一種實現(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】本實用新型公開了一種實現(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)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)高精密伺服轉(zhuǎn)臺、高分辨率絕對值編碼器、天線和終端計算機(jī)；FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺和高分辨率絕對值編碼器依次相連，F(xiàn)PGA控制模塊還通過千兆以太網(wǎng)與終端計算機(jī)相連。該方法應(yīng)用于海洋測量雷達(dá)系統(tǒng)和基于船用導(dǎo)航雷達(dá)的海洋環(huán)境探測系統(tǒng)。本實用新型為海上目標(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。
【專利說明】 一種實現(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]本實用新型屬于海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境探測領(lǐng)域，具體涉及一種實現(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)有的海洋測量雷達(dá)和基于船用導(dǎo)航雷達(dá)的海洋環(huán)境探測系統(tǒng)的掃描方式基本為單速率環(huán)掃。一種固定速率的環(huán)掃方式無法滿足不同情況下海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境的探測需求，從探測的功能上來看，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)境探測對雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取速率需求不同。海洋目標(biāo)探測對雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率需求較高，需要快速確定目標(biāo)方位角度及其運動軌跡，而海洋環(huán)境探測由于在一定時間內(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，針對海冰邊界、溢油邊界和高海況測量，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，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，在目前的海洋測量雷達(dá)系統(tǒng)和基于海洋測量雷達(dá)的海洋環(huán)境探測系統(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量雷達(dá)則大大提高了海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境探測領(lǐng)域的通用能力。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種實現(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)探測的工作方式，本實用新型可以采用多速率環(huán)掃、扇掃和定向掃描多種方式，提升了海洋測量雷達(dá)在海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境探測領(lǐng)域的通用能力。
[0004]本實用新型采用以下技術(shù)方案:
[0005]—種實現(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)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺、高分辨率絕對值編碼器、天線和終端計算機(jī)；天線設(shè)置于高精密伺服轉(zhuǎn)臺上，掃描時，由轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動帶動天線的轉(zhuǎn)動FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺和高分辨率絕對值編碼器依次相連構(gòu)成一個回路，F(xiàn)PGA控制模塊還通過千兆以太網(wǎng)與終端計算機(jī)相連；
[0006]終端計算機(jī)通過千兆以太網(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)動系統(tǒng)，模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和減速機(jī)，從而控制高精密伺服轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，高分辨率絕對值編碼器將高精密伺服轉(zhuǎn)臺的目標(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)送回終端計算機(jī)，終端計算機(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，需要對海上高速運動的目標(biāo)測量數(shù)據(jù)時，選用高速率的環(huán)掃方式；需要對處于穩(wěn)態(tài)的海洋動力環(huán)境、溢油及海冰測量數(shù)據(jù)時，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、本實用新型采用加入高精密伺服轉(zhuǎn)臺，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】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型的控制軟件框圖；
[0017]圖2為本實用新型的總體設(shè)計框圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0019]本實用新型提供一種實現(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)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺、高分辨率絕對值編碼器和終端計算機(jī)；FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺和高分辨率絕對值編碼器依次相連，F(xiàn)PGA控制模塊還通過千兆以太網(wǎng)與終端計算機(jī)相連。
[0020]如圖1，為實現(xiàn)具有多種掃描方式的海洋測量雷達(dá)，以滿足不同情況下海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境的探測需求，在選擇海洋測量目標(biāo)時，可通過人工手動選擇也可通過終端計算機(jī)進(jìn)行選擇，終端計算機(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，通過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，終端計算機(jī)通過千兆以太網(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)動時間、轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)，終端計算機(jī)通過對轉(zhuǎn)動時間、轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)的設(shè)定來實現(xiàn)二坐標(biāo)海洋測量雷達(dá)的多速率環(huán)掃、扇掃和定向掃描方式。
[0022]本實用新型中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，實現(xiàn)伺服驅(qū)動和測控，F(xiàn)PGA控制模塊根據(jù)伺服控制系統(tǒng)命令中的轉(zhuǎn)速自動生成與該轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的頻率脈沖信號及轉(zhuǎn)動方向信號，F(xiàn)PGA控制模塊對頻率脈沖信號及轉(zhuǎn)動方向信號進(jìn)行編碼后發(fā)送給模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)，模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到來自FPGA控制模塊發(fā)送的一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(步進(jìn)角)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，從而可以通過控制一個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，進(jìn)而實現(xiàn)了定位掃描和扇掃；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，進(jìn)而實現(xiàn)可變速率環(huán)掃；從而控制高精密伺服轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臺上安置有天線，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的同時帶動天線轉(zhuǎn)動。
[0023]本實用新型的步進(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)以實現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。
[0024]高分辨率絕對值編碼器檢測轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角度數(shù)據(jù)，并將角度數(shù)據(jù)發(fā)送回FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊對高分辨率絕對值編碼器檢測的角度數(shù)據(jù)保留有效位并進(jìn)行預(yù)處理，然后發(fā)送回終端計算機(jī)，由終端計算機(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)海洋測量雷達(dá)的位置角度實時顯示在終端計算機(jī)的軟件界面中。如圖2，伺服控制系統(tǒng)命令由終端計算機(jī)通過千兆以太網(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伺服算法通過設(shè)計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)動速度和加速度，實現(xiàn)伺服驅(qū)動和測控，F(xiàn)PGA控制模塊將終端計算機(jī)命令編碼后發(fā)送給模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)，并采用直流四相步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器，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)子在相序變換時轉(zhuǎn)過的角度，進(jìn)而降低了由于相序轉(zhuǎn)換造成的速度沖擊和慣性，提高了運行精度，同時大大降低了噪聲。
[0025]本實用新型所述的步進(jìn)電機(jī)與模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)直接存在電流反饋，相當(dāng)于開環(huán)控制，高精密伺服轉(zhuǎn)臺和FPGA控制模塊之間存在著位置反饋回路，形成閉環(huán)控制，從而本實用新型為復(fù)合伺服控制系統(tǒng)；在進(jìn)行定向掃描時，高分辨率絕對值編碼器不斷測出角度數(shù)據(jù)的實際量，并通過反饋回路發(fā)送給FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊再將角度數(shù)據(jù)的實際量發(fā)送回終端計算機(jī)，終端計算機(jī)將接收到的實際量同之前發(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，對伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行實時修正，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)以實現(xiàn)對電動機(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)臺的機(jī)械傳動系統(tǒng)上；本實用新型采用高精密伺服轉(zhuǎn)臺，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)臺運動過程中，高分辨率絕對值編碼器不斷測出角度的實際量，終端計算機(jī)得到實際量后同終端計算機(jī)的給定量進(jìn)行比較，然后用其差值進(jìn)行控制。高分辨率絕對值編碼器中集成了增量式線光柵RLD10，其輸出信號經(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。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)臺定位精度的是線光柵的位移檢測精度和控制系統(tǒng)控制精度，機(jī)械傳動裝置的傳動誤差，只影響轉(zhuǎn)臺的速度穩(wěn)定性。
[0027]通過以上系統(tǒng)的設(shè)計，終端計算機(jī)內(nèi)的掃描控制軟件模塊根據(jù)不同測量環(huán)境和不同測量功能的數(shù)據(jù)獲取率的要求，通過FPGA模塊中DDS伺服算法對電機(jī)驅(qū)動脈沖進(jìn)行調(diào)制，改變步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動器接收到的脈沖信號，從而控制高精密伺服轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動天線轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)海洋測量雷達(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)行掃描測量的目標(biāo)，其次針對高速運動的海上目標(biāo)測量，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，針對短時間內(nèi)相對處于穩(wěn)態(tài)的海洋動力環(huán)境、溢油及海冰測量需求，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，針對海冰邊界、溢油邊界和高海況測量，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)用了軟件無線電、自動控制等技術(shù)，是基于超大規(guī)模FPGA芯片硬件平臺的數(shù)字化系統(tǒng)。該方法應(yīng)用于海洋測量雷達(dá)系統(tǒng)和基于船用導(dǎo)航雷達(dá)的海洋環(huán)境探測系統(tǒng)，速率可變環(huán)掃、扇掃和定向掃描可以滿足不同測量環(huán)境及不同測量功能下的掃描要求。本實用新型為海上目標(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。
[0030]以上的控制原理及控制方法都是為了解釋本實用新型的硬件工作，不屬于本實用新型的保護(hù)內(nèi)容。
[0031]上面結(jié)合附圖對本實用新型的實施方式作了詳細(xì)說明，但是本實用新型并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實用新型宗旨的前提下做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種實現(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)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺、高分辨率絕對值編碼器、天線和終端計算機(jī)；天線設(shè)置于高精密伺服轉(zhuǎn)臺上，掃描時，由轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動帶動天線轉(zhuǎn)動的FPGA控制模塊、模擬控制及驅(qū)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、高精密伺服轉(zhuǎn)臺和高分辨率絕對值編碼器依次相連構(gòu)成一個回路，F(xiàn)PGA控制模塊還通過千兆以太網(wǎng)與終端計算機(jī)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種實現(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】G01S13/88GK203720349SQ201420072574
【公開日】2014年7月16日 申請日期: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