[發(fā)明專利]一種基于空間位移的船舶姿態(tài)運動成分去除方法

有效

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• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112394332B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設計）人: 陳曦;譚輝;陳亮;鄧林;冀航
• 申請（專利權）人: 中國艦船研究設計中心
• 主分類號: G01S7/36
• 分類號: G01S7/36;G01S7/40;G01S13/88
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡建平;王杰

一種基于空間位移的船舶姿態(tài)運動成分去除方法，包括：建立船載相干雷達測量的綜合多普勒頻移的表達式；根據(jù)船體自身造型數(shù)據(jù)，當受到單位波高的波浪激勵時，結合海浪頻率成分分布特性計算六自由度的船舶運動幅值響應因子；依托上一時刻雷達所測得的海浪頻率譜，通過構造規(guī)則海面的波面方程得到船舶的起伏規(guī)律，進而獲得船體所在位置的海面波高位移；進行地球坐標系和船舶坐標系下六自由度的坐標轉換；通過前后時刻的空間坐標差異計算該時段內雷達天線的空間位移，最后求取由船體姿態(tài)運動成分引起的額外多普勒頻移，并從雷達回波多普勒頻移中去除該成分；可有效改善海浪真實水質點徑向速度的提取效果，提高相干測波雷達海浪參數(shù)反演的精度。

技術領域

本發(fā)明屬于雷達信號處理領域，具體涉及一種基于空間位移的船舶姿態(tài)運動成分去除方法。

背景技術

我國一直都是海洋大國，陸海岸線達1.8萬多公里，管轄海域面積約為300多萬平方公里。因此，海洋環(huán)境監(jiān)測(包括海浪參數(shù)等)在我國海洋經濟、交通航運、漁業(yè)養(yǎng)殖等方面具有重要意義。

船載相干微波測波雷達是眾多無線電海洋遙感測波手段之一。該類雷達具有測量精度高、受環(huán)境干擾小、輕巧便攜等優(yōu)點，可被安裝在各種類型的艦船上，能隨船赴近、遠海及各大洋實現(xiàn)海洋環(huán)境參數(shù)的航行觀測。其探測原理是通過獲取照度區(qū)域內的回波多普勒譜，估計其中心頻率得到海面水質點在距離元(空域)內的徑向速度序列，然后利用該速度序列與波高的轉換關系估計得到波數(shù)譜，最后從波數(shù)譜中直接提取海浪參數(shù)如有效波高、平均波周期等。該方法無需校準即可得到準確的海浪波數(shù)譜等結果，因此是一種“直接”測量海浪的方法。

在船載相干測波雷達的信號處理過程中，準確提取由海面水質點徑向速度引起的多普勒頻移是獲得海浪譜的前提。然而，當船舶處于停航狀態(tài)時，被安置在甲板上的雷達并不能跟岸基雷達一樣保持長期穩(wěn)定狀態(tài)，船體將同時受到波浪力、風力及海流等作用的影響而不斷進行搖晃漂移運動，這種運動會使船體所處的位置發(fā)生偏移，并造成天線的姿態(tài)角不斷變化。此外，對于處于高速航行的船舶，雖然前向運動占據(jù)主導作用，但船體依然會時刻受到來自六個自由度上的波浪操縱性作用，這會致使船舶六自由度運動姿態(tài)角和雷達照射區(qū)域無時不刻地發(fā)生變化。由回波特性分析結果可知，船體的高速航行和六自由度運動等姿態(tài)運動成分會給回波多普勒譜疊加一個隨時間變化的額外速度分量，影響到真實水質點徑向速度的準確提取，進而造成海浪參數(shù)估計的誤差增大。本發(fā)明設計了一種基于空間位移的船舶姿態(tài)運動成分去除方法，根據(jù)船體自身的造型數(shù)據(jù)計算船舶運動幅值響應因子和船體六自由度姿態(tài)角，并以此推出某時段內雷達天線的空間位移量，求取由船體姿態(tài)運動成分引起的多普勒頻移。該方法解決了由船體姿態(tài)運動成分引起的回波多普勒譜頻移誤差增大的問題，提高了海浪參數(shù)反演精度。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于空間位移的船舶姿態(tài)運動成分去除方法，旨在獲得船舶運動幅值響應及六自由度姿態(tài)角，準確計算雷達天線在某時段內的空間位移量，去除由船體姿態(tài)運動成分引起的額外多普勒頻移，提高船載相干雷達海浪參數(shù)反演精度。

本發(fā)明采用的技術方案是：一種基于空間位移的船舶姿態(tài)運動成分去除方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一：建立船載相干雷達測量的綜合多普勒頻移的表達式；

步驟二：基于實際船體結構的船舶運動特性建模：由三維勢流理論，根據(jù)船體自身造型數(shù)據(jù)，當受到單位波高的波浪激勵時，結合海浪頻率成分分布特性計算六自由度的船舶運動幅值響應因子；

步驟三：船舶六自由度搖晃姿態(tài)角建模：依托上一時刻雷達所測得的海浪頻率譜，通過構造規(guī)則海面的波面方程得到船舶的起伏規(guī)律，進而獲得船體所在位置的海面波高位移；

步驟四：結合船舶運動幅值響應因子計算得到船體六自由度的姿態(tài)角序列；

步驟五：由船體六自由度的姿態(tài)角序列：實現(xiàn)地球坐標系和船舶坐標系下六自由度的坐標轉換；