第六章ARPA组成原理

1、自动雷达标绘仪自动雷达标绘仪（绪论绪论ARPAAutomatic Radar Plotting Aids第二章第二章 基本组成部分及作用基本组成部分及作用中频电源回波原始视频本船航速本船航向天线角位置及船首信号触发脉冲触发脉冲操作指令操船指令报警X/S波段雷达陀螺罗经计程仪外存器输入 、输出接口预处理目标检测跟踪器目标录取计算机PPI综合显示器数据显示器ARPA电源ARPA控制台传感器传感器ARPA部分部分基本的ARPA系统组成框图视频海图等第二节第二节 基本组成部分及作用基本组成部分及作用一、传感器（外围设备）一、传感器（外围设备）向向ARPAARPA提供必要的信息供计算机标绘用提供必要的信

2、息供计算机标绘用1.高质量雷达高质量雷达：提供目标回波原始视频、触发脉冲、提供目标回波原始视频、触发脉冲、 天线角位置、船首信号。天线角位置、船首信号。2.陀螺罗经陀螺罗经：提供本船航向信号提供本船航向信号。3.计程仪计程仪：提供本船航速信号，对水和对地航速。提供本船航速信号，对水和对地航速。4.外存器外存器（任选件）（任选件） ：储存港口视频地图或电子海图，储存港口视频地图或电子海图， 供导航使用供导航使用。 二、二、ARPA部分部分1.预处理电路预处理电路：将雷达原始视频信号进行杂波处理及模数转换将雷达原始视频信号进行杂波处理及模数转换2.2.接口电路接口电路：将所有输入的模拟信号变换成数

3、字信号将所有输入的模拟信号变换成数字信号a.a.陀螺罗经信号数字化：陀螺罗经信号数字化：b.b.计程仪信号数字化：计程仪信号数字化：脉冲式和触点式脉冲式和触点式国际标准国际标准200 p/1n mile200 p/1n mile。第二节第二节 基本组成部分及作用基本组成部分及作用3.3.目标检测电路目标检测电路：将预处理过的目标回波信号进行自动检将预处理过的目标回波信号进行自动检 测，凡满足目标存在判定条件者，在相应测，凡满足目标存在判定条件者，在相应 的存储单元存入数字信号的存储单元存入数字信号“1”1”4.目标录取（捕捉）电路目标录取（捕捉）电路： 用人工或自动方式将所选目标的位置数据送入

4、跟踪器，用人工或自动方式将所选目标的位置数据送入跟踪器， 作为设置跟踪窗的初始位置数据。同时启动跟踪器作为设置跟踪窗的初始位置数据。同时启动跟踪器 5.跟踪器跟踪器： 对录取的目标进行自动跟踪，并对录取的目标进行自动跟踪，并通过计算机的计算，进通过计算机的计算，进 行自动标绘，建立目标的运动航迹。行自动标绘，建立目标的运动航迹。 6.计算机计算机：核心，完成所有的计算和控制工作核心，完成所有的计算和控制工作 7.控制台控制台：操作信息送入计算机，接受来自计算机的各种报警操作信息送入计算机，接受来自计算机的各种报警 信息及操作船舶的指令信息及操作船舶的指令 8.电源电源：提供提供ARPA各部分所

5、需电源各部分所需电源 第二节第二节 基本组成部分及作用基本组成部分及作用9.显示器显示器： A.平面位置综合图形显示器（平面位置综合图形显示器（PPI）： 显示目标回波影像、录取符号、标绘符号、警报符号显示目标回波影像、录取符号、标绘符号、警报符号等目标回波原始视频或经杂波、量化处理后的数字视频（处等目标回波原始视频或经杂波、量化处理后的数字视频（处理视频）理视频）B.数据显示器数据显示器：发光二极管（：发光二极管（LED）、）、CRT、PPI旁空白区旁空白区10.ARPA系统分类系统分类 A. 组合方式分：组合方式分： a. 分立式；分立式； b. 组合式组合式 B.显示目标动态方式分显示目

6、标动态方式分 a. 矢量型；矢量型； b. 图示型（图示型（PAD）第三章第三章 信号预处理与自动检测功能信号预处理与自动检测功能 1.杂波处理杂波处理：雷达原始视频信号中含有大量的干扰杂波，计雷达原始视频信号中含有大量的干扰杂波，计 算机容量和处理能力有限，若不预先处理算机容量和处理能力有限，若不预先处理，引引 起起ARPA的工作可靠性和精度大为降低的工作可靠性和精度大为降低（A）恒虚警率处理恒虚警率处理（CFAR Processing）：）： 当杂波干扰强度变化时，雷达信号经当杂波干扰强度变化时，雷达信号经CFARCFAR处理，使其处理，使其 输出的虚警率大为降低并保持恒定。输出的虚警率大

7、为降低并保持恒定。 a.恒虚警率恒虚警率（CFARConstant False Alarm Rate）：）： 单位时间内出现的虚警数（虚警频率）一定。单位时间内出现的虚警数（虚警频率）一定。 b.自适应门限处理自适应门限处理方法：方法： 原始视频信号高于此门限电平认为是目标，否则作噪原始视频信号高于此门限电平认为是目标，否则作噪 声处理掉。声处理掉。抑制热噪声、雨雪干扰效果显著抑制热噪声、雨雪干扰效果显著。（B）解相关处理解相关处理（Solve Correlation Processing）：）： a.天线扫掠相关天线扫掠相关： 两次相邻天线扫描中，目标回波位置基本不变，具有两次相邻天线扫描中

8、，目标回波位置基本不变，具有 相关特性，海浪反射回波位置随机，是非相关的。相关特性，海浪反射回波位置随机，是非相关的。 b.距离扫描相关距离扫描相关： 两个或几个扫描周期中，目标回波在扫描线上的位置两个或几个扫描周期中，目标回波在扫描线上的位置 固定不变，强相关；固定不变，强相关； 而同频干扰出现的位置是不同的，是非相关。而同频干扰出现的位置是不同的，是非相关。2.2.雷达视频信号量化处理雷达视频信号量化处理：模模/ /数（数（A/D）转换，整幅雷达视）转换，整幅雷达视 频图像转换成数字信号频图像转换成数字信号（A）方位量化方位量化： 把把360 方位等分成若干方位量化单元，用方位等分成若干方

9、位量化单元，用“0、1”二进二进制制 数字表示不同的方位。量化单元越小，方位精度越高。数字表示不同的方位。量化单元越小，方位精度越高。 12位二进制：位二进制：360 /212=0.088 （212=4096） a.轴角编码器；轴角编码器；b.同步机模数转换（同步机模数转换（A/D）模块）模块（B）距离量化距离量化： 把距离扫描线分成若干等份的距离单元即时间量化。距把距离扫描线分成若干等份的距离单元即时间量化。距 离单元：离单元：0.005或或0.01 n mile的整倍数，大小随量程而异。的整倍数，大小随量程而异。（C）回波幅度量化回波幅度量化： 把视频信号进行幅度分层（二、四、八分层等，多

10、个门把视频信号进行幅度分层（二、四、八分层等，多个门 限电平），用数字信号表示回波强弱或有无。限电平），用数字信号表示回波强弱或有无。 固定门限检测进行，确定信号有无，在对应的存储单元固定门限检测进行，确定信号有无，在对应的存储单元 中存中存“1”或或“0”。 3.目标检测电路目标检测电路：将预处理过的目标回波信号进行自动检测，将预处理过的目标回波信号进行自动检测， 凡满足目标存在判定条件者，在相应的存储凡满足目标存在判定条件者，在相应的存储 单元存入数字信号单元存入数字信号“1” A.目标检测目标检测：在带有噪声和杂波干扰背景的雷达信号中识别：在带有噪声和杂波干扰背景的雷达信号中识别 目标的

11、存在。目标的存在。 a.人工检测人工检测：经验判断回波是目标。：经验判断回波是目标。 b.自动检测自动检测：自动检测各量化单元（像素）内是否有信号。：自动检测各量化单元（像素）内是否有信号。 与方位距离扫描同步进行。与方位距离扫描同步进行。 B.检测次数检测次数：天线波束具有一定的宽度，扫过每个方位单元天线波束具有一定的宽度，扫过每个方位单元 时，雷达发射了时，雷达发射了L次，即该方位单元内的目标次，即该方位单元内的目标 被照射（检测）了被照射（检测）了L次。次。 *目标照射（检测）次数目标照射（检测）次数L：L= H nAT （取整数）（取整数） 如如 H =1 ，T=1000 s，nA=2

12、0 r/min，则，则L=8 每次检测的结果不一定全相同。每次检测的结果不一定全相同。 C.M/N准则准则（M out of NMOON）： 累积判定目标存在的依据。每个量化单元内，连续累积判定目标存在的依据。每个量化单元内，连续 存储和检测存储和检测N次距离扫描的回波数据，有为次距离扫描的回波数据，有为1，无为，无为0； 若回波累积出现若回波累积出现“1”的次数大于或等于的次数大于或等于M时，则判定时，则判定 此单元内有目标。此单元内有目标。 M、N取值影响自动检测的性能，一般取值影响自动检测的性能，一般M=1.5N1/2。 （取整数）（取整数） M/N：2/3；3/4；4/4；5/6；6/

13、8等等 a. N大（大（M小）小） 目标不宜丢失，容易发生误检；虚警率增加目标不宜丢失，容易发生误检；虚警率增加 b.N小小（M大大） 容易漏掉目标，目标易丢失；干扰抑制好容易漏掉目标，目标易丢失；干扰抑制好 D.种类种类： a.滑窗检测器（滑窗检测器（Moving Window Detector）：）：N=L b.小滑窗检测：小滑窗检测：N L，大多数采用，大多数采用 第四章第四章 录取目标功能录取目标功能目标录取（捕捉）目标录取（捕捉）（Acquisition）：）： 需要跟踪目标的选择及其跟踪开始需要跟踪目标的选择及其跟踪开始 1.人工录取人工录取：用操纵杆（用操纵杆（Joystick）

14、或跟踪球（）或跟踪球（Track ball） 移动录取符号（移动录取符号（+ ）套住目标影套住目标影 像，按下录取开关像，按下录取开关 优点：优点：目的明确目的明确 缺点：缺点：费时、速度慢、遗漏费时、速度慢、遗漏 2.自动录取自动录取：下述几种具其一下述几种具其一 a.选择优先度选择优先度：根据目标位置、避碰参数区分不同的优先度根据目标位置、避碰参数区分不同的优先度 b.设置优先区设置优先区：首向首向 45 ，前方优先，前方优先 c.设置限制区设置限制区（拒绝录取区拒绝录取区）：）：限制线，限制陆地岛屿等限制线，限制陆地岛屿等 d.设置警戒圈设置警戒圈（环、区环、区）：）：目标闯入自动录取、

15、跟踪并报警目标闯入自动录取、跟踪并报警 优点：优点：方便、迅速方便、迅速 缺点：缺点：随机性，误录、漏录随机性，误录、漏录 第五章第五章 自动跟踪目标功能自动跟踪目标功能1.跟踪器跟踪器： 对录取的目标进行自动跟踪，并对录取的目标进行自动跟踪，并通过计算机的计算，进通过计算机的计算，进 行自动标绘，建立目标的运动航迹。行自动标绘，建立目标的运动航迹。 A.目标跟踪目标跟踪：观测目标位置相继变化以建立其运动的过程。：观测目标位置相继变化以建立其运动的过程。 a.原理原理：预测加修正。天线边扫描边跟踪，：预测加修正。天线边扫描边跟踪， a）航迹外推航迹外推：对目标未来位置预测对目标未来位置预测；在

16、预测位置建立一个检测；在预测位置建立一个检测 范围（目标录取、捕捉）范围（目标录取、捕捉）跟踪窗（波门），跟踪窗（波门）， b）航迹相关航迹相关：对新点迹和已有航迹之间归属关系的判别，以预：对新点迹和已有航迹之间归属关系的判别，以预 测位置为中心，设置一个跟踪窗（波门）测位置为中心，设置一个跟踪窗（波门）“相关相关范范 围围”“”“相关波门相关波门”，实测与预测位置差小于跟踪，实测与预测位置差小于跟踪窗尺窗尺 寸（实测目标在跟踪窗内），航迹相关，判定为寸（实测目标在跟踪窗内），航迹相关，判定为 同一目标的新点迹，否则为其它目标，跟踪基本同一目标的新点迹，否则为其它目标，跟踪基本 成功。成功。

17、b.跟踪窗尺寸跟踪窗尺寸： 确定大小必须考虑许多因素如设备误差、目标机动范围与速确定大小必须考虑许多因素如设备误差、目标机动范围与速 率、天线扫描周期等。波门大，不易丢失目标，但易误跟踪；率、天线扫描周期等。波门大，不易丢失目标，但易误跟踪； 小，不易跟踪上，易丢失目标。小窗径向窗深小，不易跟踪上，易丢失目标。小窗径向窗深 R=量程量程8.5； 窗宽窗宽=10个方位量化单元。一般大、中、小三个，自动调个方位量化单元。一般大、中、小三个，自动调 节。开始大波门，逐渐变小，稳定时最小波门，目标回波约节。开始大波门，逐渐变小，稳定时最小波门，目标回波约 占跟踪窗（波门）面积的占跟踪窗（波门）面积的7

18、5。 B. 跟踪滤波器跟踪滤波器： 数据处理方法排除干扰信号分离出有用信号。数据处理方法排除干扰信号分离出有用信号。 a.平滑（滤波）位置平滑（滤波）位置=预测（外推）位置预测（外推）位置+位置平滑量位置平滑量 =预测（外推）位置预测（外推）位置+位置平滑系数位置平滑系数 实测与预测位置差实测与预测位置差 b.平滑（滤波）速度平滑（滤波）速度=上次平滑速度上次平滑速度+速度平滑量速度平滑量 =上次平滑速度上次平滑速度+速度平滑系数速度平滑系数 （实测与预测位置差（实测与预测位置差/采样周期）采样周期） c. 、 值自适应调节值自适应调节 滤波系数滤波系数 、 取值取值01之间。开始时，实测与预测位置偏差大，之间。开始时，实测与预测位置偏差大， 取用较大的值；经过几次处理，偏差逐渐变小，改用较小的值。取用较大的值；经过几次处理，偏差逐渐变小，改用较小的值。 跟踪树跟踪树第一次扫描位置第一次扫描位置第二次探测位置第二次探测位置第三次估算位置第三次估算位置第三次滤波位置第三次滤波位置第三次探测位置第三次探测位置第四次扫描第四次扫描目标输出窗口目标输出窗口第五次扫描第五次扫描探测位置探测位置滤波位置滤波位置估算位置估算位置跟踪窗跟踪窗发现目标重新跟踪发现目标重新跟踪跟踪原理跟踪原理位置滑动滤波停止位置滑动滤波停止窗口放大窗口放大跟踪位置跟踪位置窗口缩小窗口缩小窗口稳定窗口稳定C. 跟