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船舶交通管理电子系统 (第3章),第3章 雷达子系统,3.1 交管雷达的功能与组成 一、基本功能与特点 1、主要用途 (1)监视 监视管理水域内的船舶航行及违章行为,监视航路标志及锚泊状况; (2)导航 引导船舶进出港及锚泊,保证船舶雾航、夜航安全,提高船舶营运效率; (3)提供信息 以信号、图像等形式提供有关船舶航行的信息(包括船舶位置、船舶分布、以及船舶的运动信息等)。,2、基本功能 (1)探测 (2)定位 (3)显示 (4)信息源 3、主要特点 (1)较高的定位精度和分辨力; (2)低噪声、大动态范围的接收性能; (3)较强的杂波抑制能力; (4)高可靠性; (5)较高的自检和自控能力等。,4、导航雷达基本原理,1)雷达的基本概念,雷达:利用电磁波的二次辐射、转发或固有辐射来探测目标,获取目标空间坐标、速度、特征等信息的一种无线电装置。,雷达目标(target):形成对雷达电波反射并在接收机产生回波信号的物体。,2) 雷达探测目标的方法 (1)利用目标的电磁波二次辐射现象探测目标,电磁波在介质中传播,遇到任何电性能与传播介质有差异的物体都会产生二次辐射现象。 目标各点产生的二次辐射电磁波与原来的电磁波相互干涉叠加,产生反射、散射、 绕射三种情况。 反射如果目标受到照射部分的尺寸远大于电磁波波长,且其表面非常平滑,电磁波传播方向改变,入射角等于反射角。,散射如果目标尺寸远大于电磁波波长,但其表面粗糙,各单元的二次辐射指向不同,强度与分布又极不均匀,具有随机性质。 绕射如果目标尺寸远小于电磁波波长,使电磁波连续弯折绕过目标,朝其背后继续传播。 谐振当目标尺寸与电磁波波长相比拟时,特别是当目标是一个导体,其指向与电磁波的电场矢量相平行,相当一个电偶极子在电磁波强迫振动下产生的二次辐射,形成特殊的天线效应。,对一个复杂目标来说,反射、散射、绕射、“谐振”二次辐射可能同时发生,但有主次之分。 对大量目标来说,往往散射是主要的。 除了完全绕射情况之外,反射、散射、“谐振”二次辐射都可以用来发现目标。 主动雷达(active radar):雷达向空间发射无线电波,利用后向散射探测目标,也称为有源雷达。,2) 雷达测量目标距离的方法,(1)基本原理 目标的距离R为: 式中,tR为电磁波往返传播引起的时延; C为电磁波在自由空间中传播的速度,数值为3108m/s;,1s相当于150m。,R,目标,雷达,(2)脉冲法测距幅度调制,原理图示:,发射脉冲,接收反射脉冲,目标2,目标1,目标1,目标2,收发共用天线,TF,电磁波在均匀介质中的等速直线传播特性; 天线的定向辐射与接收。 雷达测角有振幅法和相位法。,3) 雷达测量目标角度的方法,雷达的方向性图为尖锐的瓣形。 由天线扫描机构将波束旋转至目标方向,使接收的目标回波达到最大值,则此刻天线波束的指向即为目标方向。 目标的角坐标数据即可由天线旋转角确定。 零度起点可规定为真北向或船首向等。,二、 基本组成 雷达子系统组成框图,波导转换开关,雷达天线,三、使用性能 1、探测范围 (1)方位范围:视管理水域环境条件及投资而定; (2)距离范围 港外搜索和监视雷达:4050Nmile; 航道监视雷达:10-20 Nmile; 港区泊位和船舶动态监视:10 Nmile。 2、最大最小作用距离 (1)最大作用距离Rmax 本身因素:发射功率PT、天线增益GA、接收机灵敏度 Prmin、工作频率f。 外界因素:目标反射性能、电波传播条件等。 评价指标:发现概率,港外搜索与监视雷达:24Nmile; 港区和航道监视雷达:5-6Nmile (浓雾,中型浮标, Pd95%); 8-10Nmile(浓雾,10m长小 船,Pd95%); 14Nmile (浓雾,中型船舶, Pd95%);,ho,(2)最小作用距离Rmin 表示雷达观测近距离小目标的能力。 Rmin=(hA-ho)ctg(kA) 内在因素:脉冲宽度、接收机灵敏度恢复时间、天线架设高度、天线垂直波束宽度; 外在因素:目标高度。,ho,hA,Rmin,A,3、测距离和测方位误差 (1)测距误差 包括:同步误差、计时误差、量化误差和测读误差。(见教材3.7.4) 雷达测距误差:,其中, 为电波传播速度平均值的误差; 为测量目标回波延时值的误差。,3、测距离和测方位误差 (1)测距误差 雷达测距误差: 误差范围:两目标间的测读误差量程的5%; 偏离航道中心的测距误差10-20m; 雷达与目标间的测距误差10-20m。,(2)测方位误差 包括:传递误差、脉冲间隔导致的误差、量化 误差和测读误差。(见教材3.7.5),显示分辨率造成的误差(当波束宽度小于光点直径时):,范围:主要取决于雷达天线的水平波速宽度和方位量化精度及显示分辨率,一般在0.1 0.5。,波束宽度造成的误差(当波束宽度大于光点直径时):,4、距离分辨力和方位分辨力 (1)距离分辨力 表示雷达区分同一方位上两个相邻目标的能力。 主要取决于:发射脉冲宽度、接收带宽、视频量化 精度和显示分辨率。(见教材3.7.6) 其中,d为光点直径或像素单元尺寸; 为光点扫掠速度(cm/us). 范围:对港内和航道监视雷达,分辨力和定位精度是主要指标,一般为10-20m。,(2)方位分辨力 表示雷达能够区分同一距离上的相邻两个目标的能力。(见教材3.7.7) 主要取决于:雷达天线水平波速宽度、方位量化精度和显示分辨率。 范围:一般为0.2-0.5。,四、技术性能 雷达的技术性能表征雷达整机和各分机的技术特性和质量,是实现使用性能的技术保证。 1、工作波长(射频工作波长) 交管雷达依据对使用性能的不同要求选择工作波长。 主要考虑的因素:分辨率、探测能力、抗干扰等。 主要应用的波长:3cm(X波段),高分辨力; 10cm(S波段),高的抗雨雪衰减能力。,2、天线性能 天线水平波束宽度A; 天线垂直波束宽度和形状; 天线波束的旁瓣电平; (4) 天线转速; (5) 极化形式; (6) 方位信号增量脉冲数。,(1) 天线水平波速宽度A A越小,雷达的性能越高,交管雷达的水平波束宽度一般在0.5以内。,(2) 天线垂直波束宽度和形状,应考虑以下因素: a. 为减小最小作用距离,应加大垂直波束宽度 b. 为增大最大作用距离,应减小垂直波束宽度; c. 为提高抗雨雪能力,应减小垂直波束宽度。 一般交管雷达的垂直波束宽度为515,并常采用余割平方形状,以兼顾远区和近区。,(3) 天线波束的旁瓣电平 取决于以下因素: a. 为了减少假回波,旁瓣电平越小越好; b.在天线口径和波长一定的条件下,为了减小天线 的水平波束宽度,旁瓣电平不能太低。 A=k /LA k随着旁瓣电平的减小而增大。 交管雷达的旁瓣电平一般在-27dB-35dB。,(4) 天线转速 由以下因素决定: a.为了增大作用距离,转速应降低; b.天线转速应保证雷达图像的连续; c.为了减弱海浪干扰,转速应升高; d.考虑数据处理系统的容量和速度,转速不能太 高;考虑对目标,特别是高机动性目标跟踪的连 续性,转速不能太低。 目前交管雷达的天线转速一般为1020转/分。,(5) 极化形式 一般多采用水平极化形式。 为了抗干扰,一般采用线极化/圆极化转换形式。 (6) 方位信号增量脉冲数 增量脉冲数NP决定了天线提供的可辨认的最小方位角度,该最小方位角度即为方位量化单元。 目前交管雷达的方位单元数一般为4096。,3、发射机性能 1)脉冲宽度 2)脉冲重复频率 F 3)发射功率PT,1)脉冲宽度 取决于以下因素: a.为了增大作用距离,应大; b.为了提高距离分辨力,应小; c.为了减小海浪、雨雪等杂波干扰功率,应减小; d.调制器和微波振荡器的实际可能。,港内及航道监视:0.03-0.1s,港外探测:0.1-2s,目前交管雷达,2)脉冲重复频率 F a. 保证探测距离的要求 式中,Rsw:最大扫描距离 b. 增大最大作用距离,应提高F 式中,:发射脉冲宽度;Pa:平均功率;PT:发射脉冲功率。,c. 为减小脉冲间隔导致的测方位误差,应增大F; 测方位标准误差: 式中,A:天线转速。 d. 要考虑磁控管的实际可能 目前交管雷达:F=,港内监视:10004000Hz,港外搜索与监视:5002000Hz,3)发射功率PT 取决于以下因素: a. 为了保证最大作用距离,PT应大; b. 为了减小雨雪、海浪和天线旁瓣干扰,PT不应太大; c. 要考虑磁控管的可能性 港外搜索与监视:2550KW 目前交管雷达:PT= 港内监视:25KW以下,4、接收机性能 1)接收带宽fI 港外搜索与监视:520MHz 港内监视:2030MHz 2)噪声系数FN: 4.5dB 3)灵敏度Prmin: 港外搜索与监视:优于10-11W 港内监视:优于10-13W 4)增益G: 110dB 5)动态范围: 120dB,5、显示器 1)屏幕器尺寸:2129英寸 2)显示分辨率:16001280或20002000 3)帧 频 率:75Hz。,3.2 天线分机,天线型式: 波导隙缝天线(隙缝-喇叭天线)、抛物面天线、直线阵列天线等。 组成: 天线、方位信号产生器、波导馈线和天线旋转机构。,H,I,E,1) 水平波束 式中:工作波长;LA天线水平口径尺寸; k 与旁瓣电平有关的系数。,2、波束形状与近视余割平方波束的实现,2) 垂直波束 天线垂直波束为:5 15的扇形波束实现容易,余割平方波束实现困难,但可实现近视的余割平方波束。,3、极化形式 一般为水平极化或垂直极化,也可在喇叭口加置45金属斜板的方法得到圆极化波。 4、特点 1)容易实现理想的振幅分布,方向性图较 好(旁瓣可达-30dB); 2)频带较宽,风阻较小,转速均匀,驱动 功率低;,3)天线长度LA受到波导中脉冲信号过渡特性的 限制; (24)Tr=(24) LA/Vg :脉冲宽度; Tr:隙缝波导天线渡越时间; Vg:波导中能量的传播速度(群速)。 4)在结构上实现极化转换困难。,二、方位信号 1、信号形式 增量脉冲和指北脉冲N。 2、方位信号的产生,3.3 发射机 目前交管雷达发射机普遍沿用脉冲调制、磁控管震荡直接输出的单级振荡型发射机。近期又出现了脉内线性调频和连续波调频体制的主振放大式雷达。 一、磁控管单级振荡型 1. 基本结构,触发脉冲,发射脉冲,磁控管,调制器结构框图,2.技术水平 波段:X(3cm),S(10cm),Ku(2.5cm), Ka(0.8cm) 输出峰值功率:20-100KW; 脉宽:0.05-2us; 可靠性:同轴型磁控管:MTBF10000h; 固态调制器:MTBF20000h; 发射机整机:MTBF6000h;,3. 主要特点 优点:结构简单,成本低,可靠性高; 缺点:脉冲宽度不能做的很小,一般0.02us。 由于B1,提高测距精度和距离分辨率与利用频移特性测速相矛盾。,二、脉内线型调频主振放大型 1. 基本结构,模拟式线性调频脉冲压缩雷达构成框图,2. 技术水平 工作波长:X(9.29.5GHz)或S(2.93.1GHz); 输出峰值功率:峰值功率170W; 脉冲压缩比:660:1 脉冲宽度: 0.1100s; 调制形式: 脉内非线性调频; 可靠性措施:低功率发射(170W) 整机可靠性:MTBF50000小时,3.主要特点 1)由于B1,在改善测距精度和距离分辨力的同时,又能以较低的发射脉冲功率实现较远的探测距离。 2)由于B1,在改善测距精度和距离分辨力的同时,又能获得较高的速度分辨率,因此,具有较高的
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