一种基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法技术

一种基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法，包括：建立船载相干雷达测量的综合多普勒频移的表达式；根据船体自身造型数据，当受到单位波高的波浪激励时，结合海浪频率成分分布特性计算六自由度的船舶运动幅值响应因子；依托上一时刻雷达所测得的海浪频率谱，通过构造规则海面的波面方程得到船舶的起伏规律，进而获得船体所在位置的海面波高位移；进行地球坐标系和船舶坐标系下六自由度的坐标转换；通过前后时刻的空间坐标差异计算该时段内雷达天线的空间位移，最后求取由船体姿态运动成分引起的额外多普勒频移，并从雷达回波多普勒频移中去除该成分；可有效改善海浪真实水质点径向速度的提取效果，提高相干测波雷达海浪参数反演的精度。浪参数反演的精度。浪参数反演的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法


[0001]本专利技术属于雷达信号处理领域，具体涉及一种基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法。

技术介绍

[0002]我国一直都是海洋大国，陆海岸线达1.8万多公里，管辖海域面积约为300多万平方公里。因此，海洋环境监测(包括海浪参数等)在我国海洋经济、交通航运、渔业养殖等方面具有重要意义。
[0003]船载相干微波测波雷达是众多无线电海洋遥感测波手段之一。该类雷达具有测量精度高、受环境干扰小、轻巧便携等优点，可被安装在各种类型的舰船上，能随船赴近、远海及各大洋实现海洋环境参数的航行观测。其探测原理是通过获取照度区域内的回波多普勒谱，估计其中心频率得到海面水质点在距离元(空域)内的径向速度序列，然后利用该速度序列与波高的转换关系估计得到波数谱，最后从波数谱中直接提取海浪参数如有效波高、平均波周期等。该方法无需校准即可得到准确的海浪波数谱等结果，因此是一种“直接”测量海浪的方法。
[0004]在船载相干测波雷达的信号处理过程中，准确提取由海面水质点径向速度引起的多普勒频移是获得海浪谱的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：建立船载相干雷达测量的综合多普勒频移的表达式；步骤二：基于实际船体结构的船舶运动特性建模：由三维势流理论，根据船体自身造型数据，当受到单位波高的波浪激励时，结合海浪频率成分分布特性计算六自由度的船舶运动幅值响应因子；步骤三：船舶六自由度摇晃姿态角建模：依托上一时刻雷达所测得的海浪频率谱，通过构造规则海面的波面方程得到船舶的起伏规律，进而获得船体所在位置的海面波高位移；步骤四：结合船舶运动幅值响应因子计算得到船体六自由度的姿态角序列；步骤五：由船体六自由度的姿态角序列,实现地球坐标系和船舶坐标系下六自由度的坐标转换；步骤六：通过前后时刻的空间坐标差异计算该时段内雷达天线的空间位移，最后求取由船体姿态运动成分引起的额外多普勒频移，并从雷达回波多普勒频移中去除该成分。2.如权利要求1所述的基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法，其特征在于，所述步骤一具体内容为：在任何航行状态下的船载相干雷达所测得的由海面水质点径向速度引起的多普勒频移是由许多不同成分组合而成,引起这个“合成”多普勒频移的主要来源以布拉格波为主，但也包含有海洋表层流、移动平台的瞬时运动、重力波、破碎波以及阴影调制等附加调制成分；船载相干雷达测量的综合多普勒频移f
echo
(r)的表达式为：f
echo
(r)＝
±
f
B
+f
cr
+f
ship
(r)
ꢀꢀ
(1)其中，各项频移成分所代表的含义为：f
B
是由海洋固有布拉格波所引起频移；f
cr
是由海表面流速引起频移；f
ship
(r)是由船体姿态运动相对于雷达的径向速度所引起频移；若仅考虑瞬态情况，公式(1)中布拉格波所引起的频移f
B
和海表面流速引起的频移f
cr
可视作常数，通过取均值后去除即可，r是海面水质点到船载雷达所在位置的水平距离；剩下的由船体前向运动和六自由度姿态运动引起的额外速度项可由如下表示：其中，r是海面水质点到船载雷达所在位置的水平距离，λ0为雷达电磁波波长；υ
ship
(r)表示船体姿态运动在不同距离单元内引起的额外径向速度；该分量具有时变性，与船舶在海面的航行状态直接相关。3.如权利要求1所述的基于空间位移的船舶姿态运动成分去除方法，其特征在于，所述步骤二具体内容为：收集实际船体自身的造型数据，包括有：船体质量、船体重心坐标、船体绕三个坐标轴的惯性半径、船体型宽、水线面面积、垂线间长、断水面质心横坐标、面元截面重心坐标和浮心坐标；船体六自由度的船舶运动幅值响应因子的计算方法如下：式中，为船舶运动幅值响应因子；S为恢复力系数矩阵；ω为海浪频率；M为惯性质量矩阵；A为附加质量矩阵；C为阻尼系数矩阵；其中附加质量矩阵A和阻尼系数矩阵C的计算方
法如下：法如下：式中，A和C在形式上是对称的；ρ为海水密度,为积分符号；j为模态个数；φ
j
为第j项模态下的幅值所对应的振荡运动速度势；Re(*)和Im(*)分别表示复数实部和虚部；恢复力系数矩阵S的表达式如下：式中，ρ为海水密度1.02g/cm3；g为重力加速度；m为船体质量；x为直角坐标系下的单位横坐标；积分长度为船体型宽L
A
；A表示水线面面积；B为垂线间长；y
W
为断水面的中心横坐标；(y
s
,z
s
)为面元截面中心的坐标；A
tr
为浮心横坐标，为方便计算一般令A
tr
＝0；y
tr
和z
tr
为浮心坐标；(x
G
,y
G
,z
G
)表示船舶在地球坐标系下的重心坐标；此外，惯性质量矩阵M的表达式可用下式来表达：式中，m为船体质量；θ
xx
为船体质量惯性矩，且θ
xx
＝mr
x2
；r
x
为船体绕x轴的惯性半径，对
于质量分布对称的船体，则有θ
xy
＝θ
yz
＝0,θ
xx
、θ
yy
、θ
zz
、θ
xy
、θ
xz
和θ
yz
分别为船体质量在xx、yy、zz、xy、xz和yz方向上的惯性矩，且θ
xx
＝mr
x2
，θ
yy
＝mr
y2
，θ
zz
＝mr
z2
，θ
xy
＝mr
x
r
y

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，谭辉，陈亮，邓林，冀航，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：