船舶交通管理系统VTS3(130823)

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。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（activeradar）：雷达向空间发射无线电波，利用后向散射探测目标，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3108m/s；1s相当于150m。R21CtR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控制单元收发机A收发机B显示器信息传输或数据处理子系统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：40―50Nmile；航道监视雷达：10-20Nmile；港区泊位和船舶动态监视：10Nmile。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：5-6Nmile（浓雾，中型浮标，Pd≥95%）;8-10Nmile（浓雾，10m长小船，Pd≥95%）;14Nmile（浓雾，中型船舶，Pd≥95%）;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(kφA)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。hohARminφA3、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：RtcccRR2cRt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。RtcccRR2（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）：Ato)25.02.0(p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）：RRDdSW28p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。（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。)(2RcvdcrRv（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0.2º-0.5º。时）（当，；时）（当，dddAAminAmin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），高分辨力；10cm（S波段），高的抗雨雪衰减能力。2、天线性能(1)天线水平波束宽度θA；(2)天线垂直波束宽度和形状；(3)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θAθA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。AAALk(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5˚~15˚，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。θA=k•/LAk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10~20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θο即为方位量化单元。目前交管雷达的方位单元数一般为4096。PN36003、发射机性能1）脉冲宽度τ2）脉冲重复频率F3）发射功率PT1）脉冲宽度τ取决于以下因素：a.为了增大作用距离，τ应大；b.为了提高距离分辨力，τ应小；c.为了减小海浪、雨雪等杂波干扰功率，τ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：0.03-0.1s港外探测：0.1-2s目前交管雷达2）脉冲重复频率Fa.保证探测距离的要求式中，Rsw:最大扫描距离b.增大最大作用距离，应提高F式中，τ：发射脉冲宽度；Pa：平均功率；PT：发射脉冲功率。CRSW22.1T1FFPTaP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，ΩA：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：1000~4000Hz港外搜索与监视：500~2000HzFA3FmamPPPP即TF3）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：25~50KW目前交管雷达：PT=港内监视：25KW以下FTmPP4、接收机性能1）接收带宽ΔfI∶港外搜索与监视：5~20MHz港内监视：20~30MHz2）噪声系数FN：≤4.5dB3）灵敏度Prmin：港外搜索与监视：优于10-11W港内监视：优于10-13W4）增益G：≥110dB5）动态范围：≥120dB5、显示器1）屏幕器尺寸：2129英寸2）显示分辨率：1600×1280或2000×20003）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。LAHIEλg/2λg/2LA1)水平波束式中：λ―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LAθA，一般，LA5米。o.95°o.25°0.43°θA2.4m9.5m5.4mLAAALk2)垂直波束天线垂直波束为：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；τ≥（2~4）Tr=(2~4)LA/Vgτ：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IPNIsIcZ差接与放大整形方位码盘IsIcZIpN§3.3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.基本结构调制器触发脉冲发射脉冲磁控管调制器结构框图限制器储能元件磁控管触发脉冲高压电源调制器脉冲变压器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：MTBF≥10000h;固态调制器：MTBF≥20000h；发射机整机：：MTBF≥6000h;3.主要特点优点：结构简单，成本低，可靠性高；缺点：脉冲宽度τ不能做的很小，一般τ0.02us。由于τB≈1，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.基本结构压控振荡器模拟式线性调频脉冲压缩雷达构成框图高频功放混频整形边带倒置Sinc包络窄脉冲产生收发开关本振高放混频中放压缩网络包络检波限宽网络加权网络SAWH(t)SAWH(t)W(t)输出2.技术水平工作波长：X（9.2~9.5GHz）或S（2.9~3.1GHz）；输出峰值功率：峰值功率≥170W；脉冲压缩比：≥660：1脉冲宽度：0.1~100μs；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：MTBF≥50000小时3.主要特点1）由于τB1，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τB1，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，具有较高的杂波抑制能力。3）由于采用数字