船舶導航雷達

1、第四篇第四篇 航海儀器航海儀器第九章第九章 船舶導航雷達船舶導航雷達第九章 船舶導航雷達第九章 船舶導航雷達 什么是雷達呢？什么是雷達呢？ 雷達雷達發(fā)射微波脈沖（即電磁波）對目標進行照發(fā)射微波脈沖（即電磁波）對目標進行照射，同時接收射，同時接收目標對電磁波的反射目標對電磁波的反射回波，從而回波，從而發(fā)現發(fā)現目標并測定其參數目標并測定其參數，即利用電磁波來完成對目標的，即利用電磁波來完成對目標的成像、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 And Ranging，即無線電探測與測距。，即無線電探測與測距。 應用于船舶導航的雷達成為應用于船舶導航的雷達成為船舶導航雷達船舶導航雷達（Shipborne Navigation Radar），亦稱航海雷達），亦稱航海雷達（Marine Radar）或船用雷達，在航海中通常簡稱）或船用雷達，在航海中通常簡稱雷雷 達。達。 第九章 船舶導航雷達 IMO在雷達性能標準中指出在雷達性能標準中指出:雷達通過顯示雷達通過顯示和識別其他水面船只、障礙物和危險物、導航目和識別其他水面船只、障礙物和危險物、導航目標和海岸線等相對于本船的位置，標和

3、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航和避免碰撞全導航和避免碰撞。 雷達雷達能夠及時發(fā)現遠距離弱小目標能夠及時發(fā)現遠距離弱小目標，精確，精確測量本船相對目標的距離和方位，確定船舶位置，測量本船相對目標的距離和方位，確定船舶位置，引導船舶航行。通過傳感器的支持，雷達還具備引導船舶航行。通過傳感器的支持，雷達還具備了目標識別與跟蹤、地理參考信息顯示等功能，了目標識別與跟蹤、地理參考信息顯示等功能，能夠更好地避免船舶碰撞，保障航行安全。能夠更好地避免船舶碰撞，保障航行安全。第九章 船舶導航雷達 第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標探測與顯示基本原理 第二節(jié)第二節(jié) 雷達觀

4、測性能與觀測技術雷達觀測性能與觀測技術 第三節(jié)第三節(jié) 目標觀測特性目標觀測特性 第四節(jié)第四節(jié) 影響雷達正常觀測的因素影響雷達正常觀測的因素 第五節(jié)第五節(jié) 雷達定位與導航雷達定位與導航 第六節(jié)第六節(jié) 雷達目標跟蹤雷達目標跟蹤 第七節(jié)第七節(jié) 雷達顯示雷達顯示AISAIS報告目標報告目標 第八節(jié)第八節(jié) 影響目標跟蹤精度的因素影響目標跟蹤精度的因素第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標探測與顯示基本原理 在雷達工作環(huán)境中，能夠反射雷達波的物在雷達工作環(huán)境中，能夠反射雷達波的物體，如岸線、島嶼、船舶、浮標、海浪、雨雪、體，如岸線、島嶼、船舶、浮標、海浪、雨雪、云霧等等，統(tǒng)稱為云霧等等，統(tǒng)稱為目

5、標目標。這些目標的雷達反射。這些目標的雷達反射波被雷達天線接收后經過接收系統(tǒng)處理，最終波被雷達天線接收后經過接收系統(tǒng)處理，最終在顯示器上顯示為加強亮點，這些加強亮點就在顯示器上顯示為加強亮點，這些加強亮點就是是目標回波目標回波。 雷達系統(tǒng)將雷達傳感器探測到的本船周圍雷達系統(tǒng)將雷達傳感器探測到的本船周圍目標以平面位置圖像的方式顯示在屏幕上。目標以平面位置圖像的方式顯示在屏幕上。 目標距離和方位的測量都是在顯示器上通目標距離和方位的測量都是在顯示器上通過測量目標回波來完成的。過測量目標回波來完成的。第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標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

6、島嶼，另有一目標船與本船相向行駛一目標船與本船相向行駛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000，目標船航行在目標船航行在本船右舷，島本船右舷，島嶼在本船左舷嶼在本船左舷后后C圖為雷達屏幕，掃描圖為雷達屏幕，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 mile，即在雷達屏幕上，即在雷達屏幕上顯示了以本船為中心顯示了以本船為中心12n mile為半徑的本船為半徑的本船周圍海域的雷達回波。周圍海域的雷達回波。n雷達圖像基本元素雷達圖像基本元素第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標探測與顯示基本原理 統(tǒng)一公共基準點統(tǒng)一公共基準點CC

7、RP（Consistence Common Reference Point）：是雷達）：是雷達IBS（情（情報系統(tǒng)庫報系統(tǒng)庫Information Bank Sysrem）中的重要）中的重要組成部分，是雷達測量目標所得到的數據如距離、組成部分，是雷達測量目標所得到的數據如距離、方位、相對航向和航速、本船與目標船的最近會方位、相對航向和航速、本船與目標船的最近會遇距離（遇距離（Distance to the Closet Point of Approach，CPA)和航行到最近會遇距離所需時和航行到最近會遇距離所需時間（間（Time to the Closet Point of Approach

8、，TCPA）等的）等的參考點參考點，通常是雷達天線輻射器在，通常是雷達天線輻射器在雷達屏幕上的對應位置。雷達屏幕上的對應位置。 最性能標準要求最性能標準要求CCRP可以由駕駛員根據需可以由駕駛員根據需要設置，典型位置通常為駕駛臺指揮位置要設置，典型位置通常為駕駛臺指揮位置。第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標探測與顯示基本原理 在雷達屏幕上，在雷達屏幕上，HL（Head Line）稱為）稱為船首線船首線，指示，指示船首方向，來自本船艏向裝置（船首方向，來自本船艏向裝置（THD）或陀螺羅經。）或陀螺羅經。 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

9、幕上沿順時針方向勻速轉動，轉動周期與雷達天線在空間的轉動周明一致。向勻速轉動，轉動周期與雷達天線在空間的轉動周明一致。 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圈固定距標圈（Range Ring，RR），每圈間隔），每圈間隔2n mile，用來估算日標的距離。與固定距，用來估算日標的距離。與固定距標圈同心的虛線圓是標圈同心的虛線圓是活動距標圈活動距標圈（Variable Range Mark，VRM），它可以由操作者隨意調整半徑，借助數據讀出窗），它可以由操作者隨意調整半徑，借助數據讀出窗口的指示測量目標的準確距離。口的指示測量目標的準確距離。 EBL（Electronic B

10、earing Line）稱為電子方位線稱為電子方位線，通過面板操作控制其在屏幕的指向，借助數據讀出窗口的通過面板操作控制其在屏幕的指向，借助數據讀出窗口的指示或屏幕邊緣顯示的方位刻度，測量目標的方位。指示或屏幕邊緣顯示的方位刻度，測量目標的方位。 很多雷達將很多雷達將VRM/EBL聯動，稱為電子距離方位線聯動，稱為電子距離方位線（ Electronic Range/ Bearing Line，ERBL）,可以通過可以通過一次性操作同時測量目標的距離和方位。一次性操作同時測量目標的距離和方位。第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標探測與顯示基本原理 早期的雷達顯早期的雷達顯示器也稱示器

11、也稱PPI（平（平面位置顯示器），面位置顯示器），現代雷達采用平面現代雷達采用平面光柵顯示器取代了光柵顯示器取代了PPI，如右圖。屏，如右圖。屏幕上包括了雷達圖幕上包括了雷達圖像區(qū)域、操作菜單像區(qū)域、操作菜單區(qū)域、狀態(tài)指示區(qū)區(qū)域、狀態(tài)指示區(qū)域、數據顯示區(qū)域域、數據顯示區(qū)域等。等。 通常，雷達屏通常，雷達屏幕上除了顯示島嶼、幕上除了顯示島嶼、岸線、導航標忐、岸線、導航標忐、船舶等對船舶導航船舶等對船舶導航避碰安全航行有用避碰安全航行有用的各種回波之外，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，

12、如海浪、雨雪、同頻干擾、云霧、噪聲、假回波等。一個專業(yè)的雷達觀測者，應能夠在各種雜波干擾和復雜屏幕背景中分回波等。一個專業(yè)的雷達觀測者，應能夠在各種雜波干擾和復雜屏幕背景中分辨出有用回波，引導船舶安全航行。辨出有用回波，引導船舶安全航行。第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標探測與顯示基本原理雷達圖像的特點雷達圖像的特點： 由于雷達設備自身的性能、大氣傳播的條件、目標由于雷達設備自身的性能、大氣傳播的條件、目標的反射能力以及周圍環(huán)境的變化都會影響雷達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圖像的形成與質量，使雷達探測到的目標回波圖像與真實目標相成與質量，使雷達探測到的目標回波

13、圖像與真實目標相比，可能會有很大的變形，比如：比，可能會有很大的變形，比如： 雷達回波圖像類似目標迎問天線面的垂直投影；雷達回波圖像類似目標迎問天線面的垂直投影； 雷達只能探測目標的前沿，后沿被遮擋的部分無法雷達只能探測目標的前沿，后沿被遮擋的部分無法 探測和顯示；探測和顯示； 目標的低矮部分（如沙灘）可能會被遮擋或回波微目標的低矮部分（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； 雷達發(fā)射脈沖的寬度會使探測到的回波發(fā)生后沿雷達發(fā)射脈沖的寬度會使探測到的回波發(fā)生后沿 “拖尾拖尾”現象，造成回波與實際目標形狀不相符；現象，造成回波與實際目標形狀不相符； 雷達屏幕像素尺寸

14、使回波的位置向周圍擴展；雷達屏幕像素尺寸使回波的位置向周圍擴展；第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標探測與顯示基本原理 雷達的輻射波束寬度引起回波沿周方向擴展，造成雷達的輻射波束寬度引起回波沿周方向擴展，造成 回波向左右擴展；回波向左右擴展； 船舶運動、涌浪波動及雷達設備因素引起回波位置船舶運動、涌浪波動及雷達設備因素引起回波位置 閃爍不定，目標邊緣不清晰；閃爍不定，目標邊緣不清晰； 地球曲率影響雷達地平距離，遠距離高大目標只有地球曲率影響雷達地平距離，遠距離高大目標只有 頂端能夠被探測到，圖像與目標原貌甚至完全不同；頂端能夠被探測到，圖像與目標原貌甚至完全不同； 目標對雷達波的反

15、射能力不同，造成回破強度差別目標對雷達波的反射能力不同，造成回破強度差別 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； 雷達圖像是動態(tài)圖像，觀測習慣和個人操作能力不雷達圖像是動態(tài)圖像，觀測習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； 由于以上所有因素綜合影響，使雷達圖像經常由于以上所有因素綜合影響，使雷達圖像經常 很難與海圖和視覺影響相對應。很難與海圖和視覺影響相對應。第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基

16、本原理雷達目標探測與顯示基本原理 雷達測距原理雷達測距原理 利用電磁波特性：利用電磁波特性： （1）直接傳播（微波波段）直接傳播（微波波段） （2）勻速傳播（同一媒質中）勻速傳播（同一媒質中） （3）反射特性（在任何兩種媒質的邊界面）反射特性（在任何兩種媒質的邊界面）發(fā)射時刻：發(fā)射時刻：t1到達目標的時刻：到達目標的時刻：t1+（t2 - t1）/2目標目標P R 假設雷達發(fā)射電磁波脈沖的時刻為假設雷達發(fā)射電磁波脈沖的時刻為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，電磁波往返于雷達天線與目標之間的電磁波往返于雷達天線與目標之間的時間為時間為t，則，則t=t2

17、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（約（約3108m/s），），則目標的距離：則目標的距離：R=C*t/2 為了能在雷達屏幕上測量本船到目標船的距離，工程師將電子從為了能在雷達屏幕上測量本船到目標船的距離，工程師將電子從雷達回波圖像區(qū)域中心掃描到邊緣的時間（掃描線長度）設計成正雷達回波圖像區(qū)域中心掃描到邊緣的時間（掃描線長度）設計成正好對應于雷達所選用量程的電磁波往返傳播時間。例如：雷達好對應于雷達所選用量程的電磁波往返傳播時間。例如：雷達12n mile的量程相當于雷達波傳播了的量程相當于雷達波傳播了24n mile，所花費的時間是，所花費的時間是148.2s，即掃

18、描線的長度也應為即掃描線的長度也應為148.2s ，從而使在，從而使在12n mile以內的任意海上以內的任意海上目標與本船的距離，與屏幕上目標顯示的位置到回波圖像區(qū)域中心目標與本船的距離，與屏幕上目標顯示的位置到回波圖像區(qū)域中心的位置相準確對應，這樣，駕駛員就可以利用距離測量工具（的位置相準確對應，這樣，駕駛員就可以利用距離測量工具（RR或或VRM）估算或準確測量目標的距離。）估算或準確測量目標的距離。接收時刻：接收時刻：t2第一節(jié)第一節(jié) 雷達目標探測與顯示基本原理雷達目標探測與顯示基本原理 雷達測方位原理雷達測方位原理（1）利用電磁波特性。）利用電磁波特性。（2）雷達天線是定向圓周）雷達天

19、線是定向圓周 掃描天線，在水平面內，掃描天線，在水平面內， 天線輻射寬度天線輻射寬度1，所以，所以對對 于每一特定時刻，雷達只于每一特定時刻，雷達只 能向一個方向發(fā)射電磁波，能向一個方向發(fā)射電磁波， 船 舶 天 線 俯 視船 舶 天 線 俯 視圖圖掃描線掃描線顯示器顯示器船首線船首線固定方位圈固定方位圈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 同時也只能在這個方向上接收目標回波，實現這個方向的測向。同時也只能在這個方向上接收目標回波，實現這個方向的測向。 同時雷達天線在空中以船首為方位參考基準，環(huán)同時雷達天線在空中以船首為方位參考基準，環(huán)360

20、 勻速轉動，勻速轉動， 從而實現不同方位的測向，天線轉速大約為為從而實現不同方位的測向，天線轉速大約為為20RPM。（3）雷達方位掃描系統(tǒng)能夠以優(yōu)于）雷達方位掃描系統(tǒng)能夠以優(yōu)于0.1 的方位量化值，將天線的方位量化值，將天線 相對于船艏的轉動方位準確地記錄在存儲器中，并按照顯示的相對于船艏的轉動方位準確地記錄在存儲器中，并按照顯示的要要 求從存儲器中讀出數據和送到屏幕顯示。于是天線所探測目標求從存儲器中讀出數據和送到屏幕顯示。于是天線所探測目標的的 相對方位就能夠準確地顯示在屏幕上，借助于電子方位線，就相對方位就能夠準確地顯示在屏幕上，借助于電子方位線，就可可 以測量出目標的舷角。本船的航向知道的，因此也就可以得到以測量出目標的舷角。本船的航向知道的，因此也就可以得到目目 標的真方位了。標的真方位了。第一節(jié)第