CN103760552A - 浮标式高频地波雷达 - Google Patents

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Abstract

浮标式高频地波雷达，包括浮标平台，浮标平台上安装地波雷达，浮标平台上安装有低功耗计算机和姿态传感模块，低功耗计算机连接地波雷达和姿态传感模块，低功耗计算机连接运行控制模块，运行控制模块连接智能电源控制模块；所述运行控制模块连接风速风向仪和气体传感器；所述低功耗计算机连接无线通信模块、光电成像模块和GPS定位模块。本发明一种浮标式高频地波雷达，突破传统地波雷达需要在海岸边安装的缺陷，解决了在浮标平台上集成高频地波雷达对海洋动力学参数进行监测提取、智能化工作、远程数据传输等关键技术，能在深远海海域安装具备对安装点周边50～100km海域的海洋动力学参数进行实时监测的能力。

Description

浮标式高频地波雷达
技术领域
本发明涉及一种高频地波雷达，特别是一种浮标式高频地波雷达。 
背景技术
传统的高频地波雷达，仅能沿海岸线布设，探测范围有限。而且由于是工作在近海区，工作频率段比较拥挤，容易受到干扰。且传统的高频地波雷达只能工作于地波模式，只能接收自身的发射信号产生的回波，采集的数据量有限。 
发明内容
本发明提供一种浮标式高频地波雷达，突波传统地波雷达只能在海岸边安装的缺陷，解决了在浮标平台上集成高频地波雷达对海洋动力学参数进行监测提取、全套***自供电智能化工作、远程数据传输等技术问题。该高频地波雷达能在深远海域，具备对安装点周边50～100km海域的海洋动力学参数进行实时监测的能力。 
本发明采取的技术方案为：浮标式高频地波雷达，包括浮标平台，浮标平台上安装地波雷达，浮标平台上安装有低功耗计算机和姿态传感模块，低功耗计算机连接地波雷达和姿态传感模块，低功耗计算机连接运行控制模块，运行控制模块连接智能电源控制模块； 
所述运行控制模块连接风速风向仪和气体传感器。
 所述低功耗计算机连接无线通信模块、光电成像模块和GPS定位模块。 
所述地波雷达包括：接收天线、宽带发射天线，接收天线连接接收机，宽带发射天线连接发射机，接收机连接低功耗计算机。 
所述低功耗计算机连接AIS通信模块。 
所述低功耗计算机连接无线报警模块。 
所述电源控制模块连接蓄电池组件、太阳能光伏组件。 
所述地波雷达包括方形的天线阵列，宽带发射天线位于方形阵列的正中心，任意两根天线间的距离都相等。 
所述发射机为多频双通道全固态数字控制发射机，包括天波、地波两种工作模式。 
一种浮标式高频地波雷达，该高频地波雷达在其安装点周边50～100km海域的海洋动力学参数监测的应用。 
一种浮标式高频地波雷达，采用太阳能电池和可充锂离子电池联合供电。 
一种浮标式高频地波雷达，浮标平台设有电池舱和仪器舱。 
本发明一种浮标式高频地波雷达，技术效果如下： 
本发明一种浮标式高频地波雷达，能够突破传统地波雷达仅能沿海岸线布设的局限，通过接收天波/地波混合路径回波，将探测范围扩展至远海区域。大大增强雷达***部署的灵活性。同时，该***具有可拓展性，具备进一步接收雷达天波节点的潜力，为多样性的应用提供了可能。
本发明一种浮标式高频地波雷达，突破传统地波雷达需要在海岸边安装的缺陷，解决了在浮标平台上集成高频地波雷达对海洋动力学参数进行监测提取、智能化工作、远程数据传输等关键技术，能在深远海海域安装具备对安装点周边50～100km海域的海洋动力学参数进行实时监测的能力。 
本发明一种浮标式高频地波雷达，通过综合研究海洋对无线电波的后向散射和非后向散射模型以及多源相关信息综合方法，通过仿真和试验对不同信噪比和探测条件下波高谱参数模型在反演过程中的介入程度进行严格分析，找到相应的自适应准则，应用MUSIC算法，进一步从理论和算法上突破风、浪、流参数准确探测的瓶颈，创新地研究开发了一种信号补偿技术有效去除浮标式地波雷达天线晃动对信号接收产生的影响，通过对后向散射和非后向散射形成的海洋回波信号进行建模分析，提取海洋动力学参数。 
附图说明
图1为本发明主视结构示意图； 
图2为图1的A处放大视图；
图3为图1的B处放大视图；
图4为图1的C处放大视图；
图5为图1的D处放大视图；
图6为本发明仪器舱内结构示意图；
图7为本发明模块连接框图。
图8为本发明浮标平台平移运动坐标图。 
图9为本发明浮标平台旋转运动坐标图； 
图10为 浮标式超视距雷达运动补偿流程图。
图11为利用非同步站间直达波幅度误差校准表图。 
图12为利用同步站间直达波幅相校准表图。 
具体实施方式
浮标式高频地波雷达，包括浮标平台，浮标平台设有主浮体1，主浮体1安装有锚泊回收装置3。浮标平台上安装地波雷达，浮标平台上安装有低功耗计算机8和姿态传感模块2，低功耗计算机8连接地波雷达和姿态传感模块2，低功耗计算机8连接运行控制模块10，运行控制模块10连接智能电源控制模块9。所述运行控制模块10连接风速风向仪14和气体传感器13。所述低功耗计算机8连接无线通信模块11、光电成像模块12和GPS定位模块17。 
姿态传感模块2用于测量浮标平台的姿态，包括：俯仰角、方位角、旋转角，经过解算得到大地坐标系中浮标平台的姿态角，给浮标式地波雷达测量***提供修正补偿参数。 
所述地波雷达包括：接收天线4、宽带发射天线5，接收天线4连接接收机6，宽带发射天线5连接发射机7，接收机6连接低功耗计算机8。采用宽频带天线技术，使接收天线4和发射天线满足工作频率为12~22MHz范围内正常工作的要求。所述发射机7为多频双通道全固态数字控制发射机，包括天波、地波两种工作模式。所述地波雷达包括方形的天线阵列，宽带发射天线5位于方形阵列的正中心，任意两根天线间的距离都相等。 
所述低功耗计算机8连接AIS通信模块15。所述低功耗计算机8连接无线报警模块16，无线报警模块16为基于北斗***的无线报警模块。 
无线通信模块11包括：CDMA天线、CDMA终端模块。低功耗计算机8包括数据处理显示中心。数据处理显示中心提供传感器数据、无线报警模块16数据的实时处理以及显示，并提供友好的界面，方便完成对浮标式高频地波雷达进行设置。 
同步组网***18由GPS天线和同步组网模块组成。同步组网***18用于给接收机6提供统一的时统信号，这样使得接收机6能生成在信号脉宽、重复频率、起始相位、初始频率、调制斜率、重复方式等参数均与对应的已知岸基雷达发射信号参数完成相同的合成频率信号，使得浮标式地波雷达能够同步有效接收处理岸基雷达的非后向散射信号和由天波发射雷达的后向散射信号。 
所述电源控制模块9连接蓄电池组件9.1、太阳能光伏组件9.2。本发明浮标式高频地波雷达，采用太阳能电池和可充锂离子电池联合供电。合理利用多种电源，有效节约电力资源，保障***运行时间，满足***长期可靠运行的电力供给要求。浮标平台设有电池舱和仪器舱，所述电源控制模块9、蓄电池组件9.1、太阳能光伏组件9.2密封安装在电池舱内。 
气体传感器13为可控电位电解式传感器，是通过测量电解时流过的电流来探测气体的体积分数，需要由外界施加特定电压，可以用于测量CO、NO、NO2、SO2等有毒气体。 
本发明一种浮标式高频地波雷达工作原理： 
信号补偿算法：
针对浮标式高频地波雷达浮标运动对雷达信号的影响，提出了一种信号补偿方法，通过浮标平台上常用的定位设备和三维陀螺仪获取实时的浮标运动状态，将其转化为浮标天线阵的相位误差、接收信号的附加多普勒频率，然后将其从雷达回波信号中补偿掉，从而降低浮标运动对雷达信号的影响。该方法主要包括以下步骤：如图8、图9所示。
步骤1、获取浮标平台的运动状态参量，对参量的坐标进行转换，将浮标坐标系下的运动状态参量映射到大地坐标系下，得到大地坐标系下浮标平台的运动状态参量； 
步骤2、计算浮标运动产生的阵列变化量，根据阵列变化量对浮标雷达阵列进行幅度校正和相位补偿，得到经过幅度校正和相位补偿的扫频序列；
步骤3、对步骤2得到的扫频序列进行数字波束形成，得到相位补偿的各波束方向的扫频序列，并根据步骤1中得到的大地坐标系下浮标平台的运动状态参量对雷达接收信号进行多普勒频率补偿，得到多普勒补偿的各波束方向的扫频序列。
后向和非后向散射模型形成的海洋回波研究是基于站间直达波的通道校正算法研究基础上的。 
由于浮标式高频地波雷达可以接收到岸上发射的多路合作信号，这些信号为雷达阵列提供了稳定的、高质量的校准源，因此可以利用这些直达波信号进行浮标雷达阵列的幅相校准。 
设阵列阵元数为M，站间直达波的空间方位为 ，功率为
Figure 676907DEST_PATH_IMAGE002
。当阵列仅存在阵列幅相误差时，可以通过一个空间方位已知的站间直达波干扰来对阵列幅相误差矩阵
Figure 2014100372979100002DEST_PATH_IMAGE003
进行估计。 
由接收信号的模型可得： 
Figure 594047DEST_PATH_IMAGE004
实际使用站间直达波干扰进行阵列幅相误差校准时，由于站间直达波干扰的协方差矩阵
Figure 2014100372979100002DEST_PATH_IMAGE005
未知，需要进行协方差矩阵估计。对于同步条件下的站间直达波，利用先验知识容易知道直达波出现的距离元，对于在非同步条件下的站间直达波，其所在距离元并不固定，可以先估计直达波出现的距离元。确定直达波出现的距离元后，据估计的距离元信息构造站间直达波干扰接收数据
Figure 967260DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 2014100372979100002DEST_PATH_IMAGE007
其中
Figure 362469DEST_PATH_IMAGE008
为第k个快拍站间直达波干扰所在的位置，
Figure 2014100372979100002DEST_PATH_IMAGE009
为第m个通道第k个快拍接收的站间直达波干扰。 
然后利用接收信号估计协方差矩阵： 
       
Figure 176841DEST_PATH_IMAGE010
      
其中k为快拍数。
对阵列协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE011
进行特征分解，可得 
Figure 530462DEST_PATH_IMAGE012
其中，为最大特征值对应的特征矢量，
Figure 2014100372979100002DEST_PATH_IMAGE014
为未知的复常数。 
由式可得 
Figure 934079DEST_PATH_IMAGE015
Figure 2014100372979100002DEST_PATH_IMAGE016
由此利用直达波得到浮标阵列的幅相校正信息。
图11和图12分别为利用非同步和同步站间直达波进行阵列幅相校准的结果。 
[0039] 

Claims (10)

1.浮标式高频地波雷达，包括浮标平台，浮标平台上安装地波雷达，其特征在于，浮标平台上安装有低功耗计算机（8）和姿态传感模块（2），低功耗计算机（8）连接地波雷达和姿态传感模块（2），低功耗计算机（8）连接运行控制模块（10），运行控制模块（10）连接智能电源控制模块（9）；所述运行控制模块（10）连接风速风向仪（14）和气体传感器（13）；所述低功耗计算机（8）连接无线通信模块（11）、光电成像模块（12）和GPS定位模块（17）。
2.根据权利要求1所述浮标式高频地波雷达，其特征在于，所述地波雷达包括：接收天线（4）、宽带发射天线（5），接收天线（4）连接接收机（6），宽带发射天线（5）连接发射机（7），接收机（6）连接低功耗计算机（8）。
3.根据权利要求1或2所述浮标式高频地波雷达，其特征在于，所述低功耗计算机（8）连接AIS通信模块（15）。
4.根据权利要求1或2所述浮标式高频地波雷达，其特征在于，所述低功耗计算机（8）连接无线报警模块（16）。
5.根据权利要求1所述浮标式高频地波雷达，其特征在于，所述电源控制模块（9）连接蓄电池组件、太阳能光伏组件。
6.根据权利要求2所述浮标式高频地波雷达，其特征在于，所述地波雷达包括方形的天线阵列，宽带发射天线（5）位于方形阵列的正中心，任意两根天线间的距离都相等。
7.根据权利要求2所述浮标式高频地波雷达，其特征在于，所述发射机（7）为多频双通道全固态数字控制发射机，包括天波、地波两种工作模式。
8.一种浮标式高频地波雷达，该高频地波雷达在其安装点周边50～100km海域的海洋动力学参数监测的应用。
9.根据如权利要求1~8任意一项浮标式高频地波雷达的信号补偿方法，其特征在于，通过浮标平台上常用的定位设备和三维陀螺仪获取实时的浮标运动状态，将其转化为浮标天线阵的相位误差、接收信号的附加多普勒频率，然后将其从雷达回波信号中补偿掉，从而降低浮标运动对雷达信号的影响。
10.根据权利要求9所述一种信号补偿方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、获取浮标平台的运动状态参量，对参量的坐标进行转换，将浮标坐标系下的运动状态参量映射到大地坐标系下，得到大地坐标系下浮标平台的运动状态参量；
步骤2、计算浮标运动产生的阵列变化量，根据阵列变化量对浮标雷达阵列进行幅度校正和相位补偿，得到经过幅度校正和相位补偿的扫频序列；
步骤3、对步骤2得到的扫频序列进行数字波束形成，得到相位补偿的各波束方向的扫频序列，并根据步骤1中得到的大地坐标系下浮标平台的运动状态参量对雷达接收信号进行多普勒频率补偿，得到多普勒补偿的各波束方向的扫频序列。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20140430

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