船舶交通管理系统vts3(130823)

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1、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

2、。,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

3、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

4、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

5、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：5-6

6、Nmile （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

7、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。

8、（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），

9、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

10、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

11、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

12、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：203

13、0MHz 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

14、 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

15、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

16、，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