船舶导航雷达.ppt

第四篇航海仪器第九章船舶导航雷达 第九章船舶导航雷达 第九章船舶导航雷达 什么是雷达呢 雷达发射微波脉冲 即电磁波 对目标进行照射 同时接收目标对电磁波的反射回波 从而发现目标并测定其参数 即利用电磁波来完成对目标的成像 识别 检测 定位和跟踪 电磁波具有似光性 在地球表面近似以光速直线传播 遇到物体后会被反射回去 英文 Radar RadioDetectionAndRanging 即无线电探测与测距 应用于船舶导航的雷达成为船舶导航雷达 ShipborneNavigationRadar 亦称航海雷达 MarineRadar 或船用雷达 在航海中通常简称雷达 第九章船舶导航雷达 IMO在雷达性能标准中指出 雷达通过显示和识别其他水面船只 障碍物和危险物 导航目标和海岸线等相对于本船的位置 来帮助船舶安全导航和避免碰撞 雷达能够及时发现远距离弱小目标 精确测量本船相对目标的距离和方位 确定船舶位置 引导船舶航行 通过传感器的支持 雷达还具备了目标识别与跟踪 地理参考信息显示等功能 能够更好地避免船舶碰撞 保障航行安全 第九章船舶导航雷达 第一节雷达目标探测与显示基本原理第二节雷达观测性能与观测技术第三节目标观测特性第四节影响雷达正常观测的因素第五节雷达定位与导航第六节雷达目标跟踪第七节雷达显示AIS报告目标第八节影响目标跟踪精度的因素 第一节雷达目标探测与显示基本原理 在雷达工作环境中 能够反射雷达波的物体 如岸线 岛屿 船舶 浮标 海浪 雨雪 云雾等等 统称为目标 这些目标的雷达反射波被雷达天线接收后经过接收系统处理 最终在显示器上显示为加强亮点 这些加强亮点就是目标回波 雷达系统将雷达传感器探测到的本船周围目标以平面位置图像的方式显示在屏幕上 目标距离和方位的测量都是在显示器上通过测量目标回波来完成的 第一节雷达目标探测与显示基本原理 本船周围有一岛屿 另有一目标船与本船相向行驶 B图为海平面俯视图 本船航向000 目标船航行在本船右舷 岛屿在本船左舷后 C图为雷达屏幕 扫描中心 起始点 为本船参考位置 量程为12nmile 即在雷达屏幕上显示了以本船为中心12nmile为半径的本船周围海域的雷达回波 雷达图像基本元素 第一节雷达目标探测与显示基本原理 统一公共基准点CCRP ConsistenceCommonReferencePoint 是雷达IBS 情报系统库InformationBankSysrem 中的重要组成部分 是雷达测量目标所得到的数据如距离 方位 相对航向和航速 本船与目标船的最近会遇距离 DistancetotheClosetPointofApproach CPA 和航行到最近会遇距离所需时间 TimetotheClosetPointofApproach TCPA 等的参考点 通常是雷达天线辐射器在雷达屏幕上的对应位置 最性能标准要求CCRP可以由驾驶员根据需要设置 典型位置通常为驾驶台指挥位置 第一节雷达目标探测与显示基本原理 在雷达屏幕上 HL HeadLine 称为船首线 指示船首方向 来自本船艏向装置 THD 或陀螺罗经 发自于扫描起始点的径向扫描线在屏幕上沿顺时针方向匀速转动 转动周期与雷达天线在空间的转动周明一致 屏幕上等间距的同心圆称为固定距标圈 RangeRing RR 每圈间隔2nmile 用来估算日标的距离 与固定距标圈同心的虚线圆是活动距标圈 VariableRangeMark VRM 它可以由操作者随意调整半径 借助数据读出窗口的指示测量目标的准确距离 EBL ElectronicBearingLine 称为电子方位线 通过面板操作控制其在屏幕的指向 借助数据读出窗口的指示或屏幕边缘显示的方位刻度 测量目标的方位 很多雷达将VRM EBL联动 称为电子距离方位线 ElectronicRange BearingLine ERBL 可以通过一次性操作同时测量目标的距离和方位 第一节雷达目标探测与显示基本原理 早期的雷达显示器也称PPI 平面位置显示器 现代雷达采用平面光栅显示器取代了PPI 如右图 屏幕上包括了雷达图像区域 操作菜单区域 状态指示区域 数据显示区域等 通常 雷达屏幕上除了显示岛屿 岸线 导航标忐 船舶等对船舶导航避碰安全航行有用的各种回波之外 还无法避免地显示 出各种驾驶员不希望看到的回波 如海浪 雨雪 同频干扰 云雾 噪声 假回波等 一个专业的雷达观测者 应能够在各种杂波干扰和复杂屏幕背景中分辨出有用回波 引导船舶安全航行 第一节雷达目标探测与显示基本原理 雷达图像的特点 由于雷达设备自身的性能 大气传播的条件 目标的反射能力以及周围环境的变化都会影响雷达图像的形成与质量 使雷达探测到的目标回波图像与真实目标相比 可能会有很大的变形 比如 雷达回波图像类似目标迎问天线面的垂直投影 雷达只能探测目标的前沿 后沿被遮挡的部分无法探测和显示 目标的低矮部分 如沙滩 可能会被遮挡或回波微弱 也无法被探测到 雷达发射脉冲的宽度会使探测到的回波发生后沿 拖尾 现象 造成回波与实际目标形状不相符 雷达屏幕像素尺寸使回波的位置向周围扩展 第一节雷达目标探测与显示基本原理 雷达的辐射波束宽度引起回波沿周方向扩展 造成回波向左右扩展 船舶运动 涌浪波动及雷达设备因素引起回波位置闪烁不定 目标边缘不清晰 地球曲率影响雷达地平距离 远距离高大目标只有顶端能够被探测到 图像与目标原貌甚至完全不同 目标对雷达波的反射能力不同 造成回破强度差别好大 图像明暗不均 由于气象海况以及船舶吃水的变化 即使在同一海域 船舶不同航次 回波图像也会有差别 雷达图像是动态图像 观测习惯和个人操作能力不同 对图像的解释因人而异 由于以上所有因素综合影响 使雷达图像经常很难与海图和视觉影响相对应 第一节雷达目标探测与显示基本原理 雷达测距原理利用电磁波特性 1 直接传播 微波波段 2 匀速传播 同一媒质中 3 反射特性 在任何两种媒质的边界面 R 假设雷达发射电磁波脉冲的时刻为t1 接收反射回来的电磁波脉冲的时刻为t2 电磁波往返于雷达天线与目标之间的时间为 t 则 t t2 t1 电磁波在空 间传播的速度为C 约3 108m s 则目标的距离 R C t 2为了能在雷达屏幕上测量本船到目标船的距离 工程师将电子从雷达回波图像区域中心扫描到边缘的时间 扫描线长度 设计成正好对应于雷达所选用量程的电磁波往返传播时间 例如 雷达12nmile的量程相当于雷达波传播了24nmile 所花费的时间是148 2 s 即扫描线的长度也应为148 2 s 从而使在12nmile以内的任意海上目标与本船的距离 与屏幕上目标显示的位置到回波图像区域中心的位置相准确对应 这样 驾驶员就可以利用距离测量工具 RR或VRM 估算或准确测量目标的距离 接收时刻 t2 第一节雷达目标探测与显示基本原理 雷达测方位原理 1 利用电磁波特性 2 雷达天线是定向圆周扫描天线 在水平面内 天线辐射宽度1 所以对于每一特定时刻 雷达只能向一个方向发射电磁波 扫描线 显示器 船首线 固定方位圈0 刻度方向 天线的辐射方向 很尖锐 实际的船首线 同时也只能在这个方向上接收目标回波 实现这个方向的测向 同时雷达天线在空中以船首为方位参考基准 环360 匀速转动 从而实现不同方位的测向 天线转速大约为为20RPM 3 雷达方位扫描系统能够以优于0 1 的方位量化值 将天线相对于船艏的转动方位准确地记录在存储器中 并按照显示的要求从存储器中读出数据和送到屏幕显示 于是天线所探测目标的相对方位就能够准确地显示在屏幕上 借助于电子方位线 就可以测量出目标的舷角 本船的航向知道的 因此也就可以得到目标的真方位了 第一节雷达目标探测与显示基本原理 雷达显示方式雷达设有不同的图像显示方式以满足在不同航行环境下的驾驶员观测需要 从而保证船舶航行安全 显示方式 相对运动 RM 船首向上 H up 相对方位 真方位 TB 真北向上 N up 航向向上 C up 相对方位 真方位 TB 船首向上 H up 真北向上 N up 航向向上 C up 真运动 TM 按照船舶运动参照系分为 相对运动显示方式和真运动显示