航海雷达与ARPA

航海雷达与ARPA吴建华2014.9航海雷达，装在船上用于航行避让、船舶定位、狭水道引航的雷达，亦称船用雷达。航海雷达在能见度不良时为航海人员提供了必需的观察手段。它的出现是航海技术发展的重大里程碑。发展简况•1904年德国工程师胡尔斯迈耶制成能发射和接收电磁波以探测船舶的装置，但因作用距离不到1英里，未引起重视。•1935年法国班轮“诺曼底”号最先安装航海雷达，其天线不能旋转，用以探测前方冰山。•第二次世界大战期间，研制了厘米波对海雷达。•1940年英国人兰德尔和布特制成空腔磁控管，解决了微波源问题。•1941年美国首先制成带有平面位置显示器的脉冲微波海面搜索雷达。这种雷达在第二次世界大战的反潜艇作战中发挥了重大作用，战后用作商船航海雷达，以保证航海安全。发展简况•60年代末到70年代初出现了自动雷达标绘仪，进一步发挥了雷达在避碰上的作用，得到广泛应用。•《1972年国际海上避碰规则》规定了正确使用雷达和进行标绘的要求。•《1974年国际海上人命安全公约1981年修正案》规定了不同吨位船舶安装雷达和自动雷达标绘仪的台数和日期。•国际海事组织也先后通过航海雷达和自动雷达标绘仪的性能标准。基本概念雷达:——Radar——Radiodetectionandranging——无线电探测和测距。定义：雷达是一种通过发射电磁波和接收回波，对目标进行探测和测定目标信息的设备。电磁波特性直线传播二次辐射（反射）目标雷达目标雷达所能发现的所有目标。船舶岛屿（陆地）浮标海浪杂波雨雪杂波目标信息相对位置（距离和方位）真速度真航向CPA（ClosestPointofApproach)TCPA(DistancetoCPA)(1)避碰距离，方位，速度，航向...测量目标参数(2)无视线限制(1)远距离探测尽早发现目标三个主要用途:(2)定位导航海上雷达的用途雷达/ARPA,ECDIS,GPS/DGPS和自动舵构成的自动船桥系统是未来主要的导航系统雷达结构及其工作原理雷达影像失真的特点及其产生原因影响雷达正常观测的诸要素雷达测距/测方位雷达定位与导航雷达航标雷达考核内容第一章基本工作原课第一节测距测方位基本原理方向扫描量程:回波(at10nm)Δt＝123.5μs荧光屏边缘本船目标岛屿12nm目标90°245°245EBL901802700方位标志海图平面雷达平面Fig.距离与方位测量扫描线固定距标圈HL岛屿本船雷达不能“感知”目标的背面，因此目标的后沿是不可见的.1.雷达测距原理Δt:往返于天线与目标的时间,C:电磁波在空间传播速度3×108m/s。2.雷达测向原理借助于定向天线－扫描.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，实现这个方向的目标的探测。随着天线的旋转，实现不同方向目标的探测。雷达的测距与测向原理1tCRΔ2×=天线的旋转会不会影响电磁波的接收？1船用雷达是建立在无线电波在任何两种媒质的边界面上必然产生反射，以及＿＿＿等基本传播特性的基础上的。A无线电波的传播是沿地表进行的B无线电波的传播是沿直线进行的C无线电波的传播速度是常数DB+C2电磁波在真空中传播的速度是＿＿＿。A3Xl06米/秒B3X107米/秒C3X108米/秒D3Xl09米/秒3船用导航雷达发射的电磁波属于哪个波段____.A长波，B中波，C短波，D微波4.船用导航雷达可以测量船舶周围物标的____.A方位、距离B高度、厚度C水下深度DA+B+C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、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）收发开关：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。天线显示器触发电路接收机方位同步系统产生的方位信号收发开关发射机雷达电源船电触发电路输出发射机输出接收机输入接收机输出显示器扫描示意天线显示器触发电路接收机方位同步系统产生的方位信号收发开关发射机雷达电源船电4）天线：把发射机送来的微波能量聚成细束朝一个方向发射出去，同时只接收从该方向反射的回波。5）接收机：将天线送来的回波信号，进行混频、放大、检波处理。得到表示目标大小的视频信号。6）显示器：在屏上产生一条径向亮线，叫扫描线，该扫描线随天线同步转动，用径向亮线上的加亮点，来显示目标的存在，中心点代表本船。亮点到中心点的距离，方位可以在屏幕上直接测量得到。触发电路输出发射机输出接收机输入接收机输出显示器扫描示意固定方位圈0°刻度方向船首线扫描线实际的船首线天线的辐射方向（很尖锐）显示器俯视图船舶天线俯视图ββ5控制雷达整机同步工作的是____。A电源B扫描电路C触发脉冲D收发开关6正常开启雷达，设雷达一切电压正常，但发射机不工作，荧光屏上没有扫描线，应首先查____。A各种保险丝B发射机C显示器D触发脉冲7船用雷达是一种雷达。A调频B调幅C脉冲D连续波8船用雷达工作频率是指每秒钟：A触发脉冲的次数B脉冲重复次数C发射脉冲次数D发射脉冲的射频振荡次数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、中频变流机组二种。主要技术要求1）船电变化±20%，中频电源输出电压变化±5%。（稳压，雷达的要求）2）能24小时连续工作，适应温差大，温度高，盐雾重的环境。（雷达工作环境的要求）3）中频电源频率为400~2000（Hz）。雷达电源应在船电电压变化____的情况下，输出的中频电位变化应小于士5%。A士10%B士15%C士20%D士25%船用雷达需要的电源电压为:A直流11O伏B交流22O伏C交流380伏D中频交流电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：产生触发脉冲，使雷达各部分同步工作。触发脉冲产生器中频电源去接收机去显示器预调制器调制器磁控管去接收机去天线①③②④特高压电源低压电源门开关自动延时开关发射开关高压保险丝收发机险丝中频电源延时调整T触发脉冲预调制器脉冲调制器脉冲矩形调制的微波振荡(磁控管输出)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。触发脉冲产生器中频电源去接收机去显示器预调制器调制器磁控管去接收机去天线①③②④特高压电源低压电源门开关自动延时开关发射开关高压保险丝收发机险丝中频电源延时调整3：磁控管：在调制器输出的负高压作用下，磁控管产生矩形调制的微波振荡脉冲送至天线，调制脉冲相当于高压电源。触发脉冲产生器中频电源去接收机去显示器预调制器调制器磁控管去接收机去天线①③②④特高压电源低压电源门开关自动延时开关发射开关高压保险丝收发机险丝中频电源延时调整雷达调制器的任务是，在触发脉冲作用下，产生____脉冲加到____。A正高压矩形，磁控管阳极B负高压矩形，磁控管阴极C正高压梯形，磁控管阳极D负高压梯形，磁控管阴极船用雷达发射机的组成中，除了调制器外，还有一个重要的微波器件是____。A收发开关管B速调管C磁控管D混频晶体管船用雷达产生大功率超高频脉冲的元件是____。A本机振荡器B收发开关C天线D磁控管雷达磁控管在调制脉冲作用下，产生发射脉冲，该发射脉冲的峰值功率＿＿＿，平均功率＿＿＿。A很大，很大B很大，很小C很小，很大D很大，稍小磁控管基础知识：磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。加一万伏特高压脉冲5.2）：磁控管基本结构及工作原理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，磁控管容易损坏。阴极空腔阳极永久磁铁提供的恒定磁场阴极：内含灯丝（加热阴极）微波输出装置磁控营输出载波（微波）有几十个振荡周期，周期个数，要保持恒定。超高频振荡脉冲矩形包洛磁控营输入一万伏左右5.2）：磁控管基本结构及工作原理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。阴极产生的自由电子，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—（2900~3100）MHZ—10cm（波长）X波段—（9300~9500）MHZ—3cm（波长）阴极空腔阳极永久磁铁提供的恒定磁场阴极：内含灯丝（加热阴极）微波输出装置磁控营输出载波（微波）有几十个振荡周期，周期个数，要保持恒定。超高频振荡脉冲矩形包洛磁控营输入一万伏左右5.4）：工作状态判断：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。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。①电流法：a）：电流值为规定值，磁控管工作正常。否则为不正常。阴极空腔阳极永久磁铁提供的恒定磁场阴极：内含灯丝（加热阴极）微波输出装置5.4）：工作状态判断：②氖灯法：氖灯放在距收发机波导口10~15（cm）处，若氖灯发亮，说明正常。不发亮，管子不工作。③雷达性能监视器（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，二个磁控管之间至少距离20cm。备用磁控管应经常轮流使用。阴极空腔阳极永久磁铁提供的恒定磁场阴极：内含灯丝（加热阴极）微波输出装置5.6）：老练“老练”是更换磁控管时，为确保设备安全，要进行的一个步骤。什么是“打火”磁控管空腔内为真空，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”。什么是“老练”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。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：阴极空腔阳极永久磁铁提供的恒定磁场阴极：内含灯丝（加热阴极）微波输出装置5.6）：老练“老练”步骤a）：先加灯丝电压半小时。b）：再加较低的高压半小时或更长时间，之后加较高的电压。老练前提：新管，6个月未用的旧管。阴极空腔阳极永久磁铁提供的恒定磁场阴极：内含灯丝（加热阴极）微波输出装置三．特高压电源的三种开关发射开关、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。触发脉冲产生器中频电源去接收机去显示器预调制器调制器磁控管去接收机去天线①③②④特高压电源低压电源门开关自动延时开关发射开关高压保险丝收发机险丝中频电源延时调整检查雷达发射机工作是否正常，可以检查：A混频晶体电流B磁控管工作电流C荧光屏上是否有背景杂波斑点