VTS中雷达和AIS的技术应用与进展解析

VTS中雷达和AIS的技术应用与进展思考测验题1.雷达在VTS中的主要作用是什么？雷达的主要性能指标有哪些？2.比较AIS与雷达在VTS中应用的类似之处。3.总结AIS和雷达在VTS的应用中各自具有的特点。4.*对综合应用雷达和AIS的建议或设想。0VTS的系统结构1雷达技术2雷达数据处理3AIS技术VTS的系统结构VTS系统由前端站点、VTS中心和连接它们的信息传输与网络子系统组成。前端站点有数据采集和通信设备（雷达、VHF、AIS、CCTV、水文气象等）。VTS中心有数据处理和操作显示设备（雷达数据综合处理、管理信息处理、交通显示与控制、多媒体数据记录等）。AIS和雷达的应用类似之处能采集船舶交通信息能对目标进行跟踪所采集信息均由多传感器数据综合处理器处理并在交通显示器上显示所采集信息均由多媒体数据记录器记录所采集信息均引入管理信息处理服务器AIS和雷达在数据种类、精度、目标跟踪机理等方面有不同特点充分发挥各自特点并相互弥补，对VTS的功能扩展和管理水平提高有很大意义。1雷达技术1.1雷达在VTS中的作用1.2雷达作用距离1.3VTS雷达天线1.4频率分集雷达的应用1.1雷达在VTS中的作用1.1.1雷达的用途和基本功能1.1.2雷达的组成1.1.3雷达的主要使用性能1.1.1雷达的用途和基本功能主要用途交通监视及船舶实时动态数据收集。基本功能探测：发现进港船舶并预计到港时间；发现交通事故的潜在危险及锚泊船舶走锚等。定位：测定船舶的地理位置及相对位置。显示：显示水域内交通状况。信息源：向雷达数据处理子系统提供信息，使之能对目标信号进行检测、跟踪和参数计算。基本特点（1）能观察覆盖范围内全景图像（2）能获取目标的动态数据距离和方位数据直接获取，精度较高；航度和航（迹）向数据是由距离、方位数据计算的平均值；目标的大小、艏向等数据估算误差较大；不能识别目标和获取目标的静态信息；（3）监测性能受海浪雨雪等杂波干扰较大1.1.2雷达的组成发射机：工作频率f0和波段λ0、输出脉冲功率PT、脉冲重复频率f、脉冲宽度τ等。接收机：工作频段与选择性、灵敏度Prmin、波形失真（与通带宽度有关）、动态范围、抗干扰性、稳定性等。天线：增益GA、水平波束宽度、垂直波束宽度、旁瓣电平、极化、转速等。显示器：显示雷达数化视频、处理视频（代表目标的各种字符、运动矢量线、航道线、危险符号等）和电子海图等；主要技术指标：显示量程、显示分辨率、显示对比度等。1.1.3雷达的主要使用性能探测范围（通视距离）在实际地面上的水平直视距离。最大作用距离在平面上探测标准反射体能够达到的最大距离。测量精度包括静态测量精度(测距、测方位)和动态测量精度（测距、测方位、测航速、测航向）。分辨力区分邻近目标的能力，包括距离分辨力和方位分辨力。1.2雷达作用距离1.2.1雷达通视距离))()((2.2)(0mhmhmilenRAh():Ahm0():hm受地球曲率和大气折射影响，由下式确定岸台雷达天线高度船舶等目标高度通视距离与岸台雷达天线和目标的高度、气象条件等有关，与雷达性能无关。1.2.2自由空间雷达最大作用距离41minr322max)P64(TATfGPRPT：雷达发射功率GA：雷达天线增益λ：雷达工作波长Prmin：接收机门限功率（灵敏度）σT：目标反射截面积最大作用距离与发射功率、接收机门限功率（灵敏度）、天线增益、目标反射截面积等因素有关，是雷达系统整体性能（雷达威力）的体现。1.2.3传播条件对作用距离的影响（1）受通视距离限定通视距离是雷达最大作用距离的极限值。（2）水面或地面对电磁波的反射目标处和雷达天线口径处的场强是直射波和水面反射波的叠加，场强可能增加，也可能减弱，因而影响雷达最大作用距离。（3）电磁波在大气和波导中的衰减a波长λ与大气衰减关系λ＞30cm时，电磁波在大气中损耗小；λ＜10cm时，电磁波在大气中衰减明显。10cm雷达在大气中衰减及受雨雪海浪干扰比3cm雷达小得多，雨雪天气使10cm雷达对减少雨雪干扰和观测较远距离目标会有较好效果。b.最大作用距离与大气衰减关系存在大气衰减时的雷达最大作用距离自由空间雷达最大作用距离电磁波在大气传播中每单位距离的功率衰减，与雨、雾等气象状况有关。max115.0maxmaxRfeRRmax:fR(dB/km):c.电磁波在波导中的损耗电磁波在波导中的损耗会减小雷达最大作用距离，故天线到收发机的波导不宜过长（一般在10～15m以内）。maxRmaxRmaxRmaxRmaxRmaxRmaxRmaxRmaxRmaxRmaxRmaxR1.2.4反射信号和噪声的起伏特性的影响起伏特性影响接收机输入端的信噪比，即影响Prmin，因而影响最大作用距离。起伏特性：目标反射特性、雨雪海浪杂波干扰和接收机内部噪声都具有随机起伏特性。影响：1.2.5增大最大作用距离途径（1）增加发射功率增加发射功率最大作用距离增加缓慢；会使雷达设备复杂化，工作可靠性降低，耗电增加，一般不采用此法（通常为25kW）。目前发射机磁控管实际使用寿命可达9000～16000小时。发射脉冲宽度最窄不小于0.04μs，一般为0.05μs，使距离分辨力的进一步提高受限。（2）提高接收机灵敏度提高接收机灵敏度对最大作用距离的影响较微弱，但没有增加发射功率带来的问题，故接受机前端通过采用低躁声器件等技术，以尽量提高接收机灵敏度（前端躁声≤3.5dB）。接收机框图低噪声射频放大器、前置中频放大器和镜频抑制混频器保证了接收机具有低噪声、高灵敏度性能；所采用的对数放大器动态范围可高达125dB以上。（3）提高天线增益天线增益与最大作用距离为平方根关系，提高天线增益对增加最大作用距离效果较显著。提高天线增益的方法：a.减小水平波束宽度b.减小垂直波束宽度(4)采用圆极化天线圆极化天线可抑制雨雪干扰，使雷达在雨雪天气中作用距离较远，探测目标效果较好。（5）采用分集技术通过分集处理，可以使目标回波增强，雨雪海浪等杂波干扰受到抑制，雷达最大作用距离增大，性能得以提高。分集处理可以采用频率分集、极化分集、空间分集、时间分集等技术，涉及到雷达信号的发射、接收和处理等环节。目前已有用于VTS中的定型产品。1.3VTS雷达天线1.3.1抛物面天线早期使用较多，现很少使用。优：水平尺寸可以较长，使水平波束较窄，可达到0.1°；易实现极化转换，最大辐射方向不随工作频率变化。缺：重量大、风阻大、驱动功率大、副瓣电平较高。1.3.2开缝波导天线现使用较多。优：方向图较好、重量小、风阻小、驱动功率小、副瓣电平低；缺：水平边不能太长，使水平波束不能太窄，目前最长做到22ft。垂直波束（扇形）宽度为14°时，几种天线增益:12ft：32.5dB(0.6°)；18ft：35dB(0.45°)；22ft：36.5dB(0.38°)。减小垂直波束宽度可提高天线增益船用雷达天线一般20°左右。交管雷达天线一般10°～15°。当取11°时，21ft开缝波导天线增益37～38dB（水平波束0.36°）。减小垂直波束宽度需加大天线口径垂直边尺寸。开缝波导天线结构示意图1.3.3圆极化天线圆极化由位于喇叭口的圆极化器产生。圆极化器由多层周期结构的斜置导体条阵列构成，对天线垂直波束内雨滴的后向散射波在全频范围均能有效消除。21ft开缝波导圆极化天线的主要技术指标：垂直波束（扇形）宽度11°，水平波束宽度0.36°，增益38dB。1.3.4倒余割平方天线垂直波束为倒余割平方形优：天线水平方向以上空中辐射小；雷达最小作用距离（近距盲区）小；对远近距离目标照射较均匀。适用于岸用雷达。指标：垂直波束宽度11°，水平波束宽度0.36°，增益38dB（水平极化）或37dB（圆极化）。扇形波束天线与倒余割平方波束天线的盲区角度示意图1.3.5大口径天线口径垂直边尺寸620mm口径面上有圆极化器，垂直波束为扇形波束。在圆极化器内有一仿真透镜，使垂直波束形状较为理想。大口径天线结构技术指标：垂直波束宽度4°，水平波束宽度0.36°，增益42dB。天线重量约450kg，加上旋转单元总重约800kg(普通开缝波导天线约170kg和400kg)。垂直面辐射图1.4频率分集雷达的应用1.4.1应用目的与基本原理1.4.2组成框图1.4.3天线辐射波束的变化1.4.4分集优点1.4.5视频信号处理1.4.6频率分集雷达应用前景1.4.1应用目的与基本原理应用目的抑制杂波干扰，增加雷达作用距离。基本原理多部发射机通过同一天线同时或交替发射不同载频、但脉冲宽度和重复频率完全相同的信号。回波信号经多路相应频率的接收机处理后叠加，再送到显示器。多种频率信号叠加可提高信噪比，降低目标回波起伏，增加雷达最大作用距离，提高雷达的测量精度、抗干扰能力和可靠性。1.4.2组成框图收发机2台。发射机产生功率、脉宽、重复频率相同，但载频不同（9170MHz和9438MHz）的高频脉冲序列，同时或顺序交替发射。接收机分别工作在与发射机相应的频率上，内部组成与常规接收机基本相同。天线1副，2收发机共用。频率分集处理器分别对接收机输出的两路对数视频进行噪声抑制、数字FTC（短时间常数，即微分电路）处理后，进行滑窗检测和积累、合成（相加或相乘）解相关处理。1.4.3天线辐射波束的变化（斜视角）开缝波导天线的水平波束最大辐射方向一般与波导面的法线方向有一小夹角，称之为斜视角。斜视角（Squint）：斜视角大小与频率有关，相应于频率分集的两个不同频率，斜视角分离为F1和F2斜视角分离开缝波导天线的水平波束最大辐射方向一般与波导面的法线方向有一小夹角，称之为斜视角（Squint）。斜视角大小与频率有关，相应于频率分集的两个不同频率，斜视角分离为F1和F2。时间分集斜视角分离性能带来了一个附加优点：不同载频辐射的脉冲因斜视角分离使其辐射方向有一差别，对于旋转的天线来说，相当于对同一方向的辐射延时，两波束之间延时的典型值是20～40ms，一般海杂波发生变化的时间（特别在大风浪时）比此大得多。利用回波进行积累时，不仅提供了频率分集，而且提供了时间分集。1.4.4分集优点随机（起伏）特性目标、雨雪海浪等对电磁波的反射具有随机（起伏）特性，对不同频率和不同时间发射的电磁脉冲的反射性能随机变化。目标反射性能随机变化较慢且小（即相关性强），雨雪海浪反射性能随机变化较快而大（即相关性弱）。积累检测雷达对回波的检测采用积累检测。分集或相关处理基于随机（起伏）特性，使目标回波通过积累合成（进行分集处理或解相关处理）得到加强，而雨雪海浪回波（杂波）通过积累合成（进行分集处理或解相关处理）被减弱，因而信杂比增加。（1）反射随机（起伏）特性和积累检测（2）优点①总辐射功率是非相干集成的两个脉冲功率的总和。②来自许多独立脉冲的信号积累后，目标的起伏性减弱。③目标回波（相关性强）将相加，散射干扰源回波即杂波（相关性弱）将被平均而非相加。综合效果是减弱干扰，增强目标的信杂比。实测结果：比单频收发机工作杂波减弱5～6dB，灵敏度自动增加5dB；带给小起伏目标的收益典型值为6dB，总性能改善可达10～12dB。1.4.5视频信号处理主要作用对输入视频信号进行8bit模数转换、数字处理，并以3种格式输出处理后的视频信号。2路模拟视频信号处理经模数转换（80M采样频率）、扫掠相关（由4次扫掠中的3次形成）和噪声抑制（主要是白噪声）、数字FTC（快时间控制）滤波／微分后，进行扫掠存贮，进入滑窗检测器滑窗检测器处理进行积累和合成处理，包括频率分集运算、斜视角补偿和距离差补偿。在1.4.2组成框图中，海杂波鉴别器（SCD）在3个通道中完成扫描－扫描相关处理。第1通道完成低阈值且超过3次连续扫描的滑窗相关处理，可对低速（典型值≤8节）的极小目标与杂波进行鉴别。第2通道完成低阈值且超过2次连续扫描的滑窗相关处理，可对中速（典型值≤16节）的小目标与杂波进行鉴别。第3通道没有扫描－扫描相关处理，但具有正常的检测阈值用以检测较高速度的目标。检