申请/专利权人：中国海洋大学

申请日：2021-12-16

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN114236535B

主分类号：G01S13/88

分类号：G01S13/88;G01S7/41;G01S7/02;G01S7/40

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2022.04.12#实质审查的生效;2022.03.25#公开

摘要：本发明提出一种基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法。在岸基设置两套参考射频信号发射源；在船舶平台上布放地波雷达系统，包括多根沿船只中心轴线对称布放在船舷一侧的接收天线，第一根接收天线在船艏；将海平面划分为若干海面块，通过布放在岸边的双参考射频信号解算平台的姿态参数；实现对受平台运动调制的雷达回波信号的运动补偿。

主权项：1.一种基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:硬件布设步骤：在岸基设置两套参考射频信号发射源；在船舶平台上布放地波雷达系统，所述地波雷达系统包括安装在船舷一侧的接收天线阵列，所述阵列包括多根沿船只中心轴线对称设置的接收天线，第一根接收天线在船艏，阵列中天线数量为M；S2:雷达回波信号时域表达式如下：xR,n＝ERr,θi,n+IiRi,θi,n+en式中，xR,n∈CM×1为雷达回波信号数据，n表示扫频周期数，ERr,θs,n∈CM×1为雷达回波信号中的一阶海洋表面雷达散射截面积RCS数据，IiRi,θi,n∈CM×1为雷达回波信号中的参考射频信号数据，en∈CM×1为背景噪声；基于雷达回波信号的时域表达进行回波信号建模：将海平面划分为若干海面块，针对海面块，雷达回波信号中的海洋表面回波数据表达式为： 其中，Pt为雷达的发射功率，Gt为雷达发射天线的增益,Gr为雷达接收天线的增益，λ为雷达波长；σRr,θs,n表示海洋表面一阶雷达散射截面积模型，gθs,n表示接收天线方向图，an表示导向矢量幅值，pθs,n∈M×1表示导向矢量相位，双重求和索引r，s的范围分别为[RΔR-c4BtΔR]到[RΔR+c4BtΔR]和1到[2πΔθ]，Bt为雷达带宽,c为光速，[]为向下取整算子；雷达回波信号中的参考射频信号数据的表达式为： IqRi,q,θi,q,n表示未被运动调制的单频射频信号距离解调后的表达式，gθi,q,n表示接收天线方向图，an表示导向矢量幅值，pθi,q,n∈M×1表示接收天线的导向矢量相位；当q取值分别为1和2时，IqRi,q,θi,q,n表示分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源距离解调后的未被运动调制的单频射频信号，Ri,q分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源与船载平台中心之间的距离，θi,q分别表示第一参考射频信号发射源、第二参考射频信号发射源与接收阵列主轴的夹角，n表示扫频周期；其中，船载平台横摇角度及纵摇角度小于5°时：接收天线的天线方向图gθ,n可以表示为：gθ,n≈g0＝[1-coskcla]2；阵列导向矢量的幅值an可以近似为常数：an≈a0＝1；kc表示波数，la表示天线高度，θ表示雷达接收回波来波方向与接收阵列法线方向夹角；静止状态下，天线阵列的导向矢量的相位p0θ,n为： 经除垂荡外五个自由度运动调制后，阵列导向矢量的相位pθ,n可以表示为： 在横摇、纵摇和艏向变化不大于5°的情况下，定义为仅包含艏向变化的阵列导向矢量： 为艏向变化的弧度；将代入pθ,n的表达式中，可得阵列导向矢量的相位为： S3:参考射频信号建模步骤：第q个参考射频信号在第n个扫频周期内可以表达为： 其中：aI,q为第q个参考射频信号的幅值；fI,q为第q个参考射频信号的频率，位于在雷达带宽之内；为第q个参考射频信号的初始相位；fc为雷达发射信号的载频频率；计算参考射频信号的时域表达： 其中:F[·]f表示傅里叶变换，fI0,q＝fI,q-f0，f0为雷达本振信号的起始频率；T表示雷达扫描周期，k表示雷达扫频斜率； 计算参考射频信号的多普勒频率： 其中：fr＝1T；S4:利用双参考射频信号解算运动补偿参数的步骤：计算第m根天线在受到运动调制时，第r个距离维下包含运动补偿参数的项为： 其中，m＝1,2,…,M，M为天线阵列中天线的数量，r＝1,2,…,Rmax，Rmax为雷达最大探测距离；Xn为天线阵列在x轴方向上运动补偿参数，表示天线阵列在x轴方向上的位移，Yn为天线阵列在y轴方向上的运动补偿参数，表示天线阵列在y轴方向上的位移：Xn＝xn+hsinφn；Yn＝yn-hsinψn；其中，h为船舶重心到船舶甲板的距离，xn为船舶在x轴方向上的运动，yn为船舶在y轴方向上的运动，φn为船舶横摇角度变化，ψn为船舶纵摇角度变化，可通过传感器获得；定义Gθi,q,n＝Xnsinθi,q+Yncosθi,q，则使用欧拉公式进行变换，得： 其中： 可以唯一确定Xn和Yn的值；根据实虚部的正负号，可以唯一确定对应Gθi,q,n的值： 根据双站参考射频信号到达雷达接收天线的数据计算Gθi,q,n；联立方程组逐点解算当前扫频周期下的运动补偿参数： 逐扫频周期解算出运动补偿参数Xn，Yn，将受六自由度运动调制的一阶海洋表面雷达散射截面积数据恢复恢复至不受运动调制的水平；S5：一阶海洋回波的运动补偿步骤定义pθs,n＝[p1θs,n,...,pMθs,n]T；天线1受到运动调制时的阵列导向矢量的相位为p1θs,n，天线M受到运动调制时的阵列导向矢量的相位为pMθs,n；同理，p0,1θi,q,n表示天线1在不受运动调制时的阵列导向矢量的相位,表示天线1在仅受到艏向变化调制时的阵列导向矢量的相位；天线1受到运动调制时，接收到的一阶RCS数据可以表示为： 天线1受到运动调制时，接收到的一阶RCS数据可以进一步改写为： 天线1不受运动调制时，接收到的一阶RCS数据可以表示为： 受到运动调制的一阶RCS可以通过下面方式补偿回不受运动调制的水平： 上式中，船载平台的艏向变化可以通过传感器测量，阵列在x轴和y轴方向上的位移Xn和Yn可以通过步骤S4中表述的利用双参考射频信号进行解算得到，然后便可以将受到运动调制的一阶RCS恢复到不受运动调制的水平。

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百度查询： 中国海洋大学 基于双参考射频信号的船载高频地波雷达运动补偿方法

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