船舶交通管理系统VTS3(130823).ppt

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，具有较高的杂波抑制能力。,3）由于采用数字中频技术和具有较强的杂波抑制能力，因此，具有较大的动态范围。 4）由于采用全固态技术和低发射功率，因此，系统可靠性高； 5）电路较复杂，成本高。,利用多普勒频移获取目标和杂波的速度,在80%发现概率情况下，传统X波段雷达难以检测小目标，而X波段脉冲压缩雷达可以检测到最远7nm的小目标（0.5m2，高杂波环境下）。,3.4 接收机组成和工作原理,STC强度控制,雷达回波,视频输出,FTC强度控制,收发开关,射频单元,中频单元,包络检波,视频单元,1）射频单元 高频设备是指从雷达射频馈线到中频放大器之间的所有接收机部件，其中包括接收分支馈线、天线收发开关、射频放大器、混频器和本机振荡器。 目前许多雷达都把射频放大器、混频器和本机振荡器做在结构一体化的射频组件内（简称MIC）。 对射频设备的主要要求是： 噪声系数要尽量小； 天线收发开关与中频放大器输入电路的通频带要足够宽； 通过收发开关漏入的发射脉冲功率必须尽量小； 高频设备各部分的调谐应足够稳定。,2）中频单元 交管雷达接收机目前大都采用一次变频电路。可实现80100dB的增益要求。主中频放大器采用对数放大，对数主中频放大器能够增加接收机的动态范围，以防止接收机由于强信号输入而产生饱和或过载现象，同时也可以在一定程度上提高接收机抗干扰的能力。自动频率控制（AFC）电路在发射信号频率或本振频率变化而引起实际中频偏离额定中频时，能产生控制电压加到本振上，使本振频率作相应的变化，以使实际中频和额定中频的差值减小到保证稳定接收所允许的范围内。,对中频单元的主要要求是： 中频放大器应满足低噪声、高增益与工作稳定的要求； 为防止强回波输入信号造成接收机过载，通常设置中放增益控制电路。 为使雷达能同时满足远量程高灵敏度与近量程高分辨率的不同使用要求，通常在远量程时，用宽脉冲发射，窄通带接收；近量程时，用窄脉冲发射，宽通带接收； 根据海浪干扰回波强度具有随距离的增加近似呈指数规律下降的特点，在传统的雷达接收机中，均采用在触发脉冲作用下产生按指数规律变化的脉冲电压加到前置中放一级或两级偏置电路中，对中放进行灵敏度时间控制STC（sensitivity time control）的办法来抑制海浪干扰。,3）视频单元 视频单元的作用：完成脉冲检波和视频放大。 视频单元通常包括包络检波器、前置视频放大器和雨雪干扰抑制电路。 雨雪干扰抑制电路通常采用微分电路，利用其对输入信号的微分作用，能够去除雨雪的宽干扰脉冲，使目标回波能够正常显示；同时还可以提高目标的距离分辨率，使回波图象清晰。,4）机内检测单元（BITE） 该单元对接收机各单元的工作状态进行监测。,3.5 雷达显示器 一、作用 用于显示雷达的原始视频图像，观察监视水域内的船舶，进行定位测量。在VTS中，一般用作维修监视器。 在有的系统中，雷达显示器还显示电子海图、跟踪视频和标绘视频及字母文字数字等，被作为维修显示器或系统备用显示器。,二、电路构成和工作原理 目前雷达显示器均采用TV形式的高亮度显示器。 1、雷达视频信号数字化处理器； 2、坐标变换器； 3、图像存储器； 4、显示控制器； 5、辉亮形成电路。,三角函数存储器,矢量产生器,定时器 显示处理器,混合级辉亮形成,时间逻辑控制电路,标尺产生器,数字化处理电路,坐标变换器,天线方位信号,雷达同步脉冲,图像存储器 RAM,光栅产生器,显示控制器,字符产生器,其他数据信息,D/A,多路开关,到X、Y偏转线圈,I/O控制,到栅极,定位和代码,雷达视频信号,坐标变换电路,单位矢量存储器,Y地址,sin,cos,方位数据,X地址,R,Y高速乘法器,X高速乘法器,输入控制,存储器 （RAM）,雷达坐标变换器的X、Y,雷达数据视频,输出控制,至辉亮控制系统 （亮度或颜色数据）,时序控制器,地址选择,写地址 （自坐标变换器）,读地址 （自光栅扫描产生器）,其他视频数据,图像存储器构成框图,帧正程,帧逆程,三、主要性能指标 1、显示器屏幕尺寸: 21 或 29 2、显示点阵数 10241024；