第九讲-航海雷达新技术

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上海海事大学,Shanghai Maritime University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上海海事大学,Shanghai Maritime University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,航海雷达新技术,06 十一月 2024,1,上海海事大学,应士君,一、,引言,航海雷达一直是用户群最大的

2、雷达市场，目前，据不完全估计，安装航海雷达的各类船舶超过,300,万艘，其中约有,5,万余艘是属于,SOLAS,公约船，中国约有,3,千余艘；,航海雷达分为两类：用于船舰导航的船用雷达和用于港口和海岸事务的港口雷达；,2004,年,IMO,发布的雷达性能指标保留了,X,波段雷达对雷达信标和搜救应答器的兼容，但,IMO,鼓励使用相参雷达来提高在严重的海杂波条件下对目标的检测，在不超过航海雷达频谱限制的情况下，允许发射,3GHz,的任意波形。这些技术得到了国际电信联盟,ITU,的同意,。,大型船舶配备的综合船桥系统,IBS,对航海雷达提出了更高的要求。,2,3,二、,SOLAS,公约的要求,300

3、,总吨及以上和全部客船，需装备：,1,台,9GHz,雷达或其他装置，用于确定和显示雷达应答器、其他水上船舶、障碍物、浮标、海岸线和航标的距离和方位，借以助航和避碰；,一套电子标绘装置（,EPA,）或其他装置，用电子方式标绘目标的距离和方位，以便确定碰撞危险；,600,总吨及以上的雷达需配备自动跟踪（,ATA,）装置；,所有,3000,总吨及以上船舶，需,:,再配置,1,台,3GHz,雷达，或第,2,台,9GHz,雷达，或其他装置，用于确定和显示其他水上船舶、障碍物、浮标、海岸线和航标的距离和方位，借以助航和避碰，并与另一台雷达在功能上是独立的。,第二台自动跟踪仪（,ATA),，或其他装置，用于

4、自动标绘其他目标的距离和方位，以确定碰撞危险。并且两台系统在功能上是独立的。,所有,10 000,总吨及以上船舶，需配置：,1,台自动雷达标绘仪或其他装置，与,1,台指示相对于水的速度和航程的装置相连，用于自动标绘至少,20,个其他目标的距离和方位，以确定碰撞危险和模拟试验性操纵。,注：此为,SOLAS2002,年修改版。,船舶级别和显示器尺寸的要求：,4,二、,SOLAS,公约的要求,船舶级别,小于,500,总吨,50010000,总吨,10000,总吨以上,最小操作区域直径,180mm,250mm,320mm,最小显示区域,195*195mm,270*270mm,340*340mm,自动录

5、取目标,-,-,是,最小录取目标数,20,30,40,最小显示激活的,AIS,目标数,20,30,40,最小显示睡眠的,AIS,目标数,100,150,200,试操船,-,-,是,5,三、,航海雷达面临挑战,1,、环境：航海雷达需要在极端的环境条件下工作：,在超常的温度下工作，世界上有些地方的温度会低于,-40C,；,在强风、强振动、强冲击工作；,需要在强降雨、盐水喷淋下工作；,必须经受巨大的温差变化,-15+55C,；,极大的动态范围，必须探测回波截面积从小于,1m,2,到数万,m,2,的目标；,跟踪目标的速度能从,0,到,100kn,，在高速船上需要更大的相对速度；,安装在既不固定也不稳定

6、的平台上。,6,2,、探测性能：,2004,年,IMO,修改了雷达的性能指标，已于,2008,年,7,月,1,日实施，,IMO,规定的探测概率为,80%,，虚警概率是,10,-4,；,三、,航海雷达面临挑战,目标特点,探测距离（海里）,目标描述,海岸线,海岸线,海岸线,SOLAS,船,5000gt,SOLAS,船,500gt,海况（米）,上至,60,上至,6,上至,3,10,5.0,9GHz,20,8,（,7,）,6,11,（,7,）,8,3GHz,20,8,（,7,）,6,11,（,7,）,8,目标类型,分布的,分布的,分布的,复杂的,复杂的,配备雷达发射器的小型船舶,4.0,5.0,3.7

7、,点目标,无反射器小于,10m,的小型船舶,2.0,3.4,3.0,复杂的,典型的导航浮标,带角形发射器的浮标,典型的水道标识器,3.5,3.5,1.0,4.6,（,2,）,4.9,（,3,）,2.0,3.0,（,2,）,3.6,（,3,）,1.0,点目标,点目标,点目标,7,3,、雨雪和海浪杂波的影响：,三、,航海雷达面临挑战,雨雪杂波：,圆极化天线；,FTC,；,3G,波段的雷达；,海杂波：,STC,；相关处理技术；高速天线（,500r/min,）和频率分集技术；,垂直波束分裂：,由于海面发射，会造成垂直波束的分裂，产生棘手的零位问题；,4,、移动的平台：,船舶的六自由度运动增加了船舶在航

8、向和速度上的误差；雷达取得的数据精度将受到影响。,8,三、,航海雷达的发展趋势,1,、天线：,天线旁瓣性能要求：,雷达类别,最大旁瓣电平（,dB,）,10,以内,10,以外,SOLAS,-23,-30,非,SOLAS A,类,-20,-23,非,SOLAS B+C,类,-18,-19,9,三、,航海雷达的发展趋势,2,、倒余割平方天线：,垂直波束为倒余割平方形。,特点,：天线水平方向以上空中辐射小；,雷达最小作用距离（近距盲区）小；对远近距离目标照射较均匀。适用于岸用雷达和大型船舶,。,10,三、,航海雷达的发展趋势,3,、大口径天线：,口径垂直边尺寸,620mm,。特点：天线垂直波束窄（,4

9、,），增益大（,42dB,）,11,三、,航海雷达的发展趋势,4,、频率分集,应用目的,抑制杂波干扰，增加雷达作用距离。,基本原理,多部发射机通过同一天线同时或交替发射不同载频、但脉冲宽度和重复频率完全相同的信号。,回波信号经多路相应频率的接收机处理后叠加，再送到显示器。,多种频率信号叠加可提高信噪比，降低目标回波起伏，增加雷达最大作用距离，提高雷达的测量精度、抗干扰能力和可靠性。,12,三、,航海雷达的发展趋势,13,开缝波导天线的水平波束最大辐射方向一般与波导面的法线方向有一小夹角，称之为斜视角。,斜视角（,Squint,）：,斜视角大小与频率有关，相应于频率分集的两个不同频率，斜视角分别

10、为,F1,和,F2,三、,航海雷达的发展趋势,斜视角分离性能带来了一个附加优点：,不同载频辐射的脉冲因斜视角分离使其辐射方向有一差别，对于旋转的天线来说，相当于对同一方向的辐射延时，两波束之间,延时的典型值是,20,40ms,，,一般海杂波发生变化的时间（特别在大风浪时）比此大得多。利用回波进行积累时，不仅提供了频率分集，而且提供了时间分集。,14,分集优点,总辐射功率是非相干集成的两个脉冲功率的总和。,目标回波（相关性强）将相加，散射干扰源回波即杂 波（相关性弱）将被平均而非相加。综合效果是减弱干扰，增强目标的信杂比。,实测结果,：比单频收发机工作,杂波减弱,5,6dB,，灵敏度自动增加,5

11、dB,；带给小起伏目标的收益典型值为,6dB,，总性能改善可达,10,12 dB,。,来自许多独立脉冲的信号积累后，目标的起伏性减弱。,三、,航海雷达的发展趋势,15,三、,航海雷达的发展趋势,5,、固态雷达,鉴于传统的航海雷达（非相参单脉冲机制）无法在抑制干扰探测小目标方面取得根本性的突破。,ITU,推荐采用脉冲压缩机制或,WIMAX,技术来解决海杂波背景中检测小目标的难题；,航海雷达制造商把最初为宽带通信链路研制的氮化镓以及其他微波功率半导体应用于雷达发射机以取代磁控管；,移动通信的需求不断对,ITU,确定的航海雷达频谱限制施加了压力，而固态雷达的峰值功率（,200W,左右）与传统的雷达（

12、,30Kw,左右）相比，频谱干扰电平远远降低了。,英国的,Kelvin Hughes,的,SharpEye,TM,是固态相参雷达的一个成功例子，它是第一个符合,IMO,要求的系统。峰值功率,170W,，占空比,10%,。,16,三、,航海雷达的发展趋势,6,、,SharpEye,TM,全固态雷达,发射机：没有磁控管了！,接收机,17,全固态,脉冲压缩,脉冲,多普勒,功率,合成,恒虚警,杂波图,连续动,目标检测,提高动态范围、距离分辨率,增强了雷达的干扰抑制性能,用脉冲压缩技术，全固态雷达的距离分辨率可以达到,15m,（所有量程）。图中的大船与小船均可清晰显示，而磁控管雷达无法达到这样高的分辨率

13、。,三、,航海雷达的发展趋势,18,三、,航海雷达的发展趋势,窄脉冲,30,000W,19,三、,航海雷达的发展趋势,应用脉冲压缩技术的长脉冲,170W,20,三、,航海雷达的发展趋势,全固态,脉冲压缩,脉冲,多普勒,功率,合成,恒虚警,杂波图,连续动,目标检测,大幅提高雨雾和海杂波环境,下目标检测和跟踪的性能,21,三、,航海雷达的发展趋势,目标,雨雪,陆地,海面,0,-10,-20,-30,-6,0,6,12,18,24,功率,(db),速度,(m/s),22,三、,航海雷达的发展趋势,目标船舶高度,:2m,传统,X,波段雷达,发现概率,距离,(nm),1.0,0.5,10,5,23,三、

14、,航海雷达的发展趋势,目标船舶高度,:2m,固态雷达,发现概率,距离,(nm),1.0,0.5,10,5,24,三、,航海雷达的发展趋势,在,80%,发现概率，和恒虚警,10,-4,的情况下，传统,S,波段雷达最远检测目标至,2nm,，而固态,S,波段雷达可以检测到最远,5.5nm,的小目标（,0.5m,2,，高杂波环境下）。,25,三、,航海雷达的发展趋势,在,80%,发现概率，和恒虚警,10,-4,的情况下，传统,X,波段雷达难以检测到小目标，而锐眼,X,波段固态雷达可以检测到最远,7nm,的小目标（,0.5m,2,，高杂波环境下）。,26,三、,航海雷达的发展趋势,全固态,脉冲压缩,脉冲

15、,多普勒,功率,合成,恒虚警,杂波图,连续动,目标检测,S,波段与,X,波段收发机均可达到,MTBF,超过,50000,小时,X&S,二合一全固态雷达系统可用率超过,99.9%,X,波段全固态雷达拥有,13,级全固态功率放大器，锐眼,S,波段全固态雷达拥有,2,级全固态功率放大器,更好的海杂波抑制效果和目标检测与跟踪跟踪效果,锐眼雷达是全固态脉冲多普勒雷达，因此与传统雷达相比具有很低的射频脉冲发射功率，通常在占空比为,10%,的情况下峰值功率为,170w,，这样高的负荷比，来源于发射机的新型设计和脉冲压缩技术，因此在接收机接收时，假定脉冲压缩比,1000,：,1,的情况下，就可以获得,170k

16、w,峰值发射功率的同等接收性能效果。,27,三、,航海雷达的发展趋势,检测性能：,28,三、,航海雷达的发展趋势,29,当,三、,航海雷达的发展趋势,30,三、,航海雷达的发展趋势,31,三、,航海雷达的发展趋势,JRC,固态雷达：,32,三、,航海雷达的发展趋势,33,三、,航海雷达的发展趋势,34,三、,航海雷达的发展趋势,35,三、,航海雷达的发展趋势,36,三、,航海雷达的发展趋势,100mW,超低发射功率，微波辐射量,小于移动电话的辐射量,海浪,/,雨雪抑制优于磁控管常规脉冲雷达五倍以上,画面清晰，近距避碰无盲区和失真图像,按键即可发射，省去磁控管常规脉冲雷达预热时间,近距目标分辨率高（超过一般,X-,波段雷达）,全自动设置无须人工调谐,BR24,型近距防碰固态雷达,37,三、,航海雷达的发展趋势,Broadband,雷达,17W,4KW,脉冲雷达,三、,航海雷达的发展趋势,7,、硬件和操作系统,采用图形工作站的硬件平台渐渐成为主流方式，采用成熟的工控硬件平台可以大大缩短新技术雷达硬件的开发时间；,ARM+DSP+GSP,在小型雷达研发上具有广阔的前景；,实时操作系统（,Qn