一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)，包括FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、高分辨率絕對(duì)值編碼器、天線和終端計(jì)算機(jī)；FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和高分辨率絕對(duì)值編碼器依次相連，F(xiàn)PGA控制模塊還通過(guò)千兆以太網(wǎng)與終端計(jì)算機(jī)相連。該方法應(yīng)用于海洋測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)和基于船用導(dǎo)航雷達(dá)的海洋環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)用新型為海上目標(biāo)環(huán)境、海面波浪、海流、海冰、溢油和水文氣象等綜合海洋環(huán)境信息的研究提供了全新的硬件平臺(tái)。
【專利說(shuō)明】 一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的海洋測(cè)量雷達(dá)和基于船用導(dǎo)航雷達(dá)的海洋環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)的掃描方式基本為單速率環(huán)掃。一種固定速率的環(huán)掃方式無(wú)法滿足不同情況下海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境的探測(cè)需求，從探測(cè)的功能上來(lái)看，功能單一，適應(yīng)范圍有限，其中部分主要的原因是不同情況下海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境探測(cè)對(duì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取速率需求不同。海洋目標(biāo)探測(cè)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率需求較高，需要快速確定目標(biāo)方位角度及其運(yùn)動(dòng)軌跡，而海洋環(huán)境探測(cè)由于在一定時(shí)間內(nèi)海洋環(huán)境如海冰、海流、海浪等處于穩(wěn)態(tài)，則大多不需要較高的雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取速率，針對(duì)海冰邊界、溢油邊界和高海況測(cè)量，需要單一徑向的雷達(dá)數(shù)據(jù)不斷積累，這就要求海洋測(cè)量雷達(dá)必須具有定向掃描功能，為了提高雷達(dá)隱身性能，環(huán)掃方式很容易被監(jiān)測(cè)，加上雷達(dá)周圍不可避免的存在人類生活生產(chǎn)密集區(qū)，不宜遭受電磁波輻射，需要指定扇區(qū)的雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取，在目前的海洋測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)和基于海洋測(cè)量雷達(dá)的海洋環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)中，單一速率的雷達(dá)掃描方式已不能兼顧上述多種情況的應(yīng)用，而具有多種掃描方式的海洋測(cè)量雷達(dá)則大大提高了海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域的通用能力。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)，解決了以往雷達(dá)掃描只能適用于單一的海洋目標(biāo)探測(cè)的工作方式，本實(shí)用新型可以采用多速率環(huán)掃、扇掃和定向掃描多種方式，提升了海洋測(cè)量雷達(dá)在海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域的通用能力。
[0004]本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:
[0005]—種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)，包括FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、高分辨率絕對(duì)值編碼器、天線和終端計(jì)算機(jī)；天線設(shè)置于高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上，掃描時(shí)，由轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和高分辨率絕對(duì)值編碼器依次相連構(gòu)成一個(gè)回路，F(xiàn)PGA控制模塊還通過(guò)千兆以太網(wǎng)與終端計(jì)算機(jī)相連；
[0006]終端計(jì)算機(jī)通過(guò)千兆以太網(wǎng)發(fā)送伺服控制系統(tǒng)命令給FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊對(duì)伺服控制系統(tǒng)命令進(jìn)行編解碼后，將編解碼后的系統(tǒng)命令發(fā)送給模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和減速機(jī)，從而控制高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，高分辨率絕對(duì)值編碼器將高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后傳送給FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊將編碼后的目標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送回終端計(jì)算機(jī)，終端計(jì)算機(jī)將收到編碼后的目標(biāo)數(shù)據(jù)與伺服控制系統(tǒng)命令中的給定量進(jìn)行比較后，再次發(fā)送校正命令。
[0007]一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)的控制方法:[0008]步驟一:首先確定需要掃描的目標(biāo)；
[0009]步驟二:根據(jù)確定的掃描的目標(biāo)，選擇掃描方式，需要對(duì)海上高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，選用高速率的環(huán)掃方式；需要對(duì)處于穩(wěn)態(tài)的海洋動(dòng)力環(huán)境、溢油及海冰測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，選用慢速率的環(huán)掃方式；需要單一徑向的雷達(dá)數(shù)據(jù)積累，選用定向掃描方式；雷達(dá)隱身和部分扇區(qū)禁止輻射的情況，需要指定扇區(qū)的雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取，選用扇掃方式。
[0010]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的FPGA控制模塊采用XC6VLX240T芯片。
[0011]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的步進(jìn)電機(jī)采用直流四相步進(jìn)電機(jī)。
[0012]本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0013]第一、本實(shí)用新型采用步進(jìn)電機(jī)，噪聲小、精度高，可靠性穩(wěn)定；
[0014]第二、本實(shí)用新型采用加入高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，更好的控制天線的旋轉(zhuǎn)角度，使得定位更加準(zhǔn)確；
[0015]第三、本實(shí)用新型的掃描控制軟件掃描方式更加多樣化，掃描更加便捷、精確。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型的控制軟件框圖；
[0017]圖2為本實(shí)用新型的總體設(shè)計(jì)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
[0019]本實(shí)用新型提供一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)，包括FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、高分辨率絕對(duì)值編碼器和終端計(jì)算機(jī)；FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和高分辨率絕對(duì)值編碼器依次相連，F(xiàn)PGA控制模塊還通過(guò)千兆以太網(wǎng)與終端計(jì)算機(jī)相連。
[0020]如圖1，為實(shí)現(xiàn)具有多種掃描方式的海洋測(cè)量雷達(dá)，以滿足不同情況下海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境的探測(cè)需求，在選擇海洋測(cè)量目標(biāo)時(shí)，可通過(guò)人工手動(dòng)選擇也可通過(guò)終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行選擇，終端計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)先編程設(shè)定的終端軟件，終端軟件設(shè)計(jì)了詳細(xì)的掃描控制模塊，控制軟件模塊在控制伺服系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)WinpCap，以UDP廣播模式進(jìn)行通信，具體包含掃描方式、掃描范圍、掃描速度、定位精度、控制精度和控制方式等功能。
[0021]終端計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)有掃描控制軟件模塊，掃描控制軟件模塊可生成伺服控制系統(tǒng)命令，終端計(jì)算機(jī)通過(guò)千兆以太網(wǎng)將伺服控制系統(tǒng)命令發(fā)送給FPGA控制模塊，伺服控制系統(tǒng)命令中包括轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)，終端計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)二坐標(biāo)海洋測(cè)量雷達(dá)的多速率環(huán)掃、扇掃和定向掃描方式。
[0022]本實(shí)用新型中FPGA控制模塊采用Xilinx V6系列XC6VLX240T芯片，其中并預(yù)包含DDS伺服算法和控制命令編碼解碼，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)和測(cè)控，F(xiàn)PGA控制模塊根據(jù)伺服控制系統(tǒng)命令中的轉(zhuǎn)速自動(dòng)生成與該轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的頻率脈沖信號(hào)及轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)，F(xiàn)PGA控制模塊對(duì)頻率脈沖信號(hào)及轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)進(jìn)行編碼后發(fā)送給模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到來(lái)自FPGA控制模塊發(fā)送的一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(步進(jìn)角)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，從而可以通過(guò)控制一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了定位掃描和扇掃；同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可變速率環(huán)掃；從而控制高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)上安置有天線，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0023]本實(shí)用新型的步進(jìn)電機(jī)采用直流四相步進(jìn)電機(jī)及其相配的驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)包括控制系統(tǒng)和模擬控制部分，為了獲得零跟蹤誤差，控制系統(tǒng)的數(shù)字位置環(huán)采用帶速度與加速度前饋的ro控制方式，而模擬控制部分采用電流環(huán)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。
[0024]高分辨率絕對(duì)值編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度數(shù)據(jù)，并將角度數(shù)據(jù)發(fā)送回FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊對(duì)高分辨率絕對(duì)值編碼器檢測(cè)的角度數(shù)據(jù)保留有效位并進(jìn)行預(yù)處理，然后發(fā)送回終端計(jì)算機(jī)，由終端計(jì)算機(jī)將角度數(shù)據(jù)進(jìn)行換算成精度為0.01度的角度數(shù)據(jù)，并將二坐標(biāo)海洋測(cè)量雷達(dá)的位置角度實(shí)時(shí)顯示在終端計(jì)算機(jī)的軟件界面中。如圖2，伺服控制系統(tǒng)命令由終端計(jì)算機(jī)通過(guò)千兆以太網(wǎng)發(fā)送給FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊中包含DDS伺服算法和控制命令編碼解碼，DDS伺服算法通過(guò)設(shè)計(jì)不同的加減速度方式及脈沖調(diào)制，進(jìn)而產(chǎn)生不同頻率，不同脈寬的控制脈沖，用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)和測(cè)控，F(xiàn)PGA控制模塊將終端計(jì)算機(jī)命令編碼后發(fā)送給模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并采用直流四相步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，四相步進(jìn)電機(jī)采用了比兩相步進(jìn)電機(jī)具有更多的相數(shù)，減少了電機(jī)轉(zhuǎn)子在相序變換時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，進(jìn)而降低了由于相序轉(zhuǎn)換造成的速度沖擊和慣性，提高了運(yùn)行精度，同時(shí)大大降低了噪聲。
[0025]本實(shí)用新型所述的步進(jìn)電機(jī)與模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接存在電流反饋，相當(dāng)于開(kāi)環(huán)控制，高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和FPGA控制模塊之間存在著位置反饋回路，形成閉環(huán)控制，從而本實(shí)用新型為復(fù)合伺服控制系統(tǒng)；在進(jìn)行定向掃描時(shí)，高分辨率絕對(duì)值編碼器不斷測(cè)出角度數(shù)據(jù)的實(shí)際量，并通過(guò)反饋回路發(fā)送給FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊再將角度數(shù)據(jù)的實(shí)際量發(fā)送回終端計(jì)算機(jī)，終端計(jì)算機(jī)將接收到的實(shí)際量同之前發(fā)出的角度數(shù)據(jù)的給定量進(jìn)行比較，然后用其差值進(jìn)行控制，對(duì)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，確保天線處于正確的位置。
[0026]為了獲得零跟蹤誤差，控制系統(tǒng)的數(shù)字位置環(huán)采用帶速度與加速度前饋的ro控制方式，而模擬控制部分采用電流環(huán)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速比R =10的減速機(jī)連接到高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)上；本實(shí)用新型采用高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，并采用普林光電的F0RJ2型雙通道光鉸鏈進(jìn)行光纖數(shù)據(jù)的傳輸，在高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，高分辨率絕對(duì)值編碼器不斷測(cè)出角度的實(shí)際量，終端計(jì)算機(jī)得到實(shí)際量后同終端計(jì)算機(jī)的給定量進(jìn)行比較，然后用其差值進(jìn)行控制。高分辨率絕對(duì)值編碼器中集成了增量式線光柵RLD10，其輸出信號(hào)經(jīng)100細(xì)分，成為脈沖當(dāng)量為0.2秒的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。由于控制系統(tǒng)具有全閉環(huán)結(jié)構(gòu)特性，因而決定轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度的是線光柵的位移檢測(cè)精度和控制系統(tǒng)控制精度，機(jī)械傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)誤差，只影響轉(zhuǎn)臺(tái)的速度穩(wěn)定性。
[0027]通過(guò)以上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，終端計(jì)算機(jī)內(nèi)的掃描控制軟件模塊根據(jù)不同測(cè)量環(huán)境和不同測(cè)量功能的數(shù)據(jù)獲取率的要求，通過(guò)FPGA模塊中DDS伺服算法對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行調(diào)制，改變步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器接收到的脈沖信號(hào)，從而控制高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)海洋測(cè)量雷達(dá)速率可變環(huán)掃、扇掃和定向掃描三種掃描方式。
[0028]一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)的控制方法:首先要確定進(jìn)行掃描測(cè)量的目標(biāo)，其次針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的海上目標(biāo)測(cè)量，需要高速率的雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取，設(shè)定了高速率的可變環(huán)掃方式，針對(duì)短時(shí)間內(nèi)相對(duì)處于穩(wěn)態(tài)的海洋動(dòng)力環(huán)境、溢油及海冰測(cè)量需求，需要慢速率的雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取，設(shè)定了慢速率的可變環(huán)掃方式，針對(duì)海冰邊界、溢油邊界和高海況測(cè)量，需要單一徑向的雷達(dá)數(shù)據(jù)積累，設(shè)定了定向掃描方式，針對(duì)雷達(dá)隱身和部分扇區(qū)禁止輻射的情況，需要指定扇區(qū)的雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取，設(shè)定了扇掃方式。
[0029]該方法應(yīng)用了軟件無(wú)線電、自動(dòng)控制等技術(shù)，是基于超大規(guī)模FPGA芯片硬件平臺(tái)的數(shù)字化系統(tǒng)。該方法應(yīng)用于海洋測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)和基于船用導(dǎo)航雷達(dá)的海洋環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)，速率可變環(huán)掃、扇掃和定向掃描可以滿足不同測(cè)量環(huán)境及不同測(cè)量功能下的掃描要求。本實(shí)用新型為海上目標(biāo)環(huán)境、海面波浪、海流、浮冰、溢油和水文氣象等綜合海洋環(huán)境信息的研究提供了全新的硬件平臺(tái)。
[0030]以上的控制原理及控制方法都是為了解釋本實(shí)用新型的硬件工作，不屬于本實(shí)用新型的保護(hù)內(nèi)容。
[0031]上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實(shí)用新型宗旨的前提下做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)，其特征在于:包括FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、高分辨率絕對(duì)值編碼器、天線和終端計(jì)算機(jī)；天線設(shè)置于高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上，掃描時(shí)，由轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)的FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和高分辨率絕對(duì)值編碼器依次相連構(gòu)成一個(gè)回路，F(xiàn)PGA控制模塊還通過(guò)千兆以太網(wǎng)與終端計(jì)算機(jī)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)，其特征在于:所述的FPGA控制模塊采用Xilinx V6系列XC6VLX240T芯片。
3.如權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)海洋雷達(dá)多種掃描方式的掃描系統(tǒng)，其特征在于:所述的步進(jìn)電機(jī)采用直流四相步進(jìn)電機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01S13/88GK203720349SQ201420072574
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】王業(yè)慧, 陳瀚睿, 施春榮, 陸小虎, 謝向前, 周濤 申請(qǐng)人:中船重工鵬力（南京）大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司, 南京鵬力科技有限公司, 南京鵬力系統(tǒng)工程研究所