船舶導(dǎo)航雷達(dá)課件

1、第四篇第四篇 航海儀器航海儀器第九章第九章 船舶導(dǎo)航雷達(dá)船舶導(dǎo)航雷達(dá)第九章 船舶導(dǎo)航雷達(dá)第九章 船舶導(dǎo)航雷達(dá) 什么是雷達(dá)呢？什么是雷達(dá)呢？ 雷達(dá)雷達(dá)發(fā)射微波脈沖（即電磁波）對目標(biāo)進(jìn)行照發(fā)射微波脈沖（即電磁波）對目標(biāo)進(jìn)行照射，同時接收射，同時接收目標(biāo)目標(biāo)對電磁波的對電磁波的反射反射回波，從而回波，從而發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其目標(biāo)并測定其參數(shù)參數(shù)，即利用電磁波來完成對目標(biāo)的，即利用電磁波來完成對目標(biāo)的成像、識別、檢測、定位和跟蹤。成像、識別、檢測、定位和跟蹤。 電磁波具有似光性，在地球表面近似電磁波具有似光性，在地球表面近似以光速直線以光速直線傳播傳播，遇到物體后會被反射回去。，遇到物體后會被反射回去

2、。 英文：英文：Radar-Radio Detection Radar-Radio Detection And And RangingRanging，即，即無線電探測與測距。無線電探測與測距。 應(yīng)用應(yīng)用于船舶導(dǎo)航的雷達(dá)成為于船舶導(dǎo)航的雷達(dá)成為船舶導(dǎo)航雷達(dá)船舶導(dǎo)航雷達(dá)（Shipborne Navigation RadarShipborne Navigation Radar），亦稱航海雷達(dá)），亦稱航海雷達(dá)（Marine RadarMarine Radar）或船用雷達(dá)）或船用雷達(dá)，在航海中，在航海中通常通常簡稱雷簡稱雷 達(dá)。達(dá)。 第九章 船舶導(dǎo)航雷達(dá) IMOIMO在雷達(dá)性能標(biāo)準(zhǔn)中指出在雷達(dá)性能標(biāo)準(zhǔn)中

3、指出: :雷達(dá)通過顯示雷達(dá)通過顯示和識別其他水面船只、障礙物和危險物、導(dǎo)航目和識別其他水面船只、障礙物和危險物、導(dǎo)航目標(biāo)和海岸線等相對于本船的位置，標(biāo)和海岸線等相對于本船的位置，來幫助船舶安來幫助船舶安全導(dǎo)航和避免碰撞全導(dǎo)航和避免碰撞。 雷達(dá)雷達(dá)能夠及時發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離弱小目標(biāo)能夠及時發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離弱小目標(biāo)，精確測，精確測量本船相對目標(biāo)的距離和方位，確定船舶位置，量本船相對目標(biāo)的距離和方位，確定船舶位置，引導(dǎo)船舶航行。通過傳感器的支持，雷達(dá)還具備引導(dǎo)船舶航行。通過傳感器的支持，雷達(dá)還具備了目標(biāo)識別與跟蹤、地理參考信息顯示等功能，了目標(biāo)識別與跟蹤、地理參考信息顯示等功能，能夠更好地避免船舶碰撞，保障航行安

4、全。能夠更好地避免船舶碰撞，保障航行安全。第九章 船舶導(dǎo)航雷達(dá) 第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理 第二節(jié)第二節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)觀測性能與觀測觀測性能與觀測技術(shù)技術(shù) 第三節(jié)第三節(jié) 目標(biāo)目標(biāo)觀測觀測特性特性 第四節(jié)第四節(jié) 影響影響雷達(dá)正常觀測的雷達(dá)正常觀測的因素因素 第五節(jié)第五節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)定位與定位與導(dǎo)航導(dǎo)航 第六節(jié)第六節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)目標(biāo)跟蹤跟蹤 第七節(jié)第七節(jié) 雷達(dá)顯示雷達(dá)顯示AISAIS報告報告目標(biāo)目標(biāo) 第八節(jié)第八節(jié) 影響影響目標(biāo)跟蹤精度的目標(biāo)跟蹤精度的因素因素第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理 在在雷達(dá)工作環(huán)境中雷達(dá)工作環(huán)境中，能夠

5、反射，能夠反射雷達(dá)波的雷達(dá)波的物物體，如岸線、島嶼、船舶、浮標(biāo)、海浪、雨雪、體，如岸線、島嶼、船舶、浮標(biāo)、海浪、雨雪、云霧等等，統(tǒng)稱為云霧等等，統(tǒng)稱為目標(biāo)目標(biāo)。這些目標(biāo)的雷達(dá)反射。這些目標(biāo)的雷達(dá)反射波波被被雷達(dá)天線接收后經(jīng)過雷達(dá)天線接收后經(jīng)過接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)處理，處理，最終最終在顯示器上顯示為加強(qiáng)亮點在顯示器上顯示為加強(qiáng)亮點，這些加強(qiáng)亮點就，這些加強(qiáng)亮點就是是目標(biāo)回波目標(biāo)回波。 雷達(dá)系統(tǒng)將雷達(dá)傳感器探測到的本船周圍雷達(dá)系統(tǒng)將雷達(dá)傳感器探測到的本船周圍目標(biāo)以平面位置圖像的方式顯示在屏幕上。目標(biāo)以平面位置圖像的方式顯示在屏幕上。 目標(biāo)距離和方位的測量都是在顯示器上通目標(biāo)距離和方位的測量都是在顯示器

6、上通過測量目標(biāo)回波來完成的。過測量目標(biāo)回波來完成的。第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理本船周圍有一島嶼，另有本船周圍有一島嶼，另有一目標(biāo)船與本船相向行駛一目標(biāo)船與本船相向行駛B B圖為海平面圖為海平面俯視圖，本船俯視圖，本船航向航向000000，目，目標(biāo)船航行在本標(biāo)船航行在本船右舷，島嶼船右舷，島嶼在本船左舷后在本船左舷后C C圖為雷達(dá)屏幕，掃描圖為雷達(dá)屏幕，掃描中心（起始點）為本船中心（起始點）為本船參考位置，量程為參考位置，量程為12n 12n milemile，即在雷達(dá)屏幕上，即在雷達(dá)屏幕上顯示了以本船為中心顯示了以本船為中心12n 12n milemil

7、e為半徑的本船周圍為半徑的本船周圍海域的雷達(dá)回波。海域的雷達(dá)回波。n雷達(dá)圖像基本元素雷達(dá)圖像基本元素第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理 統(tǒng)一公共基準(zhǔn)點統(tǒng)一公共基準(zhǔn)點CCRPCCRP（Consistence Common Consistence Common Reference PointReference Point）：是雷達(dá)）：是雷達(dá)IBSIBS（情報系統(tǒng)庫（情報系統(tǒng)庫Information Bank SysremInformation Bank Sysrem）中的重要組成部分，是）中的重要組成部分，是雷達(dá)測量目標(biāo)所得到的數(shù)據(jù)如距離、方位、相對雷達(dá)測量目標(biāo)所得

8、到的數(shù)據(jù)如距離、方位、相對航向和航速、本船與目標(biāo)船的最近會遇距離航向和航速、本船與目標(biāo)船的最近會遇距離（Distance to the Closet Point of ApproachDistance to the Closet Point of Approach，CPA)CPA)和航行到最近會遇距離所需時間（和航行到最近會遇距離所需時間（Time to the Time to the Closet Point of ApproachCloset Point of Approach，TCPATCPA）等的）等的參考點參考點，通常是雷達(dá)天線輻射器在雷達(dá)屏幕上的對應(yīng)位置。通常是雷達(dá)天線輻射器在雷達(dá)

9、屏幕上的對應(yīng)位置。 最性能標(biāo)準(zhǔn)要求最性能標(biāo)準(zhǔn)要求CCRPCCRP可以由駕駛員根據(jù)需可以由駕駛員根據(jù)需要設(shè)置，典型位置通常為駕駛臺指揮位置要設(shè)置，典型位置通常為駕駛臺指揮位置。第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理 在雷達(dá)屏幕上，在雷達(dá)屏幕上，HLHL（Head LineHead Line）稱為）稱為船首線船首線，指示船，指示船首方向，來自本船艏向裝置（首方向，來自本船艏向裝置（THDTHD）或陀螺羅經(jīng)。）或陀螺羅經(jīng)。 發(fā)自于掃描起始點的徑向發(fā)自于掃描起始點的徑向掃描線掃描線在屏幕上沿順時針方在屏幕上沿順時針方向勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動周期與雷達(dá)天線在空間的轉(zhuǎn)動周明一致。向勻速

10、轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動周期與雷達(dá)天線在空間的轉(zhuǎn)動周明一致。 屏幕上等間距的同心圓稱為屏幕上等間距的同心圓稱為固定距標(biāo)圈固定距標(biāo)圈（Range RingRange Ring，RRRR），每圈間隔），每圈間隔2n mile2n mile，用來估算日標(biāo)的距離。與固定距，用來估算日標(biāo)的距離。與固定距標(biāo)圈同心的虛線圓是標(biāo)圈同心的虛線圓是活動距標(biāo)圈活動距標(biāo)圈（Variable Range MarkVariable Range Mark，VRMVRM），它可以由操作者隨意調(diào)整半徑，借助數(shù)據(jù)讀出窗），它可以由操作者隨意調(diào)整半徑，借助數(shù)據(jù)讀出窗口的指示測量目標(biāo)的準(zhǔn)確距離?？诘闹甘緶y量目標(biāo)的準(zhǔn)確距離。 EBLEBL（Elec

11、tronic Bearing LineElectronic Bearing Line）稱為電子方位線稱為電子方位線，通過，通過面板操作控制其在屏幕的指向，借助數(shù)據(jù)讀出窗口的指示或面板操作控制其在屏幕的指向，借助數(shù)據(jù)讀出窗口的指示或屏幕邊緣顯示的方位刻度，測量目標(biāo)的方位。屏幕邊緣顯示的方位刻度，測量目標(biāo)的方位。 很多雷達(dá)將很多雷達(dá)將VRM/EBLVRM/EBL聯(lián)動，稱為電子距離方位線聯(lián)動，稱為電子距離方位線（ Electronic Range/ Bearing Line Electronic Range/ Bearing Line，ERBLERBL）, ,可以通過一次性可以通過一次性操作同時測量

12、目標(biāo)的距離和方位。操作同時測量目標(biāo)的距離和方位。第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理 早期的雷達(dá)顯早期的雷達(dá)顯示器也稱示器也稱PPIPPI（平面（平面位置顯示器），現(xiàn)位置顯示器），現(xiàn)代雷達(dá)采用平面光代雷達(dá)采用平面光柵顯示器取代了柵顯示器取代了PPIPPI，如右圖。屏幕上包如右圖。屏幕上包括了雷達(dá)圖像區(qū)域、括了雷達(dá)圖像區(qū)域、操作菜單區(qū)域、狀操作菜單區(qū)域、狀態(tài)指示區(qū)域、數(shù)據(jù)態(tài)指示區(qū)域、數(shù)據(jù)顯示區(qū)域等。顯示區(qū)域等。 通常，雷達(dá)屏通常，雷達(dá)屏幕上除了顯示島嶼、幕上除了顯示島嶼、岸線、導(dǎo)航標(biāo)忐、岸線、導(dǎo)航標(biāo)忐、船舶等對船舶導(dǎo)航船舶等對船舶導(dǎo)航避碰安全航行有用避碰安全航行有用

13、的各種回波之外，的各種回波之外，還無法避免地顯示還無法避免地顯示出各種駕駛員不希望看到的回波，如海浪、雨雪、同頻干擾、云霧、噪聲、假出各種駕駛員不希望看到的回波，如海浪、雨雪、同頻干擾、云霧、噪聲、假回波等。一個專業(yè)的雷達(dá)觀測者，應(yīng)能夠在各種雜波干擾和復(fù)雜屏幕背景中分回波等。一個專業(yè)的雷達(dá)觀測者，應(yīng)能夠在各種雜波干擾和復(fù)雜屏幕背景中分辨出有用回波，引導(dǎo)船舶安全航行。辨出有用回波，引導(dǎo)船舶安全航行。第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理雷達(dá)圖像的特點雷達(dá)圖像的特點： 由于雷達(dá)設(shè)備自身的性能、大氣傳播的條件、目標(biāo)由于雷達(dá)設(shè)備自身的性能、大氣傳播的條件、目標(biāo)的反射能力以及

14、周圍環(huán)境的變化都會影響雷達(dá)圖像的形的反射能力以及周圍環(huán)境的變化都會影響雷達(dá)圖像的形成與質(zhì)量，使雷達(dá)探測到的目標(biāo)回波圖像與真實目標(biāo)相成與質(zhì)量，使雷達(dá)探測到的目標(biāo)回波圖像與真實目標(biāo)相比，可能會有很大的變形，比如：比，可能會有很大的變形，比如： 雷達(dá)回波圖像類似目標(biāo)迎問天線面的垂直投影；雷達(dá)回波圖像類似目標(biāo)迎問天線面的垂直投影； 雷達(dá)只能探測目標(biāo)的前沿，后沿被遮擋的部分無法雷達(dá)只能探測目標(biāo)的前沿，后沿被遮擋的部分無法 探測和顯示；探測和顯示； 目標(biāo)的低矮部分（如沙灘）可能會被遮擋或回波微目標(biāo)的低矮部分（如沙灘）可能會被遮擋或回波微 弱，也無法被探測到；弱，也無法被探測到； 雷達(dá)發(fā)射脈沖的寬度會使探測

15、到的回波發(fā)生后沿雷達(dá)發(fā)射脈沖的寬度會使探測到的回波發(fā)生后沿 “拖尾拖尾”現(xiàn)象，造成回波與實際目標(biāo)形狀不相符；現(xiàn)象，造成回波與實際目標(biāo)形狀不相符； 雷達(dá)屏幕像素尺寸使回波的位置向周圍擴(kuò)展；雷達(dá)屏幕像素尺寸使回波的位置向周圍擴(kuò)展；第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理 雷達(dá)的輻射波束寬度引起回波沿周方向擴(kuò)展，造成雷達(dá)的輻射波束寬度引起回波沿周方向擴(kuò)展，造成 回波向左右擴(kuò)展；回波向左右擴(kuò)展； 船舶運(yùn)動、涌浪波動及雷達(dá)設(shè)備因素引起回波位置船舶運(yùn)動、涌浪波動及雷達(dá)設(shè)備因素引起回波位置 閃爍不定，目標(biāo)邊緣不清晰；閃爍不定，目標(biāo)邊緣不清晰； 地球曲率影響雷達(dá)地平距離，遠(yuǎn)距離高大目

16、標(biāo)只有地球曲率影響雷達(dá)地平距離，遠(yuǎn)距離高大目標(biāo)只有 頂端能夠被探測到，圖像與目標(biāo)原貌甚至完全不同；頂端能夠被探測到，圖像與目標(biāo)原貌甚至完全不同； 目標(biāo)對雷達(dá)波的反射能力不同，造成回破強(qiáng)度差別目標(biāo)對雷達(dá)波的反射能力不同，造成回破強(qiáng)度差別 好大，圖像明暗不均；好大，圖像明暗不均； 由于氣象海況以及船舶吃水的變化，即使在同一海由于氣象海況以及船舶吃水的變化，即使在同一海 域，船舶不同航次，回波圖像也會有差別；域，船舶不同航次，回波圖像也會有差別； 雷達(dá)圖像是動態(tài)圖像，觀測習(xí)慣和個人操作能力不雷達(dá)圖像是動態(tài)圖像，觀測習(xí)慣和個人操作能力不 同，對圖像的解釋因人而異；同，對圖像的解釋因人而異； 由于以上所

17、有因素綜合影響，使雷達(dá)圖像經(jīng)常由于以上所有因素綜合影響，使雷達(dá)圖像經(jīng)常 很難與海圖和視覺影響相對應(yīng)。很難與海圖和視覺影響相對應(yīng)。第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理 雷達(dá)測距原理雷達(dá)測距原理 利用電磁波特性：利用電磁波特性： （1 1）直接傳播（微波波段）直接傳播（微波波段） （2 2）勻速傳播（同一媒質(zhì)中）勻速傳播（同一媒質(zhì)中） （3 3）反射特性（在任何兩種媒質(zhì)的邊界面）反射特性（在任何兩種媒質(zhì)的邊界面）發(fā)射時刻：發(fā)射時刻：t1到達(dá)目標(biāo)的時刻：到達(dá)目標(biāo)的時刻：t1+（t2 - t1）/2目標(biāo)目標(biāo)P R R 假設(shè)雷達(dá)發(fā)射電磁波脈沖的時刻為假設(shè)雷達(dá)發(fā)射電磁波脈沖的

18、時刻為t1 t1，接收反射回來的電磁波脈沖的時刻為接收反射回來的電磁波脈沖的時刻為t2 t2，電磁波往返于雷達(dá)天線與目標(biāo)之間的電磁波往返于雷達(dá)天線與目標(biāo)之間的時間為時間為t t，則，則t=t2 t1t=t2 t1，電磁波在空，電磁波在空間傳播的速間傳播的速 度為度為C C（約（約3 310108 8m/sm/s），），則目標(biāo)的距離：則目標(biāo)的距離：R=CR=C* *t/2t/2 為了能在雷達(dá)屏幕上測量本船到目標(biāo)船的距離，工程師將電子從為了能在雷達(dá)屏幕上測量本船到目標(biāo)船的距離，工程師將電子從雷達(dá)回波圖像區(qū)域中心掃描到邊緣的時間（掃描線長度）設(shè)計成正雷達(dá)回波圖像區(qū)域中心掃描到邊緣的時間（掃描線長度）

19、設(shè)計成正好對應(yīng)于雷達(dá)所選用量程的電磁波往返傳播時間。例如：雷達(dá)好對應(yīng)于雷達(dá)所選用量程的電磁波往返傳播時間。例如：雷達(dá)12n 12n milemile的量程相當(dāng)于雷達(dá)波傳播了的量程相當(dāng)于雷達(dá)波傳播了24n mile24n mile，所花費的時間是，所花費的時間是148.2148.2 s s，即掃描線的長度也應(yīng)為即掃描線的長度也應(yīng)為148.2148.2 s s ，從而使在，從而使在12n mile12n mile以內(nèi)的任意海上目以內(nèi)的任意海上目標(biāo)與本船的距離，與屏幕上目標(biāo)顯示的位置到回波圖像區(qū)域中心的標(biāo)與本船的距離，與屏幕上目標(biāo)顯示的位置到回波圖像區(qū)域中心的位置相準(zhǔn)確對應(yīng)，這樣，駕駛員就可以利用距

20、離測量工具（位置相準(zhǔn)確對應(yīng)，這樣，駕駛員就可以利用距離測量工具（RRRR或或VRMVRM）估算或準(zhǔn)確測量目標(biāo)的距離。）估算或準(zhǔn)確測量目標(biāo)的距離。接收時刻接收時刻：t2第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探測與顯示基本原理目標(biāo)探測與顯示基本原理 雷達(dá)測方位原理雷達(dá)測方位原理（1 1）利用電磁波特性。）利用電磁波特性。（2 2）雷達(dá)）雷達(dá)天線是定向天線是定向圓周圓周 掃描掃描天線，在水平面天線，在水平面內(nèi)，內(nèi)， 天線輻射天線輻射寬度寬度1 1，所以對，所以對 于每于每一特定時刻，雷達(dá)一特定時刻，雷達(dá)只只 能能向一個方向發(fā)射電磁波，向一個方向發(fā)射電磁波， 船舶天線俯視圖船舶天線俯視圖掃描線掃描線顯示器顯示器船

21、首線船首線固定方位圈固定方位圈0 0刻度方向刻度方向天線的輻天線的輻射方向射方向（很尖銳）（很尖銳）實際的實際的船首線船首線 同時也只能同時也只能在在這個這個方向上方向上接收目標(biāo)回波，實現(xiàn)這個方向的測向。接收目標(biāo)回波，實現(xiàn)這個方向的測向。 同時雷達(dá)天線在空中以船首為方位同時雷達(dá)天線在空中以船首為方位參考基準(zhǔn)，參考基準(zhǔn)，環(huán)環(huán)360360 勻速轉(zhuǎn)動，勻速轉(zhuǎn)動， 從而實現(xiàn)不同方位的測向，天線轉(zhuǎn)速大約為為從而實現(xiàn)不同方位的測向，天線轉(zhuǎn)速大約為為20RPM20RPM。（3 3）雷達(dá)）雷達(dá)方位掃描系統(tǒng)能夠以方位掃描系統(tǒng)能夠以優(yōu)于優(yōu)于0.1 0.1 的的方位量化值，將方位量化值，將天線天線 相對于船艏相對于船艏的轉(zhuǎn)動方位準(zhǔn)確地記錄在存儲器中，并按照顯示的轉(zhuǎn)動方位準(zhǔn)確地記錄在存儲器中，并按照顯示的要的要 求求從存儲器中讀出從存儲器中讀出數(shù)據(jù)和送數(shù)據(jù)和送到屏幕顯示。于是天線所探測到屏幕顯示。于是天線所探測目標(biāo)的目標(biāo)的 相對相對方位就能夠準(zhǔn)確地顯示在屏幕上，借助于電子方位線方位就能夠準(zhǔn)確地顯示在屏幕上，借助于電子方位線，就可，就可 以以測量測量出目標(biāo)出目標(biāo)的的舷角。本船的航向知道的，因此也就可以得到目舷角。本船的航向知道的，因此也就可以得到目 標(biāo)標(biāo)的真方位的真方位了。了。第一節(jié)第一節(jié) 雷達(dá)雷達(dá)目標(biāo)探