第九講-航海雷達(dá)新技術(shù)

航海雷達(dá)新技術(shù)15一月20231上海海事大學(xué)應(yīng)士君一、

引言航海雷達(dá)一直是用戶群最大的雷達(dá)市場，目前，據(jù)不完全估計(jì)，安裝航海雷達(dá)的各類船舶超過300萬艘，其中約有5萬余艘是屬于SOLAS公約船，中國約有3千余艘；航海雷達(dá)分為兩類：用于船艦導(dǎo)航的船用雷達(dá)和用于港口和海岸事務(wù)的港口雷達(dá)；2004年IMO發(fā)布的雷達(dá)性能指標(biāo)保留了X波段雷達(dá)對雷達(dá)信標(biāo)和搜救應(yīng)答器的兼容，但I(xiàn)MO鼓勵(lì)使用相參雷達(dá)來提高在嚴(yán)重的海雜波條件下對目標(biāo)的檢測，在不超過航海雷達(dá)頻譜限制的情況下，允許發(fā)射3GHz的任意波形。這些技術(shù)得到了國際電信聯(lián)盟ITU的同意。大型船舶配備的綜合船橋系統(tǒng)IBS對航海雷達(dá)提出了更高的要求。23二、SOLAS公約的要求300總噸及以上和全部客船，需裝備：

1臺9GHz雷達(dá)或其他裝置，用于確定和顯示雷達(dá)應(yīng)答器、其他水上船舶、障礙物、浮標(biāo)、海岸線和航標(biāo)的距離和方位，借以助航和避碰；一套電子標(biāo)繪裝置（EPA）或其他裝置，用電子方式標(biāo)繪目標(biāo)的距離和方位，以便確定碰撞危險(xiǎn)；600總噸及以上的雷達(dá)需配備自動(dòng)跟蹤（ATA）裝置；所有3000總噸及以上船舶，需:再配置1臺3GHz雷達(dá)，或第2臺9GHz雷達(dá)，或其他裝置，用于確定和顯示其他水上船舶、障礙物、浮標(biāo)、海岸線和航標(biāo)的距離和方位，借以助航和避碰，并與另一臺雷達(dá)在功能上是獨(dú)立的。第二臺自動(dòng)跟蹤儀（ATA)，或其他裝置，用于自動(dòng)標(biāo)繪其他目標(biāo)的距離和方位，以確定碰撞危險(xiǎn)。并且兩臺系統(tǒng)在功能上是獨(dú)立的。所有10000總噸及以上船舶，需配置：1臺自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀或其他裝置，與1臺指示相對于水的速度和航程的裝置相連，用于自動(dòng)標(biāo)繪至少20個(gè)其他目標(biāo)的距離和方位，以確定碰撞危險(xiǎn)和模擬試驗(yàn)性操縱。注：此為SOLAS2002年修改版。船舶級別和顯示器尺寸的要求：4二、SOLAS公約的要求船舶級別小于500總噸500~10000總噸10000總噸以上最小操作區(qū)域直徑180mm250mm320mm最小顯示區(qū)域195*195mm270*270mm340*340mm自動(dòng)錄取目標(biāo)--是最小錄取目標(biāo)數(shù)203040最小顯示激活的AIS目標(biāo)數(shù)203040最小顯示睡眠的AIS目標(biāo)數(shù)100150200試操船--是5三、

航海雷達(dá)面臨挑戰(zhàn)1、環(huán)境：航海雷達(dá)需要在極端的環(huán)境條件下工作：

在超常的溫度下工作，世界上有些地方的溫度會(huì)低于-40°C；在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)沖擊工作；需要在強(qiáng)降雨、鹽水噴淋下工作；必須經(jīng)受巨大的溫差變化-15~+55°C；極大的動(dòng)態(tài)范圍，必須探測回波截面積從小于1m2到數(shù)萬m2的目標(biāo)；跟蹤目標(biāo)的速度能從0到100kn，在高速船上需要更大的相對速度；安裝在既不固定也不穩(wěn)定的平臺上。62、探測性能：2004年IMO修改了雷達(dá)的性能指標(biāo)，已于2008年7月1日實(shí)施，IMO規(guī)定的探測概率為80%，虛警概率是10-4；三、

航海雷達(dá)面臨挑戰(zhàn)目標(biāo)特點(diǎn)探測距離（海里）目標(biāo)描述海岸線海岸線海岸線SOLAS船>5000gtSOLAS船>500gt海況（米）上至60上至6上至3105.09GHz208（7）611（7）83GHz208（7）611（7）8目標(biāo)類型分布的分布的分布的復(fù)雜的復(fù)雜的配備雷達(dá)發(fā)射器的小型船舶4.05.03.7點(diǎn)目標(biāo)無反射器小于10m的小型船舶2.03.43.0復(fù)雜的典型的導(dǎo)航浮標(biāo)帶角形發(fā)射器的浮標(biāo)典型的水道標(biāo)識器3.53.51.04.6（2）4.9（3）2.03.0（2）3.6（3）1.0點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)目標(biāo)73、雨雪和海浪雜波的影響：三、

航海雷達(dá)面臨挑戰(zhàn)雨雪雜波：

圓極化天線；FTC；3G波段的雷達(dá)；海雜波：STC；相關(guān)處理技術(shù)；高速天線（500r/min）和頻率分集技術(shù)；垂直波束分裂：

由于海面發(fā)射，會(huì)造成垂直波束的分裂，產(chǎn)生棘手的零位問題；4、移動(dòng)的平臺：船舶的六自由度運(yùn)動(dòng)增加了船舶在航向和速度上的誤差；雷達(dá)取得的數(shù)據(jù)精度將受到影響。8三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢1、天線：天線旁瓣性能要求：雷達(dá)類別最大旁瓣電平（dB）±10°以內(nèi)±10°以外SOLAS-23-30非SOLASA類-20-23非SOLASB+C類-18-199三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢2、倒余割平方天線：垂直波束為倒余割平方形。

特點(diǎn)：天線水平方向以上空中輻射?。焕走_(dá)最小作用距離（近距盲區(qū)）?。粚h(yuǎn)近距離目標(biāo)照射較均勻。適用于岸用雷達(dá)和大型船舶。10三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢3、大口徑天線：

口徑垂直邊尺寸620mm。

特點(diǎn)：天線垂直波束窄（4°），增益大（42dB

）11三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢4、頻率分集

應(yīng)用目的

抑制雜波干擾，增加雷達(dá)作用距離。

基本原理

多部發(fā)射機(jī)通過同一天線同時(shí)或交替發(fā)射不同載頻、但脈沖寬度和重復(fù)頻率完全相同的信號。回波信號經(jīng)多路相應(yīng)頻率的接收機(jī)處理后疊加，再送到顯示器。多種頻率信號疊加可提高信噪比，降低目標(biāo)回波起伏，增加雷達(dá)最大作用距離，提高雷達(dá)的測量精度、抗干擾能力和可靠性。12三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢13開縫波導(dǎo)天線的水平波束最大輻射方向一般與波導(dǎo)面的法線方向有一小夾角，稱之為斜視角。斜視角（Squint）：斜視角大小與頻率有關(guān)，相應(yīng)于頻率分集的兩個(gè)不同頻率，斜視角分別為F1和F2三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢斜視角分離性能帶來了一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)：不同載頻輻射的脈沖因斜視角分離使其輻射方向有一差別，對于旋轉(zhuǎn)的天線來說，相當(dāng)于對同一方向的輻射延時(shí)，兩波束之間延時(shí)的典型值是20～40ms，一般海雜波發(fā)生變化的時(shí)間（特別在大風(fēng)浪時(shí)）比此大得多。利用回波進(jìn)行積累時(shí)，不僅提供了頻率分集，而且提供了時(shí)間分集。14分集優(yōu)點(diǎn)①總輻射功率是非相干集成的兩個(gè)脈沖功率的總和。③目標(biāo)回波（相關(guān)性強(qiáng)）將相加，散射干擾源回波即雜波（相關(guān)性弱）將被平均而非相加。綜合效果是減弱干擾，增強(qiáng)目標(biāo)的信雜比。

實(shí)測結(jié)果：比單頻收發(fā)機(jī)工作雜波減弱5～6dB，靈敏度自動(dòng)增加5dB；帶給小起伏目標(biāo)的收益典型值為6dB，總性能改善可達(dá)10～12dB。②來自許多獨(dú)立脈沖的信號積累后，目標(biāo)的起伏性減弱。三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢15三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢5、固態(tài)雷達(dá)鑒于傳統(tǒng)的航海雷達(dá)（非相參單脈沖機(jī)制）無法在抑制干擾探測小目標(biāo)方面取得根本性的突破。ITU推薦采用脈沖壓縮機(jī)制或WIMAX技術(shù)來解決海雜波背景中檢測小目標(biāo)的難題；航海雷達(dá)制造商把最初為寬帶通信鏈路研制的氮化鎵以及其他微波功率半導(dǎo)體應(yīng)用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)以取代磁控管；移動(dòng)通信的需求不斷對ITU確定的航海雷達(dá)頻譜限制施加了壓力，而固態(tài)雷達(dá)的峰值功率（200W左右）與傳統(tǒng)的雷達(dá)（30Kw左右）相比，頻譜干擾電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低了。英國的KelvinHughes的SharpEyeTM是固態(tài)相參雷達(dá)的一個(gè)成功例子，它是第一個(gè)符合IMO要求的系統(tǒng)。峰值功率170W，占空比10%。16三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢6、SharpEyeTM全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)：沒有磁控管了！接收機(jī)17

全固態(tài)脈沖壓縮脈沖多普勒功率合成恒虛警雜波圖連續(xù)動(dòng)目標(biāo)檢測提高動(dòng)態(tài)范圍、距離分辨率增強(qiáng)了雷達(dá)的干擾抑制性能用脈沖壓縮技術(shù)，全固態(tài)雷達(dá)的距離分辨率可以達(dá)到15m（所有量程）。圖中的大船與小船均可清晰顯示，而磁控管雷達(dá)無法達(dá)到這樣高的分辨率。三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢18三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢窄脈沖>30,000W19三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)的長脈沖170W20三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢全固態(tài)脈沖壓縮脈沖多普勒功率合成恒虛警雜波圖連續(xù)動(dòng)目標(biāo)檢測大幅提高雨霧和海雜波環(huán)境下目標(biāo)檢測和跟蹤的性能21三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢目標(biāo)雨雪陸地海面0-10-20-30-606121824功率(db)速度(m/s)22三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢目標(biāo)船舶高度:2m傳統(tǒng)X波段雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率距離(nm)1.00.510523三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢目標(biāo)船舶高度:2m固態(tài)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率距離(nm)1.00.510524三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢在80%發(fā)現(xiàn)概率，和恒虛警10-4的情況下，傳統(tǒng)S波段雷達(dá)最遠(yuǎn)檢測目標(biāo)至2nm，而固態(tài)S波段雷達(dá)可以檢測到最遠(yuǎn)5.5nm的小目標(biāo)（0.5m2，高雜波環(huán)境下）。25三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢在80%發(fā)現(xiàn)概率，和恒虛警10-4的情況下，傳統(tǒng)X波段雷達(dá)難以檢測到小目標(biāo)，而銳眼X波段固態(tài)雷達(dá)可以檢測到最遠(yuǎn)7nm的小目標(biāo)（0.5m2，高雜波環(huán)境下）。26三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢全固態(tài)脈沖壓縮脈沖多普勒功率合成恒虛警雜波圖連續(xù)動(dòng)目標(biāo)檢測S波段與X波段收發(fā)機(jī)均可達(dá)到MTBF超過50000小時(shí),X&S二合一全固態(tài)雷達(dá)系統(tǒng)可用率超過99.9%X波段全固態(tài)雷達(dá)擁有13級全固態(tài)功率放大器，銳眼S波段全固態(tài)雷達(dá)擁有2級全固態(tài)功率放大器更好的海雜波抑制效果和目標(biāo)檢測與跟蹤跟蹤效果銳眼雷達(dá)是全固態(tài)脈沖多普勒雷達(dá)，因此與傳統(tǒng)雷達(dá)相比具有很低的射頻脈沖發(fā)射功率，通常在占空比為10%的情況下峰值功率為170w，這樣高的負(fù)荷比，來源于發(fā)射機(jī)的新型設(shè)計(jì)和脈沖壓縮技術(shù)，因此在接收機(jī)接收時(shí)，假定脈沖壓縮比1000：1的情況下，就可以獲得170kw峰值發(fā)射功率的同等接收性能效果。27三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢檢測性能：28三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢29當(dāng)三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢30三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢31三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢JRC固態(tài)雷達(dá)：32三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢33三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢34三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢35三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢36三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢◆100mW超低發(fā)射功率，微波輻射量小于移動(dòng)電話的輻射量◆海浪/雨雪抑制優(yōu)于磁控管常規(guī)脈沖雷達(dá)五倍以上

◆畫面清晰，近距避碰無盲區(qū)和失真圖像◆按鍵即可發(fā)射，省去磁控管常規(guī)脈沖雷達(dá)預(yù)熱時(shí)間◆近距目標(biāo)分辨率高（超過一般X-波段雷達(dá)）

◆全自動(dòng)設(shè)置無須人工調(diào)諧BR24型近距防碰固態(tài)雷達(dá)37三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢Broadband雷達(dá)17W4KW脈沖雷達(dá)三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢7、硬件和操作系統(tǒng)采用圖形工作站的硬件平臺漸漸成為主流方式，采用成熟的工控硬件平臺可以大大縮短新技術(shù)雷達(dá)硬件的開發(fā)時(shí)間；ARM+DSP+GSP在小型雷達(dá)研發(fā)上具有廣闊的前景；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Qnux和vxWorks）和嵌入式操作系統(tǒng)（Linux）已經(jīng)成為新技術(shù)雷達(dá)主要的操作系統(tǒng)。成熟的硬件平臺和操作系統(tǒng)使得雷達(dá)的接口技術(shù)更成熟、可靠和穩(wěn)定，更適應(yīng)綜合船橋系統(tǒng)IBS的性能要求。39三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢8、雷達(dá)界面由于大多新技術(shù)雷達(dá)都具有操作系統(tǒng)；雷達(dá)的操作界面逐漸趨向窗口化的圖形界面，虛擬鍵盤和跟蹤球成為主要的輸入設(shè)備，物理控制鍵逐漸減少；需要確定一致公共參考點(diǎn)（CCRP），并在雷達(dá)顯示器上顯示一個(gè)成比例的本船；必須顯示本船的船位、參考坐標(biāo)系；提供2個(gè)活動(dòng)距標(biāo)圈（VRM）、2根電子方位線（EBL）和4根平行線（PI）；必須具有導(dǎo)航線、地圖功能和航線功能；三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢41三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢9、海圖雷達(dá)根據(jù)IMO關(guān)于綜合船橋系統(tǒng)IBS的性能指標(biāo)的要求，IBS至少必須配備一套CHARTRADAR；采用官方矢量數(shù)據(jù)（ENC）作為雷達(dá)圖像的底圖；必須定期更行官方海圖數(shù)據(jù)（ENC）；通過網(wǎng)絡(luò)共享海圖數(shù)據(jù)；具有TCS功能；42三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢43三、

航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢10、AIS數(shù)據(jù)的集成任何被選擇的跟蹤目標(biāo)必須顯示：數(shù)據(jù)來源，真距離，真方位，CPA，TCPA，真航向，真速度；

任何被選擇的AIS