福建船政职院雷达操作与模拟器课件02自动雷达标绘仪(ARPA)-2基本工作原理

第二章ARPA的基本工作原理第二章ARPA的基本工作原理2-1各种传感信号的预处理2-2目标自动检测、录取和跟踪2-3目标参数的自动计算及碰撞危险判断2-4显示方式及选用2-5自动报警与系统测试2-6试操船2-7ARPA的外围设备及要求2-8附加功能2-9ARPA的优点及局限性2-1各种传感信号的预处理一、预处理的内容、必要性1、必要性5种传感器信号——模拟—→

数字雷达回波处理：杂波抑制、检测判断等。2、内容原始视频雷达信号的杂波处理及方位、距离信号的量化处理；陀螺罗经航向信号和计程仪航速信号的量化处理。◆作用：

杂波处理：①CFAR；②解相关处理（同于同频异处理）

量化处理（包括：目标回波、距离和方位的量化）1、雷达回波原始视频信号的杂波处理二、雷达信号的预处理1）恒虚警处理(CFARProcessing)◆CFAR——ConstantFlaseAlarmRate，恒虚警率

当杂波干扰强度变化时，雷达信号经CFAR处理器，能使其输出端的虚警率大大降低并保持恒定。处理热噪声杂波、雨雪干扰效果好◆方法：自适应门限处理法图2-2-0自适应门限处理法

◆天线扫掠相关处理：海浪干扰

◆距离扫描相关处理：同频干扰

2、量化处理

◆把模拟信号变成数字信号的过程

1）方位量化对天线波束的角位置进行量化，即将3600等份成若干个方位量化单元2）解相关处理器（1）轴角编码器◆天线方位码盘（12位）采用循环码——格雷码◆优点？量化精度与量化单元的关系？（2）采用专用同步机加A/D转换器例：输出12位二进制码为：1010001010002）距离扫描时间扫描◆以把距离扫描全程→分为若干个时间量化单元△t◆一般取△t≈（0.1-1）τ3）原始视频信号的数字化V0

——第一门限电平V0由门限（V0）→幅度分层（二分层）V（t）≥V0输出为“1”V（t）＜V0输出为“0”V0——取得合适！也有采用多分层（4、8、16等）分层越多→有利于：①抗干扰；②检测性能；③

增加图象的灰度等级三、罗经及计程仪信号的数字化处理◆来自同步发送机的航向信号与天线角位置的数字化处理方法一样1、罗经信号的数字化◆来自步进电机的罗经航向信号的数字化2、计程仪信号的数字化◆

脉冲式和触电式的计程仪提供的就是数字化的航速信号◆要求数据折回率应符合IMO规定的要求◆即每海里输入200个脉冲◆

例：航速为15kn，则表示每小时计程仪应送出多少脉冲？2-2目标自动检测、录取和跟踪一、数字式目标自动检测的简单原理——

在杂波干扰背景中识别判断目标的存在——在杂波干扰背景中自动判断目标的存在

◆“雷达目标检测”◆“自动目标检测”◆采用方法：M/N准则，即MOUTOFN

简称MOON准则◆准则：连续N次探测中，若某量化单元累积出现的回波“1”的次数大于等于M，则判断该单元内发现了目标，输出“1”；否则判断为无目标，输出“0”N——N次连续（距离扫描）探测；M——某一量化单元内积累出现回波“1”的次数。其中：◆M/N值大小对ARPA自动检测性能的影响：◆N大，目标不易丢失◆M大，不易发生误将干扰为目标的错误◆反之？◆试比较M/N=6/8和M/N=2/3对应ARPA的检测性能。目标录取概念：①含义——跟踪目标的选择及其跟踪的开始；②任务：把所要跟踪目标的初始位置距离、方位数据，告知跟踪器（计算机）；③目录录取方式：1）人工录取；2）自动录取。

二、目标录取的方法及特点1、人工录取（ManualAcquistion）——10个1）

方法：

②按下录取开关按下录取开关●超过规定录取数量，如何处理？◆人工清除（Cancel）①通过操纵杆（Joystick)或跟踪球(Trackball)把录取标志符号“□”（或“○”、“

”、“·”、“+”等）套在欲录取目标回波亮点上；2）人工录取的一般原则

船首→右舷→近程的相遇船。3）人工录取优缺点：◆优点：目的性明确。运用观测经验，较容易在干扰背景中识别和录取目标。◆缺点：①速度慢；②观测疏忽，可能漏掉危险目标；③驾驶员负担较重。2、自动录取（Auto-Acquisition)——20个从发现目标到各个目标位置数据送入计算机的整个录取过程，按一定录取原则由ARPA自动完成。

接收机输出杂波处理与信号检测目标发现距离编码距离时钟同步信号方位编码时间编码方位脉冲“0”方位脉冲时钟脉冲排队控制缓冲器至计算机图2-2-5自动录取设备其他特征参数◆排队控制：①使已录取的各目标坐标有次序地送入计算机；②提高自动录取的目的性；③提高录取速度。◆

ARPA常用的几种辅助控制方法：1）设置优先区2）设置限制线（区）：拒绝录取区3）设置警戒圈（环、区）◆功能：对闯入警戒圈（环、区）的目标，ARPA将发出闯入报警（必有），并自动录取和跟踪（可选择）。●注意：对已经在警戒圈（环、区）的目标，ARPA不报警，也不录取！！◆自动录取的优点：①速度快；②减轻驾驶员负担。◆自动录取的缺点③可能造成漏录取危险度较大的目标而酿成危险局面。①会造成虚假录取；②可能漏掉弱小目标的录取；●

注意：使用中应根据航行环境、态势酌情选用录取方式！！●超过规定录取数量，ARPA会发出报警（如“Over20”）。4、IMO规定要求（最低性能标准）：

①人工录取必不可少的，人工录取目标数量，至少10个；②自动录取可有可无的，如有，至少20个；③应有“人工消除”功能。当录取满后，可通过人工消除录取的目标后，再录取。

目标跟踪：是ARPA的重要性能指标观测目标位置的相继变化以建立起运动轨迹。1、实现自动跟踪的方法1）航迹外推（预测）：对目标未来位置的预测，即预测目标在下一周天线扫到时的位置。2）航迹相关处理：对新点迹和已有点迹之间归属关系的判断。以预测位置为中心设置一个“跟踪窗”或“跟踪波门”误差如何解决？三、目标自动跟踪方法、精度及局限性◆最优估计方法：对采样点迹数据进行滤波处理

卡尔曼滤波器

●

——○

——△——

0<α<10<β<1●

——○

——△——

△○△●○●△○●

——○

——△——

（2-2-1）◆

◆“预测——修正——平滑”的过程●△△○△●○○◆随着采样序数的增加，预测与实测的位置差越来越小，当进入稳定跟踪后，两者趋于一致。◆跟踪波门移动的轨迹就是目标运动轨迹3）跟踪原理概述①根据实测位置、预测位置、预测速度，算出滤波位置及滤波速度。②以滤波位置为起点，用滤波速度，来预测下一天线扫描周期的预测位置，并放置跟踪窗（又称波门）等待天线下一时刻目标的到来，当目标进入跟踪窗时，认为该目标为所要跟踪的目标。

③利用不断滤波与外推，且跟踪窗逐次缩小，逐次逼近，实现ARPA对目标的自动跟踪。

2、影响自动跟踪性能的因素◆

①

初始跟踪阶段；◆

①稳定跟踪时；②

目标做快速大幅度机动时期②

目标无机动或机动速率很小③目标跟踪丢失、系统进行惯性外推时期（应均取0）2）跟踪波门尺寸对跟踪性能的影响AGS——方位门开始RGS——距离门开始△R——窗深△A——窗宽◆

扇形窗在录取目标时，称录取波门，在建立航迹进入跟踪后，称跟踪波门（跟踪窗），简称波门。◆

关于波门尺寸应考虑以下几点：（1）初始录取波门应足够大，以便录取成功并建立起跟踪。（2）在建立航迹后跟踪波门尺寸小，有利于提高跟踪精度和分辨力。（3）为适应各种因素的变化，波门尺寸的大小应能的变化应自适应调节。◆ARPA常用的两种方法：（1）按目标尺寸自动调节（2）如图示方法。3、自动跟踪的局限性1）目标丢失

①目标回波信号弱

②杂波干扰

③目标大幅度变化

④雷达测量或ARPA数据处理环节出现特大误差

⑤目标进入雷达阴影区或被大目标遮挡2）误跟踪:◆两个或两个以上目标落入同一个波门而引起跟踪错误的现象。◆常见下列几种：1）被跟踪目标进入强海浪区而误跟踪海浪2）也称目标交换（TargetSwop)。3）两个靠近，同向行驶的目标；4）两个被跟踪目标的对驶靠近时；

5）当一被跟踪目标航行到靠近、并转向时将会发生跟踪到陆地，出现“矢量上岸”◆

减少目标调换的技术措施：a、两个重叠时，停止跟踪，按原速度滑行，分开后再跟踪。b、拒绝人工录取正在逼近另一个已被跟踪的目标，以免破坏对已有跟踪目标的跟踪。c、当出现两个以上目标时，只跟踪最接近跟踪窗中心的目标回波。2-3目标参数的自动计算及碰撞危险判断一、目标运动参数的计算二、危险预测参数的计算1、碰撞参数CPA、TCPA的计算2、PPC的计算（可能碰撞点——Pointofpossiblecollision）1）PPC产生条件:目标保向保速，本船保速保向或保速改向;2）PPC的形成图2-2-16本船保速保向时的PPCoABSHMCPPC①本船保速保向时PPC的形成强调：只有当CPA=0，PPC才在SHM上

②本船保速改向时PPC的形成图2-2-17本船保速改向时的PPCoACBSHMA’SHM’

PPC3）几点说明：oABSHMCPPC1E

为目标的反弦角

为本船速度矢量为目标船速度矢量③

＞

有一个PPC

①当本船保向保速时，

<BE，当CPA≠0时无PPC

②当BE＜＜时，A’PPC2有两个PPC（PPC1、PPC2）图2-2-18形成两个PPC的示意图2、PAD（预测危险区——PredictedAreaofDanger）1）含义：在目标船保速、保向，本船保速条件下，本船和目标船有可能发生碰撞的区域。2）PAD的形成：图2-2-19PAD的形成oABSHMCPPCMINCPA圆RML1RML2A’A’’C’C’’FGHI3)、PAD特点：

①PAD的形状、大小、位置与下列因素有关：A.O－T之间的速度比以及目标的反舷角；B.设置的MINCPA的大小；C.O－T之间的相对位置。

②本船船首线穿过PAD，可能有碰撞危险。

③PPC及PAD在真矢量的延长线上，PPC可能是PAD中心，但大多数情况下不是。④PAD只表示与本船的关系，若两个PAD重叠，并不反映该两个目标之间有碰撞危险。

⑤有PPC，一般就有PAD，（若有两个PPC，就有两个PAD）。

⑥若是固定目标，目标回波在PAD之内。4)PAD优点：在避碰中：直观、简便，即只要本船SHM避开PAD即可。

5)PAD缺点：①PAD并未考虑避碰规则，仍需谨慎行事；

②精度差；

③画面混乱，特别是在船舶密集水集，观测困难；

④一旦条件改变（T－保向保速，0－保速），PAD无效，特别是旧的PAD作废，而新的PAD尚未形成，若仍用旧的PAD，造成危险。∴PAD适用于船舶密度小的开阔水域。三、危险判断与报警1、利用CPA、TCPA进行危险判断与报警

●只有当CPA、TCPA同时小于设置的MINCPA和MINTCPA时，ARPA才会发出危险报警；◆设置MINCPA和MINTCPA时应考虑的因素1）本船大小、速度、操纵性能2）水域宽阔程度，船舶密度3）气象海况条件（风浪、雾、雪）2、利用警戒环进行危险判断与报警

◆当目标“侵入”时，发出“目标闯入”报警，或自动录取。●若第一次出现的目标已处于警成环（区）内，则不报警。3、利用PPC、PAD进行危险判断

◆PPC在本船SHM上（CPA=0）碰撞危险（非常危险）；

◆PPC在本船SHM附近（若CPA≤MinCPA）碰撞危险（可能碰撞）；

◆PPC在本船较远（若CPA＞

MinCPA）无碰撞危险。

◆

本船船首线SHM穿过PAD，可能有碰撞危险4、跟踪目标丢失的危险判断与报警

2-4显示方式及选用

◆

APPA显示内容、显示技术——比普通雷达好得多一、数据显示器◆内容：1、目标运动六参数：

距离、方位、真航向、真速度、CPA、TCPA

◆说明一点：有的有相对航向、相对速度。

IMO：应标示出是对水稳定或对地稳定显示。2、IMO：

①必须满足IMO规定

②必须要有雷达显示器提供的全部数据

③在一分钟以内显示目标运动趋势，三分钟内稳定显示目标的预测运动（数据）。

3、矢量时间：0～99min可调。

4、尾迹点的间隔时间

5、MINCPA、MINTCPA，其它……二、PPI综合显示器1、视频回波显示数字视频或原始视频。数字视频的特点：

优点：质量好，亮度大。可选用

缺点：真实感较差。2、符号——没有统一标准1）定性符号（录取符号：□、○；危险符号：△、*）；2）图示符号：有矢量、PPC、PAD、尾迹点、港口视频地图等3）定量符号

◆矢量：表示目标未来的运动势态形式起点方向长度末端相对矢量（RV）目标现在位置相对运动航向调定矢量时间内预测航程调定矢量时间预测到达位置真矢量（TV）目标现在位置真运动航向调定矢量时间真航程调定矢量时间预测到达真位置三、尾迹（历史航迹——Trail）——表示目标现位置前的历史航迹。

——用等时间间隔点来表示。◆作用：①用于判断目标有否机动；②用于检查跟踪能力是否正常。◆判断机动方法：一般用：真矢量——真运动航迹比较。◆改向判断——

两者是否在同一直线上

◆改速判断——

点间隔是否均匀

注意：

如用相对矢量——相对运动航迹判断若两者不在同一直线——改向或改速都有可能（或：不能唯一确定目标改向）

IMO：至少8分钟、4个航迹点表示。3、数字和字母R——表示基准参考目标；A、B、C、D、

……T——表示已录取目标的序号；T、或SIM或TRIAL——表示ARPA正工作在试操状态，显示试操船的模拟画面；1、2、3等数字——表示故障的序号，或已录取目标的序号。4、综合态势图

◆

PAD型ARPA综合态势图

本船船首向上四、各种显示方式、特点及选用1、本船运动显示模式相对运动——RM（必备）真运动——TM2、图像指向显示模式北向上（NorthUp）——N-Up（必备）航向向上（CourseUp）—C-UP或船首向上（HeadUp）——H-UP◆

？有些ARPA在船首向上模式没有ARPA功能◆

？航向向上受到使用者的青迷3、矢量显示模式1）相对矢量——RV◆

特点（征）①本船无RV显示，同向同速船也无RV显示②固定或运动目标显示RV③RV延长垂足——CPA、TCPA（估计）◆适用场合：●快速判断本船与所有目标是否存在碰撞危险

1）真矢量——TV◆

特点（征）①本船与运动目标均显示TV②当CPA=0时：

TV延长线与SHM交点→PPC（在SHM上）；

本船TV与目标TV延长，其矢端重叠。③用TV及真运动尾迹→判断目标是否机动④固定物标没有TV（无风流影响）若有TV——为对水真矢量（有风流影响）修正方法：（只装有对水计程仪——导航时）

手动修正（manual-drift）

ARPA自动修正（Auto-drift）◆适用场合：可观察目标真航向、真航速及目标态势角、有助于作出正确的避让决策。→对地TV4、目标态势预测显示模式：◆

综合显示的组合模式如下：矢量模式和PAD模式◆对于没有船首向上（H-UP）的ARPA，实际只有八种组合显示模式5、显示方式的选用1）大海中航行：常选用：相对运动（RM）；相对矢量（TV）；航向向上（C-up）。2）在狭小道或进出港：常选用：真运动（TM）；真矢量（TV）；真北向上（N-up）。◆

若既要定位又要避让，且航向往南，则改用：

TM——TV——C-up6、IMO性能标准规定：

①对于矢量型：RV、TV两种都应有对于PAD型，RV或TV其中一种即可◆要求矢量时间应可调整②显示方式：一定有RM、N-up，C-up或H-up③显示量程：3、6、12NM；④直径16″⑤高亮度显示2-5自动报警与系统测试一、自动报警系统

1、报警分类及内容1）设备（系统）报警：

ARPA设备本身故障所发出的报警：①电源故障报警；②主处理机，内存、跟踪器，显示器，接口及传感器输入信号丢失；③其它。是设备报警优先级别是最高的2）工作报警：◆工作状态发生变化时发出的报警：①碰撞危险报警（CPA/TCPA），

当CPA≤MINCPA：TCPA≤MINTCPA；②目标航迹变化报警；③目标闯入（环、区）报警；④目标丢失报警；⑤录取目标总数超过预定数报警；⑥误操作报警；⑦其它报警（如走锚）。◆工作报警优先等级：

CPA/TCPA航迹变化闯入警戒圈目标丢失

走锚

最高最低2、报警方式1）视觉报警（VisualAlarm）警指示灯闪烁2）听觉报警（AudibleAlarm）

蜂鸣器响3）符号闪烁报警（SymbolFlash）

PPI显示器各种符号4）文字显示报警（DataFlash）

“Danger”或“Collision”◆对设备报警可显示故障代号如：system04——无雷达触发信号等二、系统测试功能1、用诊断程序自测试功能（自检功能）2、用“TEST”（测试）功能当有故障时，一般会显示故障序号

1）用发光二极管、指示灯、数码管◆若轮流闪亮一遍：表示相关电路及功能正常◆未亮的灯或管：表示可能是灯或管坏了、或相应部分有故障、系统无法执行相应功能。2）用测试图形3）用测试回波视频有的ARPA在按下“TESTTARGET”键后，则在显示屏上显示模拟运动目标回波“X”用于检查ARPA录取、跟踪和计算功能2-6试操船

一、概述1、如有危险报警→哪条船？◆能见度不良：——采取措施◆互见：权利船？若是义务船——采取措施2、什么叫试操船？

◆ARPA检测到碰撞危险目标并发出报警时，本船实际采取避让机动前，人工输入模拟航向和（或）模拟航速数据，让ARPA计算和预测此避让机动的效果。

二、试操船方法（措施）

航向试操船航速试操船1、矢量型试操船（采用RM显示模式）1）RV试操船2）TV试操船2、PAD试操船三、试操船显示特征（结合IMO要求）1、在荧光屏的下方有提示：“T”、或“SIM”或“TRIAL”2、试操船不宜太长时间：有的ARPA自动回复到正常显示。3、在试操船中，不能中断对已有跟踪目标的跟踪与计算。四、使用注意事项1、应根据避碰规则2、应考虑本船操纵特性3、应注意目标机动？4、速度快些5、不可忽视了望……2-8附加功能◆ARPA“性能标准”规定之外的功能一、导航线：◆导航标志的设置与显示二、港口视频地图◆构成地图的要素：航道边界、海岸线、浅滩、沉船点及航标等。三、电子海图的存贮与调用：ECDIS◆ENC——航用电子海图数据库第三代ARPA系统中，只要编制ENC显示软件，即可将所需海图号的ENC光盘拷入ARPA系统并存储。◆这类ARPA不再需要导航线、导航标志和视频地图之类的附加功能。四、锚位监视2-9ARPA的优点及局限性一、ARPA优点1、直观、方便。2、能自动、连续提供多种信息。3、具有多种功能。4、自动化程度高。二、ARPA系统误差源及其影响◆ARPA系统误差源

◆ARPA系统误差源

1）设备误差：

②ARPA本身误差①传感器误差2）操作员误差：

②操作不当，经验不足，或疏忽而引起

①信息、数据错误理解

1、传感器误差及其对ARPA的影响1）传感器误差

雷达：①方位误差；②距离误差罗经——船向误差

计程仪——船速误差2）传感器误差及其对ARPA的影响（1）对RV的影响雷达：