航海雷达与ARPA精制研究

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1、 第一章 基本工作原课第一节 测距测方位基本原理1测距a）利用电磁波特性：1）.直接传播（微波波段）2）.匀速传播（同一媒质中）3）.反射特性（在任何两种媒质的边界面）b）计算公式:S = C( t2 - t1 ) / 2其中：S：目标和本船距离; t1 ：发射时刻; t2 ：接收时刻 ；C：电波速度；为300000公里/秒 为准确测量( t2 - t1 ) ，发射信号包络为矩形脉冲。2测向 天线为定向天线，只向一个方向发射，也只接收这个方向的目标回波，实现这个方向的测距。随着天波的转动，实现不同方向的测距。 第二节 基本组成及各部分作用1）触发电路： 每隔一段时产生一个尖脉冲，同时送到发射机

2、、接收机、显示器三部分，使它们同步工作。(触发电路决定工作开始的时间)2）发 射 机： 触发脉冲到来后，立刻产生一个大功率，微波波段，具有一定宽度的脉冲包络射频（雷达工作频率,微波波段）的信号。3）发收开关： 发射时；将发射机与天线接通，并将天线与接收机断开。 接收时；将发射机与天线断开，并将天线与接收机接通。l 第二章 船用雷达设备第一节 中频电源设备 为满足船用雷达工作、及工作环境的要求，雷达对电源的电压值、频率值及各指标的稳定性均有具体的要求，船舶上存在低频、高频电源干扰，有船电负载多变化大等等现象。采用专门的中频电源，正是为了防止这些干扰和有害的现象。目前；雷达电源有中频逆变器、中频变

3、流机组二种。第三节 雷达发射机一、主要组成及各部分作用1：触发脉冲产生器： 相当于时钟电路，使雷达各部分同步工作。2调制器及预调制器： 触发脉冲一到，预调制器输出具有一定宽度的小功率正方波，控制预调制器产生的方波的起始时刻，预调制器产生的方波控制调制器，使调制器产生大功率负高压脉冲。有的雷达没有预调制器，预调制器的功能由调制器完成。 所以；调制器是产生高压的部件。3： 磁控营： 在调制器输出的负高压作用下，磁控营产生矩形调制的微波振荡脉冲.实现能量转换，调制器相当于高压电源。5.2）：磁控营基本结构及工作原理 磁控营是实现微波振荡的元件，其结构、工作原理，与实际使用中的调试、维护等等事宜有关。

4、下面我们扼要介绍之。A：基本结构 阴极和阳极之间的空间, 称为空腔，空腔内为真空。空腔内,有永久磁铁提供的恒定磁场，如图示。 阴极内含有灯丝，加调制器送来的负高压前，灯丝先通电3min，用于加热阴极，阴极表面有氧化物涂层，加热使其产生自由电子，能量转换是自由电子完成的，没有3min加热，磁控管不能正常工作。B：工作原理 调制器负高压脉冲一到，阴极和阳极之间激起微波振荡。 阴极附件的自由电子，在飞向阳极过程中，由调制器提供的高压，使电子获得能量。 又在恒定磁场的作用下，把自由电子获得的能量，传给微波振荡，使原本微弱的微波振荡强大起来。载波频率采用下列二种：S波段 （29003100）MHZ 10

5、cm（波长）X波段 （93009500）MHZ 3cm（波长） 5.4）：工作状态判断：l 磁控管正常工作时，有稳定的阳极电流，所以；能够输出稳定的大功率微波，氖灯遇大功率微波辐射会发亮。l 这样；我们可以采用氖灯法、电流观察法、雷达性能监视器三种方法来判断磁控管工作状态。l 电流法：l a）：电流值为规定值，磁控管工作正常。否则为不正常。l 氖灯法：l 氖灯放在距收发机波导口1015（cm）处，若氖灯发亮，说明正常。不发亮，管子不工作。l 雷达性能监视器 l （后续章节介绍）5.5）：磁控管保存及使用： 由于磁化作用，磁控管保存有如下规定： 木箱内，磁控管离铁磁体至少10cm，二个磁控管之间

6、至少距离20cm。备用磁控管应经常轮流使用。 5.3）：老练l “老练”是更换磁控管时，为确保设备安全，要进行的一个步骤。l 什么是 “打火” l 磁控营空腔内为真空，如果空腔内有气体，高压会使气体电离，就会有负离子飞向阳极，形成阳极电流，这一现象称为“打火”。l 什么是 “老练”l 气体一下子全部电离，就会有大量负离子飞向阳极，形成很大的阳极电流，会损伤阳极。l 逐步加高压，逐步电离，慢慢去除气体，可以避免对磁控管的伤害，这一过程称为老练，步骤如下：l “老练”步骤l a）：先加灯丝电压半小时。l b）：再加较低的高压半小时或更长时间，之后加较高的电压。l c）：若在某电压灯火，退回先前的电

7、压，一段时间后，再返回该电压，若再打火，则再退回，直到不打火，这样；电压慢慢向上升，直到额定值。l 老练前提：新管，6个月未用的旧管。l 三特高压电源的三种开关l 发射开并、延时开关、门开关三种开关各自有不同的用处，三种开关同时合上、高压才能加到磁控管。1：3分钟延时开关： 保护磁控管2：门开关： 收发机箱的盖板没有合上，门开关断开，调制器没有特高压电源供电，不能发射。这样就确保了人员的安全。3：发射开关（雷达电源：off - Standby）： 由操作人员控制。开启雷达电源后，“预备”指示灯亮，延时开关，保证在发射开并合上3分钟后，再接通。l 第四节 微波传输及天线系统 天线系统实现了雷达微

8、波信号的径向发射与接收，微波传输部件实现了天线与收发机的连接。 微波传输及天线系统采用的器件是微波器件，有别于雷达的其他部分。下面我们予以介绍。 1组成及基本工作原理 天线系统由天线、驱动电机、传动装置、船首线电路、方位同步发送机、波导等组成。各部分作用如下： 1)： 驱动电机： 通过传动装置，带动天线、船首线电路及方位同步发送机转动。天线约每3秒转一圈。 2)： 方位同步发送机： 将天线的转动角信号，送去显示器，使得显示器产生的扫描线，扫描线相对于固定方位圈0刻度方向的夹角，与天线发射方向相对于实际船首线的夹角相同，如图示。 3)： 船首线电路： 将产生的船首线信号，送到显示器，使显示器显示

9、出船首线时，恰为天线向实际船首线方向发射的时刻。如图示。 4): 天线通过波导，与收发机相连。 l 2波导l 雷达波导由铜制成的内部空心外形为矩形的金属管，天线由窄边开缝波导构成，微波传输也由波导完成，所以；我们首先讲解波导。l 1）：采用波导的原因：l 天线发射与接收的信号，均为微波信号，微波信号不能用普通导线传输，这是因为微波信号频率太高的原因，下面我们分析之，并提出解决的方法。l A: 趋肤效应：l 由电磁场理论和天线理论知： 频率f上升，导致电流集中在表面，中心无电流，相当于导电体积减少，电阻上升，电阻热损耗上升，同时；使辐射增加，这就是所谓趋肤效应。所以不能采用普通导线。l 1：采用

10、波导传输信号： 雷达波导由铜制成的内部空心外形为矩形的金属管，按边的尺寸分为3cm 、10cm二种。 采用波导后（见图），由电磁场理论知，电流在内表面，所以无辐射。 又由于，内表面的面积，比普通导线的面积大很多，所以电阻热损耗很小。2： 采用波导的若干问题2）：波导不能进水，l 否则微波加热积水，使该处发热。l 在收发机入口处、波导接口处l 加入防水云母片。3）：另由电磁场理论知：l 波导尺寸与电波波长成正比，损耗与电磁波的振荡模型有关。l 所以；3cm雷达采用波导，10cm雷达因波导太大改用同轴线。l 4）： 收发机天线之间的波导管，总长度不宜超过20米，整个波导系统的弯头不 宜超过5个。l

11、 3天线的方向性 天线由窄边开缝波导构成。这种天线，它辐射的电磁波，其空间分布是怎样的？ 下面；我们首先介绍天线方向性图这个基本概念，再介绍辐射电磁波的空间分布。1）：天线方向性图： 天线方向性图是表示辐射方向，与该方向辐射强度关系的图形。可用场强表示，也可用功率表示。雷达三维方向性图近似为细长的橄榄球。 场强图中，最大值的0.707们的二个线段的夹角；或功率图中，最大值的0.5倍的二个线段的夹角称半功点宽度。 方向性图可分为水平方向性图和垂直方向性图二种。 2）：水平波束宽度Hl 天线俯视图中，半功点宽度称为水平波束宽度。H 2 ，一般H为1左右。 3）：垂直波束宽度v 天线侧视图中，半功点

12、宽度称为水平波束宽度。v=15 30 防止船舶摇摆时，丢失目标。4）：编转角 方向性图中最大值方向与天线的辐射平面的法线方向的夹角称为编转角。编转角与发射频率有关，更换磁控管，编转角将改变。补充： 隙缝波导天线的主瓣轴向与天线窗口法线方向之间约有3.1-4.1的偏差。在安装天线时应加以校正 。应调船首线装置，使最大值方向与首线一致。5 ）：根据电磁场理论：发射频率愈高，方向性愈尖锐。4：极化电磁波中的电场矢量的方向，称为极化。船舶雷达极化有下列三种： 电场矢量沿水平方向振动的，称水平极化。 电场矢量沿垂直方向振动的，称垂直极化。 电波的电场矢量，作圆周旋转，称圆极化。理论分析及实验表明：l 海

13、浪高0.25（m）；水平极化海浪干扰最小。规定X波段采用水平极化（包括雷达，航标） 。l 海浪高船首向右舷左舷特点：费时间，录取速度慢。3）：自动录取排队控制：按目标距离，方位及发现时间,编码从而使之有序地进入计算机。辅助控制：在排队控制处输入辅助控制，使数据有序进入计算机（能不能进，进的先后次序）提高录取的目的性。 l 辅助控制的几种方法：设置优先区，如图I区II区III区设置限制区，ARPA拒绝录取区如，陆地、岛屿设置警戒圈，对闯入成圈的目标报警并自动录取和跟踪。（已在圈内的目标不报警，也不录取）自动录取的缺点：容易造成虚假录取。IMO规定： 只有人工录取功能的ARPA，录取目标总数 10

14、。具有自动人工录取功能的ARPA，录取目标总数 20。IMO 规定；ARPA 有效距离范围至少为12海里或16 海里。录取跟踪，受最大作用距离，最小作用距离，最大速度限制。4）：录取满了已后，应清除一个不太危险的目标，才能再录取一个。波门设置：初始录取目标时，用大波门，初始建立跟踪后用中波门，进入稳跟踪后用小波门。l 5）：自动跟踪的局限性。目标丢失：下列情况容易目标丢失a） 目标变弱（易于噪声混淆）b）杂波干扰（杂波目标叠合）c）目标快速机动d）机内特大误差 连续跟踪的条件：在10 圈天线扫描中，有5 次能清楚显示目标跟踪范围： 一般为1海里至24多海里。 情况不明、或初始阶段故用大波门，以

15、后可减小为中、小波门。l 6）：误跟踪 二个或二个以上的目标，同时落入一个跟踪波门，从而引起跟踪错误的现象。7）：误跟踪种类二个同向行驶的目标逐渐靠近二个被跟踪的目标对驶靠近被跟踪目标靠近岸边，则误跟踪到陆地。8）：采取的措施a）拒绝人工录取正在逼近另一个已被跟踪目标的目标b）二个被跟踪目标靠近，ARPA停止跟踪，让波门滑行，直到二者分开。c）跟踪门波内出现2个目标，只跟踪最接近波门中心的目标d）缩小跟踪窗尺寸下列情况ARPA不予跟踪计算：1：目标的相对速度超过限定值 2：目标尽寸大于跟踪窗。3：目标在较远的距离上占据50以上方位宽度。 9）所谓虚警是指把不存在目标判为有目标。所谓漏井是指把存

16、在的目标判为没有目标。ARPA造成漏警的目标可能为： 弱小物标、突然出现警戒圈以内的物标、超过录取内容量而未被录取的物标.。10）跟踪目标超过最大跟踪距离，手动服消，不报警。 l 第三节 碰撞危险判断l 1） 矢量：l 相对矢量：方向表示相对航向，长度表示相对航程。l 真矢量：方向表示真航向，长度表示航程，起点表示起始位置，终点表示预测到达位置。l PPC： 可能碰撞点l PAD： 危险碰撞区。l 本船真矢量进入PAD区，并且TCPAminTCPA。ARPA发出碰撞报警。l 或者目标相对矢量或其延长线穿过minCPA园，并且TCPAminTCPA。ARPA发出碰撞报警。l 2）PPC在VT目标

17、真矢量上，VR目标相对矢量上不产生PPC。l 3） PPC；描述磁撞的可靠性差，对碰撞应以区域描述为好，PAD是在PPC基础上产生的六角形危险碰撞区。l 所以：PAD也产生在V目标真矢量上，V目标相对矢量上不产生PAD区l 4）PPC、PAD形成条件为：l 在本船保速改向，目标船保速保向则须三分钟后。破坏这一前提，如本船改速，或目标船改速/向，则须三分钟后出现新的PPC，PAD区。l l 一般地：目标录取后：1分钟之后出现目标矢量，3分钟后出现PAD区IMO规定；尾迹为8分钟对应4个点。l 矢量时间在0min99min之间可调。l 矢量时间可调的意义在于 用真矢量时，可预测目标及本船的位置。l

18、 5）：关于PAD讨论：PAD=PPC+minCPA+矢量余量与计算误差和船舶尺度有关，余量=300（码）=270（米）另外：PPC在PAD的长轴上，但不一定是PAD的几何中心。PAD的大小，形状，位置与minCPA，二船速度比，二船相对位置，目标船反舷角有关。 PAD在狭水道， 画面不清经过进一步分析，有结论如下，也就是产生二个PPC或PAD的条件：l 常用显示方式l 显示方式可以作任意组合，共可组成12种方式。在转向频繁的狭水道中航行，应选用的显示模式是航向向上 l 在大洋航行中，使用ARPA通常先考虑单目标避碰为主，先用相对运动，相对矢量，航向向上（或船首向上），通常考虑观测定位、标绘时

19、，显示方式为相对运动北向上l 狭水道航行，定位及多目标避让为主，一般选真运动TM，真矢量TV，北向上NU模式。l ARPA 性能标准规定，ARPA 必须有的显示方式为相对运动，北向上 l PAD型特点： （1）便于和海图对照。画面清晰，改向试纵得安全航向直观，目标多时画面不清晰。所以；矢量型适用于狭水道航行，PAD型适用于大洋航行。 （2）有利于做正确避让决策因为目标矢量不随本船转向而变化，不像相对矢量随本向转向而变化l ARPA按照显示器扫描方式分为径向圆扫描和光棚扫描二种。l 对地速度和对水速度的选择：l 导航功能时，要求本船输入的速度是对地速度 l 当ARPA“真运动”显示方式进行避让时

20、，只能使用海面稳定，输入的速度是对水速度 。l 一般地；大洋上航行应输入对水速度（海面稳定），在狭水道航行应：输入对地速度（地面稳定）。 l 对水速度作航迹修正后，可以变为对地速度 。l 在ARPA 对地真运动中，本船航速与实际航速不等 ，已跟踪目标非点目标，都将导致固定目标出现矢量。l 第六节 试操船1试操船定义： 人工输入摸拟航向航速，如果碰撞危险报警解除，则人工输入的航向航速，为安全航向航速，ARPA的这一功能称为“试操船”。l 2试操船方法及效果l 1）RM，RV模式l 用 EBL线改速改向，使RV延长线不和minCPA相交。l 则产生这一效果的新航速l 或航向为安全航速航向。l 此时，声、光、符号警报解除是试操船安全的标志。l 2）RM，TV模式用 EBL线模拟改速改向，使PPC不出现在本船首线上或首线附近。3）PAD型RPA试操用 EBL线改向模拟使首线与目标PAD区不相交。同样地；此时，声光等等警报解除是试操船安全的标志。3. 试操船符号标志及ARPA工作特点：1）显示T，TRIAL，SIM字符，表示正在试操。2）模拟试操画面只保留30（S）3）试操