航海雷達(dá)與ARPA

1、 第一章 基本工作原課第一節(jié) 測距測方位基本原理1測距a）利用電磁波特性：1）.直接傳播（微波波段）2）.勻速傳播（同一媒質(zhì)中）3）.反射特性（在任何兩種媒質(zhì)的邊界面）b）計(jì)算公式:S = C( t2 - t1 ) / 2其中：S：目標(biāo)和本船距離; t1 ：發(fā)射時刻; t2 ：接收時刻 ；C：電波速度；為300000公里/秒 為準(zhǔn)確測量( t2 - t1 ) ，發(fā)射信號包絡(luò)為矩形脈沖。2測向 天線為定向天線，只向一個方向發(fā)射，也只接收這個方向的目標(biāo)回波，實(shí)現(xiàn)這個方向的測距。隨著天波的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)不同方向的測距。 第二節(jié) 基本組成及各部分作用1）觸發(fā)電路： 每隔一段時產(chǎn)生一個尖脈沖，同時送到發(fā)射機(jī)

2、、接收機(jī)、顯示器三部分，使它們同步工作。(觸發(fā)電路決定工作開始的時間)2）發(fā) 射 機(jī)： 觸發(fā)脈沖到來后，立刻產(chǎn)生一個大功率，微波波段，具有一定寬度的脈沖包絡(luò)射頻（雷達(dá)工作頻率,微波波段）的信號。3）發(fā)收開關(guān)： 發(fā)射時；將發(fā)射機(jī)與天線接通，并將天線與接收機(jī)斷開。 接收時；將發(fā)射機(jī)與天線斷開，并將天線與接收機(jī)接通。l 第二章 船用雷達(dá)設(shè)備第一節(jié) 中頻電源設(shè)備 為滿足船用雷達(dá)工作、及工作環(huán)境的要求，雷達(dá)對電源的電壓值、頻率值及各指標(biāo)的穩(wěn)定性均有具體的要求，船舶上存在低頻、高頻電源干擾，有船電負(fù)載多變化大等等現(xiàn)象。采用專門的中頻電源，正是為了防止這些干擾和有害的現(xiàn)象。目前；雷達(dá)電源有中頻逆變器、中頻變

3、流機(jī)組二種。第三節(jié) 雷達(dá)發(fā)射機(jī)一、主要組成及各部分作用1：觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器： 相當(dāng)于時鐘電路，使雷達(dá)各部分同步工作。2調(diào)制器及預(yù)調(diào)制器： 觸發(fā)脈沖一到，預(yù)調(diào)制器輸出具有一定寬度的小功率正方波，控制預(yù)調(diào)制器產(chǎn)生的方波的起始時刻，預(yù)調(diào)制器產(chǎn)生的方波控制調(diào)制器，使調(diào)制器產(chǎn)生大功率負(fù)高壓脈沖。有的雷達(dá)沒有預(yù)調(diào)制器，預(yù)調(diào)制器的功能由調(diào)制器完成。 所以；調(diào)制器是產(chǎn)生高壓的部件。3： 磁控營： 在調(diào)制器輸出的負(fù)高壓作用下，磁控營產(chǎn)生矩形調(diào)制的微波振蕩脈沖.實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，調(diào)制器相當(dāng)于高壓電源。5.2）：磁控營基本結(jié)構(gòu)及工作原理 磁控營是實(shí)現(xiàn)微波振蕩的元件，其結(jié)構(gòu)、工作原理，與實(shí)際使用中的調(diào)試、維護(hù)等等事宜有關(guān)。

4、下面我們扼要介紹之。A：基本結(jié)構(gòu) 陰極和陽極之間的空間, 稱為空腔，空腔內(nèi)為真空?？涨粌?nèi),有永久磁鐵提供的恒定磁場，如圖示。 陰極內(nèi)含有燈絲，加調(diào)制器送來的負(fù)高壓前，燈絲先通電3min，用于加熱陰極，陰極表面有氧化物涂層，加熱使其產(chǎn)生自由電子，能量轉(zhuǎn)換是自由電子完成的，沒有3min加熱，磁控管不能正常工作。B：工作原理 調(diào)制器負(fù)高壓脈沖一到，陰極和陽極之間激起微波振蕩。 陰極附件的自由電子，在飛向陽極過程中，由調(diào)制器提供的高壓，使電子獲得能量。 又在恒定磁場的作用下，把自由電子獲得的能量，傳給微波振蕩，使原本微弱的微波振蕩強(qiáng)大起來。載波頻率采用下列二種：S波段 （29003100）MHZ 10

5、cm（波長）X波段 （93009500）MHZ 3cm（波長） 5.4）：工作狀態(tài)判斷：l 磁控管正常工作時，有穩(wěn)定的陽極電流，所以；能夠輸出穩(wěn)定的大功率微波，氖燈遇大功率微波輻射會發(fā)亮。l 這樣；我們可以采用氖燈法、電流觀察法、雷達(dá)性能監(jiān)視器三種方法來判斷磁控管工作狀態(tài)。l 電流法：l a）：電流值為規(guī)定值，磁控管工作正常。否則為不正常。l 氖燈法：l 氖燈放在距收發(fā)機(jī)波導(dǎo)口1015（cm）處，若氖燈發(fā)亮，說明正常。不發(fā)亮，管子不工作。l 雷達(dá)性能監(jiān)視器 l （后續(xù)章節(jié)介紹）5.5）：磁控管保存及使用： 由于磁化作用，磁控管保存有如下規(guī)定： 木箱內(nèi)，磁控管離鐵磁體至少10cm，二個磁控管之間

6、至少距離20cm。備用磁控管應(yīng)經(jīng)常輪流使用。 5.3）：老練l “老練”是更換磁控管時，為確保設(shè)備安全，要進(jìn)行的一個步驟。l 什么是 “打火” l 磁控營空腔內(nèi)為真空，如果空腔內(nèi)有氣體，高壓會使氣體電離，就會有負(fù)離子飛向陽極，形成陽極電流，這一現(xiàn)象稱為“打火”。l 什么是 “老練”l 氣體一下子全部電離，就會有大量負(fù)離子飛向陽極，形成很大的陽極電流，會損傷陽極。l 逐步加高壓，逐步電離，慢慢去除氣體，可以避免對磁控管的傷害，這一過程稱為老練，步驟如下：l “老練”步驟l a）：先加燈絲電壓半小時。l b）：再加較低的高壓半小時或更長時間，之后加較高的電壓。l c）：若在某電壓燈火，退回先前的電

7、壓，一段時間后，再返回該電壓，若再打火，則再退回，直到不打火，這樣；電壓慢慢向上升，直到額定值。l 老練前提：新管，6個月未用的舊管。l 三特高壓電源的三種開關(guān)l 發(fā)射開并、延時開關(guān)、門開關(guān)三種開關(guān)各自有不同的用處，三種開關(guān)同時合上、高壓才能加到磁控管。1：3分鐘延時開關(guān)： 保護(hù)磁控管2：門開關(guān)： 收發(fā)機(jī)箱的蓋板沒有合上，門開關(guān)斷開，調(diào)制器沒有特高壓電源供電，不能發(fā)射。這樣就確保了人員的安全。3：發(fā)射開關(guān)（雷達(dá)電源：off - Standby）： 由操作人員控制。開啟雷達(dá)電源后，“預(yù)備”指示燈亮，延時開關(guān)，保證在發(fā)射開并合上3分鐘后，再接通。l 第四節(jié) 微波傳輸及天線系統(tǒng) 天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)微

8、波信號的徑向發(fā)射與接收，微波傳輸部件實(shí)現(xiàn)了天線與收發(fā)機(jī)的連接。 微波傳輸及天線系統(tǒng)采用的器件是微波器件，有別于雷達(dá)的其他部分。下面我們予以介紹。 1組成及基本工作原理 天線系統(tǒng)由天線、驅(qū)動電機(jī)、傳動裝置、船首線電路、方位同步發(fā)送機(jī)、波導(dǎo)等組成。各部分作用如下： 1)： 驅(qū)動電機(jī)： 通過傳動裝置，帶動天線、船首線電路及方位同步發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)動。天線約每3秒轉(zhuǎn)一圈。 2)： 方位同步發(fā)送機(jī)： 將天線的轉(zhuǎn)動角信號，送去顯示器，使得顯示器產(chǎn)生的掃描線，掃描線相對于固定方位圈0刻度方向的夾角，與天線發(fā)射方向相對于實(shí)際船首線的夾角相同，如圖示。 3)： 船首線電路： 將產(chǎn)生的船首線信號，送到顯示器，使顯示器顯示

9、出船首線時，恰為天線向?qū)嶋H船首線方向發(fā)射的時刻。如圖示。 4): 天線通過波導(dǎo)，與收發(fā)機(jī)相連。 l 2波導(dǎo)l 雷達(dá)波導(dǎo)由銅制成的內(nèi)部空心外形為矩形的金屬管，天線由窄邊開縫波導(dǎo)構(gòu)成，微波傳輸也由波導(dǎo)完成，所以；我們首先講解波導(dǎo)。l 1）：采用波導(dǎo)的原因：l 天線發(fā)射與接收的信號，均為微波信號，微波信號不能用普通導(dǎo)線傳輸，這是因?yàn)槲⒉ㄐ盘栴l率太高的原因，下面我們分析之，并提出解決的方法。l A: 趨膚效應(yīng)：l 由電磁場理論和天線理論知： 頻率f上升，導(dǎo)致電流集中在表面，中心無電流，相當(dāng)于導(dǎo)電體積減少，電阻上升，電阻熱損耗上升，同時；使輻射增加，這就是所謂趨膚效應(yīng)。所以不能采用普通導(dǎo)線。l 1：采用

10、波導(dǎo)傳輸信號： 雷達(dá)波導(dǎo)由銅制成的內(nèi)部空心外形為矩形的金屬管，按邊的尺寸分為3cm 、10cm二種。 采用波導(dǎo)后（見圖），由電磁場理論知，電流在內(nèi)表面，所以無輻射。 又由于，內(nèi)表面的面積，比普通導(dǎo)線的面積大很多，所以電阻熱損耗很小。2： 采用波導(dǎo)的若干問題2）：波導(dǎo)不能進(jìn)水，l 否則微波加熱積水，使該處發(fā)熱。l 在收發(fā)機(jī)入口處、波導(dǎo)接口處l 加入防水云母片。3）：另由電磁場理論知：l 波導(dǎo)尺寸與電波波長成正比，損耗與電磁波的振蕩模型有關(guān)。l 所以；3cm雷達(dá)采用波導(dǎo)，10cm雷達(dá)因波導(dǎo)太大改用同軸線。l 4）： 收發(fā)機(jī)天線之間的波導(dǎo)管，總長度不宜超過20米，整個波導(dǎo)系統(tǒng)的彎頭不 宜超過5個。l

11、 3天線的方向性 天線由窄邊開縫波導(dǎo)構(gòu)成。這種天線，它輻射的電磁波，其空間分布是怎樣的？ 下面；我們首先介紹天線方向性圖這個基本概念，再介紹輻射電磁波的空間分布。1）：天線方向性圖： 天線方向性圖是表示輻射方向，與該方向輻射強(qiáng)度關(guān)系的圖形?？捎脠鰪?qiáng)表示，也可用功率表示。雷達(dá)三維方向性圖近似為細(xì)長的橄欖球。 場強(qiáng)圖中，最大值的0.707們的二個線段的夾角；或功率圖中，最大值的0.5倍的二個線段的夾角稱半功點(diǎn)寬度。 方向性圖可分為水平方向性圖和垂直方向性圖二種。 2）：水平波束寬度Hl 天線俯視圖中，半功點(diǎn)寬度稱為水平波束寬度。H 2 ，一般H為1左右。 3）：垂直波束寬度v 天線側(cè)視圖中，半功點(diǎn)

12、寬度稱為水平波束寬度。v=15 30 防止船舶搖擺時，丟失目標(biāo)。4）：編轉(zhuǎn)角 方向性圖中最大值方向與天線的輻射平面的法線方向的夾角稱為編轉(zhuǎn)角。編轉(zhuǎn)角與發(fā)射頻率有關(guān)，更換磁控管，編轉(zhuǎn)角將改變。補(bǔ)充： 隙縫波導(dǎo)天線的主瓣軸向與天線窗口法線方向之間約有3.1-4.1的偏差。在安裝天線時應(yīng)加以校正 。應(yīng)調(diào)船首線裝置，使最大值方向與首線一致。5 ）：根據(jù)電磁場理論：發(fā)射頻率愈高，方向性愈尖銳。4：極化電磁波中的電場矢量的方向，稱為極化。船舶雷達(dá)極化有下列三種： 電場矢量沿水平方向振動的，稱水平極化。 電場矢量沿垂直方向振動的，稱垂直極化。 電波的電場矢量，作圓周旋轉(zhuǎn)，稱圓極化。理論分析及實(shí)驗(yàn)表明：l 海

13、浪高0.25（m）；水平極化海浪干擾最小。規(guī)定X波段采用水平極化（包括雷達(dá)，航標(biāo)） 。l 海浪高船首向右舷左舷特點(diǎn)：費(fèi)時間，錄取速度慢。3）：自動錄取排隊(duì)控制：按目標(biāo)距離，方位及發(fā)現(xiàn)時間,編碼從而使之有序地進(jìn)入計(jì)算機(jī)。輔助控制：在排隊(duì)控制處輸入輔助控制，使數(shù)據(jù)有序進(jìn)入計(jì)算機(jī)（能不能進(jìn)，進(jìn)的先后次序）提高錄取的目的性。 l 輔助控制的幾種方法：設(shè)置優(yōu)先區(qū)，如圖I區(qū)II區(qū)III區(qū)設(shè)置限制區(qū)，ARPA拒絕錄取區(qū)如，陸地、島嶼設(shè)置警戒圈，對闖入成圈的目標(biāo)報(bào)警并自動錄取和跟蹤。（已在圈內(nèi)的目標(biāo)不報(bào)警，也不錄?。┳詣愉浫〉娜秉c(diǎn)：容易造成虛假錄取。IMO規(guī)定： 只有人工錄取功能的ARPA，錄取目標(biāo)總數(shù) 10

14、。具有自動人工錄取功能的ARPA，錄取目標(biāo)總數(shù) 20。IMO 規(guī)定；ARPA 有效距離范圍至少為12海里或16 海里。錄取跟蹤，受最大作用距離，最小作用距離，最大速度限制。4）：錄取滿了已后，應(yīng)清除一個不太危險(xiǎn)的目標(biāo)，才能再錄取一個。波門設(shè)置：初始錄取目標(biāo)時，用大波門，初始建立跟蹤后用中波門，進(jìn)入穩(wěn)跟蹤后用小波門。l 5）：自動跟蹤的局限性。目標(biāo)丟失：下列情況容易目標(biāo)丟失a） 目標(biāo)變?nèi)酰ㄒ子谠肼暬煜゜）雜波干擾（雜波目標(biāo)疊合）c）目標(biāo)快速機(jī)動d）機(jī)內(nèi)特大誤差 連續(xù)跟蹤的條件：在10 圈天線掃描中，有5 次能清楚顯示目標(biāo)跟蹤范圍： 一般為1海里至24多海里。 情況不明、或初始階段故用大波門，以

15、后可減小為中、小波門。l 6）：誤跟蹤 二個或二個以上的目標(biāo)，同時落入一個跟蹤波門，從而引起跟蹤錯誤的現(xiàn)象。7）：誤跟蹤種類二個同向行駛的目標(biāo)逐漸靠近二個被跟蹤的目標(biāo)對駛靠近被跟蹤目標(biāo)靠近岸邊，則誤跟蹤到陸地。8）：采取的措施a）拒絕人工錄取正在逼近另一個已被跟蹤目標(biāo)的目標(biāo)b）二個被跟蹤目標(biāo)靠近，ARPA停止跟蹤，讓波門滑行，直到二者分開。c）跟蹤門波內(nèi)出現(xiàn)2個目標(biāo)，只跟蹤最接近波門中心的目標(biāo)d）縮小跟蹤窗尺寸下列情況ARPA不予跟蹤計(jì)算：1：目標(biāo)的相對速度超過限定值 2：目標(biāo)盡寸大于跟蹤窗。3：目標(biāo)在較遠(yuǎn)的距離上占據(jù)50以上方位寬度。 9）所謂虛警是指把不存在目標(biāo)判為有目標(biāo)。所謂漏井是指把存

16、在的目標(biāo)判為沒有目標(biāo)。ARPA造成漏警的目標(biāo)可能為： 弱小物標(biāo)、突然出現(xiàn)警戒圈以內(nèi)的物標(biāo)、超過錄取內(nèi)容量而未被錄取的物標(biāo).。10）跟蹤目標(biāo)超過最大跟蹤距離，手動服消，不報(bào)警。 l 第三節(jié) 碰撞危險(xiǎn)判斷l(xiāng) 1） 矢量：l 相對矢量：方向表示相對航向，長度表示相對航程。l 真矢量：方向表示真航向，長度表示航程，起點(diǎn)表示起始位置，終點(diǎn)表示預(yù)測到達(dá)位置。l PPC： 可能碰撞點(diǎn)l PAD： 危險(xiǎn)碰撞區(qū)。l 本船真矢量進(jìn)入PAD區(qū)，并且TCPAminTCPA。ARPA發(fā)出碰撞報(bào)警。l 或者目標(biāo)相對矢量或其延長線穿過minCPA園，并且TCPAminTCPA。ARPA發(fā)出碰撞報(bào)警。l 2）PPC在VT目標(biāo)

17、真矢量上，VR目標(biāo)相對矢量上不產(chǎn)生PPC。l 3） PPC；描述磁撞的可靠性差，對碰撞應(yīng)以區(qū)域描述為好，PAD是在PPC基礎(chǔ)上產(chǎn)生的六角形危險(xiǎn)碰撞區(qū)。l 所以：PAD也產(chǎn)生在V目標(biāo)真矢量上，V目標(biāo)相對矢量上不產(chǎn)生PAD區(qū)l 4）PPC、PAD形成條件為：l 在本船保速改向，目標(biāo)船保速保向則須三分鐘后。破壞這一前提，如本船改速，或目標(biāo)船改速/向，則須三分鐘后出現(xiàn)新的PPC，PAD區(qū)。l l 一般地：目標(biāo)錄取后：1分鐘之后出現(xiàn)目標(biāo)矢量，3分鐘后出現(xiàn)PAD區(qū)IMO規(guī)定；尾跡為8分鐘對應(yīng)4個點(diǎn)。l 矢量時間在0min99min之間可調(diào)。l 矢量時間可調(diào)的意義在于 用真矢量時，可預(yù)測目標(biāo)及本船的位置。l

18、 5）：關(guān)于PAD討論：PAD=PPC+minCPA+矢量余量與計(jì)算誤差和船舶尺度有關(guān)，余量=300（碼）=270（米）另外：PPC在PAD的長軸上，但不一定是PAD的幾何中心。PAD的大小，形狀，位置與minCPA，二船速度比，二船相對位置，目標(biāo)船反舷角有關(guān)。 PAD在狹水道， 畫面不清經(jīng)過進(jìn)一步分析，有結(jié)論如下，也就是產(chǎn)生二個PPC或PAD的條件：l 常用顯示方式l 顯示方式可以作任意組合，共可組成12種方式。在轉(zhuǎn)向頻繁的狹水道中航行，應(yīng)選用的顯示模式是航向向上 l 在大洋航行中，使用ARPA通常先考慮單目標(biāo)避碰為主，先用相對運(yùn)動，相對矢量，航向向上（或船首向上），通?？紤]觀測定位、標(biāo)繪時，顯示方式為相對運(yùn)動北向上l 狹水道航行，定位及多目標(biāo)避讓為主，一般選真運(yùn)動TM，真矢量TV，北向上NU模式。l ARPA 性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ARPA 必須有的顯示方式為相對運(yùn)動，北向上 l PAD型特點(diǎn)： （1）便于和海圖對照。畫面清晰，改向試縱得安全航向直觀，目標(biāo)多時畫面不清晰。所以；矢量型適用于狹水道航行，PAD型適用于大洋航行。 （2）有