9-1-雷达基本工作原理

1、1,第九章 船用导航雷达,一、 雷达名称：(Name) “Radio Detection and Ranging” （无线电探测与测距） RADAR (英文缩写) 雷达( 音译) 二、雷达起源 问题（在第一次世界大战中）：-如何尽早发现飞机？ 启发：仿生学-蝙蝠 方法：利用电磁波来发现目标?,绪 论,2,三、 雷达定义：(Definication) 是一种利用物标对电磁波的反射特性，来探测与测量物标的 一种无线电设备。,雷达,目标,航海雷达,绪 论,3,四、航海上为什么要用雷达？ 当在雾天、夜间航行等能见度不良时 如何判断周围有目标？是否会相撞？ 或者在海图上进行定位呢？ 就必须用雷达 探测目

2、标 判别本船周围是否有目标存在？ 以亮点形式显示出来。 测量目标 测量出（水面以上）目标的： 方位（Azimath） 距离（Range）,O,T1,T2,航海雷达,绪 论,4,五 、雷达的工作频率,航海雷达,绪 论,5,六、雷达在航海上的应用(Application in navigation),1）定位 (Positioning ) 2）导航 (Navigation ) 3）避碰 (Avoidance Collision ) 雷达- 是船舶航行不可缺少的、重要的导航仪器！ 是驾驶员的“眼睛”！,航海雷达,绪 论,6,雷达/ARPA, ECDIS, GPS/DGPS和自动舵构成的自动船桥系统是

3、未来主要的导航系统,7,七、雷达的发展概况,30 年代：1935年第一部 Rd英国，当时为战争服务。 一维-测距，探测飞机。 二战中发展 二战后 民用 航海上。 结构上电 子管 晶体管 IC LIC。 功能 一维：距离 二维：距离、方位 三维：距离、方位、高度 多维：距离、方位、高度、速度、航向等,航海雷达,绪 论,8,航海技术发展：通信导航技术发展快。 GMDSS、 ARPA AIS、VDR、ECDIS等。 雷达发展方向小型化、智能化、数字化。 典型：ARPA 、自动驾驶仪 与ECDIS、 AIS 组合。 知识不断更新适应时代发展。,航海雷达,绪 论,9,第一节 雷达目标探测与显示原理,一.

4、 雷达目标测距测方位,航海雷达,10,雷达所能发现的所有目标 船舶 岛屿（陆地） 浮标 海浪杂波 雨雪杂波,11,12,1、雷达图像特点,雷达图像基本元素（如上图） 将雷达传感器探测到的本船周围目标以平面位置图像显示在平面光栅显示器上。 雷达图像特点 雷达平面光栅显示器除有用的各种回波外，还显示各种干扰杂波、假回波。 雷达回波图像与海面真实物标不尽完全同，表现为：P511 （共12种）,13,雷达探测到的回波图像与真实目标相比，可能会有很大的变形 一个专业的雷达观测者，应能够在杂波干扰和各种复杂屏幕背景 中分辨出有用回波，引导船舶安全航行。,14,雷达基本工作原理,一. 测距原理 说明：1）O

5、-T 之间的距离为 S（未知） 2）电磁波往返时间为t t = t2 - t1 t2：该电波反射回到天线时刻； t1：电波从天线发射时刻 2S = C t S = t （1-1-1） C：电磁波传播速度，常数 C = 3108 米/秒,O,T1,T2,S1,S2,t,t,接收（还）,发射（往）,航海雷达,绪 论,15,原理：通过测量本船与目标之间电磁波的往返时间（t）， 就可以测量出本船与目标之间的距离（S）。 实际上：在雷达上直接把时间t转换成距离（海里表示）。 条件：电磁波传播满足： 1）直线 2）等速 3）反射 注意：时间单位：1S = 103 ms = 106 us,航海雷达,绪 论,

6、16,二. 测方位原理( Bearing, Azimuth ),1. 雷达天线方向性：辐射功率与方位的关系 -具有高度的定向性！ -扇形 重要参数： v天线垂直波束宽度：在垂直方向，半功率是之间的夹角（15 -30） n天线水平波束宽度：在水平方向，半功率是之间的夹角（ 1-2） 强调：在水平方向上，h很小具有高度定向性，,半功率点,轴线,主瓣,垂直方向,水平方向,v,h,旁瓣,航海雷达,绪 论,17,雷达天线,航海雷达,绪 论,18,2、测向原理,过程分析： a、天线高度定向性h b、只有当主波束对准目标该目标接收电波反射 c、当偏离目标主波束不对准 该目标不能被探测无反射 主波束轴方向代表

7、OT之间的方向； 理解：第1要点 d、由于显示器扫描线与天线同步旋转 即：当主波束扫到某一方向扫描线相应扫在这一方位上。 理解：第2要点 该目标回波就会立即在该方向上显示出来。,航海雷达,绪 论,19,测向原理：,由于天线具有高度的定向性，只有天线主波束对准该目标时，才能探测到该目标，即天线的方向就是目标的方向。由于显示器扫描线与天线同步旋转，所以该目标回波就会在相应的方位上显示出来。,航海雷达,绪 论,20,二 雷达显示方式,按船舶运动参照系划分 真运动TM 相对运动RM 按图像的指向模式划分 艏向上（HUP） 航向向上（CUP） 真北向上（NUP）,21,1、 相对运动显示方式,是指无论本

8、船是否运动，在雷达屏幕上，代表本船位置的扫描中心固定不动，所有目标都与本船作相对运动即目标在屏幕上的运动是其各自的真速度矢量与本船真速度矢量之差。,22,2.2.1.1 船首向上显示方式 （ head-up）,显示特点：（用于避碰） 扫描中心（本船）在荧屏中心，物标回波相对本船运动，固定物标则与本船等速反向运动。 船首线指方位圈的0，并代表船首方向。 物标的方位是相对本船船首的相对方位（舷角）。 “相对方位显示方式” 本船转向时，船首线不动而物标回波圆周反转，有弧形尾迹，影响观测。转向时减小增益，可防止图像模糊。,23,Head up,24,2.2.1.2 真北向上显示方式（North-up）

9、,条件：接入罗经航向信号 显示特点：（用于定位、导航） 1. 扫描中心（本船）在荧屏中心，物标回波相对本船运动，固定物标则与本船等速反向运动。 2. 方位圈的0代表真北，船首线指航向值。物标方位为真方位。“真方位显示方式” 3. 本船转向时，船首线移向新航向，而周围固定图像稳定不动。,25,North up,26,2.2.1.3 航向向上显示方式（Course-up ）,这种显示方式综合了前两种显示方式的特点。 具有两个方位圈：内部固定，外部可动并与罗经航向信号连接 。 显示特点：（在狭水道艏偏荡或转向频繁时用有利避碰） 航向稳定时，与船首向上特点类似。 转向时，与真北向上特点类似。 3. 当

10、转向完毕时，按动 “course-up” 按钮, 则船首线、图像及可动方位圈一起转动，直到船首线指固定方位圈0为止。,27,Course up,28,2、 真运动雷达显示方式,需要接入罗经（航向）和计程仪（航速）信号。 显示特点: 代表本船的扫描中心在屏上按本船的航向航速移动，固定物标在屏上稳定不动，活动物标与其在海上实际运动状态相同，按各自的航向和航速移动。屏上画面像在空中俯看海面一样。,29,计程仪 (1) 相对，对水稳定真运动显示方式 (2) 绝对，对地稳定真运动显示方式,在狭水道导航时用对地稳定真运动显示方式； 在标绘、计算及判断碰撞危险、采取避碰措施时用对水稳定真运动显示方式。,30

11、,3、雷达显示方式选择,相对运动RM：有利于判断目标船的碰撞危险，及早作出避碰决定； 真运动TM： 对水真运动能够方便、准确在判断目标船的动态，有助于驾驶员根据会遇局面和避碰规则作出避让决策； 对地真运动能够及时监测本船相对 于海岸和固定碍航物的航行动态，有利于航行监视，尤其是在狭水道或进港靠泊时的取佳选择。,31,第三节 雷达设备工作原理1 雷达系统配置,传统的船舶导航雷达系统：由天线、收发机、显示器、电源组成。 现代的船舶导航雷达系统：随着现代科技的发展，和基于信息化平台的新型航海仪器和设备不断出现，将电子定位系统GPSAISLRITENC或可提供丰富的水文地理数据的其他矢量海图与传统的导

12、航雷达实现数据融合与信息共享。 SOLAS公约要求，2008年7月1日之后装船雷达设备应能满足IMO MSC.192(79)船舶导航雷达性能标准规定中，其标准配置和扩展选装配置如下：,32,33,1、 组成框图 原理组成七部分,航海雷达与ARPA,绪 论,34,1、 组成框图 原理组成七部分,航海雷达与ARPA,绪 论,2、各部分作用 1）触发电路（Trigger) (又称定时电路，或称定时器） 每隔一定时间（Tr）产生一触发脉冲（定时脉冲） 它是雷达整机的定时系统。 Tr-脉冲重复周期 用来协调和同步和各单元及系统的工作。 2）发射机（Transmitter) 在触发脉冲的作用下，产生一定宽

13、度（ ）一定幅度、足够功率的发射脉冲（射频脉冲）。 分为X波段和S波段, 其中： X波段频率: 9400100MHZ, 3cm S波段频率:3000 100MHZ, 10cm,35,1、 组成框图 原理组成七部分,航海雷达与ARPA,绪 论,3）收发开关(T-R switch,T-R cell) 收发转换,36,4）天线部件(Scanner,Antena,Aerial) 收发信号 把天线角位置和船首信号送往显示器。 天线特点：1）收发共用； 2）高度定向性 5）接收机(Receiver) 把微弱的信号进行变频，放大，检波成视频信号，送往显示器。 6）显示器(Display,Indicator)

14、 (1)把接收机送来的视频脉冲进行放大，处理，显示。 （2）产生扫描及各种标志信号，完成对目标的测量。 7）电源 (Power Supply) 把船电变换成一定频率及功率的要求，供各分机用电,航海雷达与ARPA,绪 论,37,雷达发射机,作用：在触发脉冲作用下，产生大功率射频脉冲。,38,收发机外形图,39,发射机,监测电表,微波传输线,触发电路,中频逆变器,磁控管,接收机,40,磁控管,41,收发开关,42,2 雷达天线系统,回顾雷达天线系统的作用： 定向收发信号 把天线角位置信号(包括HL标志信号） 显示器,43,一、系统组成及各部分作用,外观,44,内部,45,46,47,48,49,5

15、0,51,1、波导（Waveguide） 作用：传输微波能量（从收发机天线） 2、天线天线辐射器 作用：定向收发信号。 特点：1）收发共用；2）高度定向性。 天线转速：1530 转/分钟 要求：水平面内、均匀、向右旋转。 3、驱动马达（Driving Motor） 作用：带动天线匀速旋转 速度：10003000 R/MIN 类型：船电不同,52,4、传动装置（Driving Device） 作用：传动；减速。Rd：1530 r/min。 类型： 齿轮； 皮带。 5、方位同步发送机（Bearing Transmitter） 作用：把天线角信号电信号显示器方位同步接收机 （带动扫描线与天线同步旋转

16、） 6、船首位置信号产生器（Heading Positioning Signal Generator） 作用：当天线转到船首时，产生标志信号（送往显示器使其产生船首标志线）,53,类型： 触点式 a、机械式； b、干簧管开关 无触点式 a、光电耦合；b、同步发送机某-相取出零点。,54,雷达天线主要技术指标,（一）方向特性图：天线辐射波的功率（或场强）与方向的关系，立体图。 分： 功率方向特性图； 场强方向特性图。 船用雷达只研究水平面和垂直面的方向性图。,55,雷达天线主要技术指标,（二）波束宽度（亦称主瓣宽度、3 dB宽度、半功率点宽度）：功率为最大值一半处的两个方向间夹角；或场强为最大值的0.707倍时的两个方向间夹角。,56,雷达天线主要技术指标,（三）旁瓣： 主瓣（主波束）：天线主要辐射能量集中的法线方向。 旁瓣（付瓣、付波束）：几个对称主瓣分布辐射能量很小的方向。,57,雷达天线主要技术指标,（四）方向性系数Da：表示定向天线将功率集束到一个方向的能力； （五）天线增益Ga：表示定向天线将输入功率集中到一个方向的能力。HV,58,阴影扇形区域,1.大型船