1纵）+Δ∅_纵。

5.根据权利要求4所述的用于海上船载气象雷达的波束控制方法，其特征在于，在S3中，

S31、根据惯导系统在单位时间t内感应到海上船体摇摆角度变化，计算海上船体摇摆的速度v’_横和v’_纵，分别为v’_横=（∅_1横-∅’_1横）/t，v’_纵=（∅_1纵-∅’_1纵）/t；

S32、雷达波束的修正速度为Δv_横和Δv_纵，表示为Δv_横=（∅’_0横-∅_0横）/t，Δv_纵=（∅’_0纵-∅_0纵）/t；

S33、由∅_横=∅_1横+∅_0横、∅_纵=∅_1纵+∅_0纵、∅’_横=∅’_1横+∅’_0横和∅’_纵=∅’_1纵+∅’_0纵，可得Δv_横=（∅’_0横-∅_0横）/t=（∅’_1横-∅_1横）/t-v_横，Δv_纵=（∅’_0纵-∅_0纵）/t=（∅’_1纵-∅_1纵）/t-v_纵；

S34、雷达波束的加速度为a_横和a_纵，表示为a_横=Δv_横/t、a_纵=Δv_纵/t。

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