第五章 雷达定位与导航

第五章雷达定位与导航雷达定位就是用雷达测出物标的距离和／或方位，在海图上作图求出自己的船位。要船位准确就要做到：(1)物标要认得准、选得合适；(2)测量方法要正确；(3)测量数据要准；(4)测量速度要快第一节物标的雷达图像雷达是用以一定速度(15—30r／min)匀速顺时针旋转的定向天线向外发射具有一定宽度的(o．05—2us)超高频无线电脉冲波并定向接收从物标反射回来的回波，由显示器根据电波从天线至物标间往返所经历的时间计算的距离及接收天线送来的方位信号，以加强亮点的方式在荧光屏上显示物标的相对于本船的距离和方位。因此，物标的雷达图像不同于物标实际的形状。也不同于海图上标志的形状。主要区别有如下几个方面：一、雷达图像是平面位置图像从雷达的工作原理可知，在雷达荧光屏上显示的是物标相对于本船(天线)的方位和距离，不能显示物标的高度、厚度和水下的深度。如图5—1—1所示的小岛，雷达显示屏上仅显示小岛迎向雷达天线一侧各点相对于天线的方位、距离的回波亮点的组合，它的形状近似于小岛迎向天线一侧侧面在与天线高度相等的水平面上的垂直投影面形状。二、图像的径向(距离)扩展和缩小1．径向缩小由于雷达地平和较高物标的遮挡效应(阴影扇形)的影响,物标回波图像的径向长度会比实际长度短。因为雷达波不能穿透物标，所以不能探测到物标背后的物标，如山脊后面部分的山坡不能被探测到，小岛回波的径向长度比小岛实际的径向长度缩短了。因为地球是圆的，雷达波又是直线传播的，所以雷达的探测距离是有限的。考虑了地球曲率、天线高度以及大气对无线电波的折射影响，雷达波在标准大气折射条件下的地平范围为：DR=2.23√hh-天线在海面上的高度，单位为m。Dmax=2.23(√h1+√h2)此外，由于物标边缘反射性能差、雷达性能差及控钮调节不当等原因也可能使物标边缘丢失，造成回波图像的径向缩小。回波图像的径向缩小会提高雷达的距离分辨率，但会丢失物标的前、后沿回波，如不注意，会影响测距的准确性。2．径向扩展发射脉冲宽度τ、接收机通频带宽度△f以及荧光屏光点直径d会使物标回波在半径方向上产生扩展。现以点物标为例进行说明。宽度为τ的发射脉冲打到点物标时，显然，回波的宽度也为τ。宽度为r的回波脉冲通过接收机放大时，会使回波宽度失真变形，增加约1／△f的宽度，这样，一个点物标的回波宽度变成C(τ+1／△f)／2。显示器荧光屏在显示物标回波时，是由扫描光点的移动形成的。这样，会使回波沿半径方向向里和向外各伸展半个光点直径。荧光屏上一个光点直径相当于海面上的实际距离为2R·d／D，则点物标回波两端各伸展的距离为:R·d／D式中：R—量程；d—光点直径；D——荧光屏直径。综合起来说，一个点物标将沿半径方向向内伸展Rd/D的距离，向外伸展C(τ+1／△f)／2+Rd/D的距离，如图5—1—4所示。此外，目标闪烁和控钮调节不当等也可能引起物标雷达回波图像的径向扩展。物标回波图像的径向扩展降低了雷达的距离分辨率，可能使相邻的两个物标回波连成一个回波，也降低了雷达的测距精度，但可提高雷达的探测能力。二、图像的横向(方位)扩展和缩小1横向缩小如前述，雷达地平和阴影扇形的影响会使回波图像的横向宽度缩小。此外，由于物标两端的反射性能差、雷达性能差以及控钮调节不当也会使物标两端的回波减弱，乃至丢失，造成整个物棕图像的横向宽度缩小。从显示器荧光屏上物标回波形成的过程看，回波亮度的分布是中间亮度最强。两侧较暗。若扫描亮度、增益控钮稍些，波的两侧边缘也会向中缩。物标回波图像的横向缩小可提高雷达的方位分辨率，但可能丢尖物标的真正边缘．造成雷达测方位的误差。2．横向扩展物标回波在荧光屏上显示时也会产生横向扩展．其主要原因是天线的水平波束宽度θH和荧光屏的光点直径d。(1)水平波束宽度的影响雷达天线发射的超高频脉冲是有—定的水平波束宽度θH的。当天线按顺时方向旋转时，波束的右边沿先接触点物标。此时，将有回波返回。在接着的旋转过程中，一直会有回波返回，直到波束的左边沿离开该点物标时为止。这样，荧光屏上点物标将被展宽成宽度为θH的弧形回波，如图5—1—5所示，即一个点物标回波将两侧各伸展了θH／2的角度。(2)光点直径的影响从显示器荧光屏显示物标回波的原理可知，由于荧光屏光点直径的影响要使物标回波向两侧各扩展半个光点直径(d／2)的张角α(见图5—1—5)其值为：式中：α=57゜、3（d*2R/D*RT）/2=57゜、3（d*R/D*RT）d一光点直径；D一屏直径；R一量程；RT—点物标离本船的距离。(3)波束宽度θH及光点直径d引起的图像方位扩展大小的比较由上述())和(2)可知，不管物标在荧光屏上哪个位置，由θH引起的方位扩展均是θH/2。光点直径d引起的影响则不同：光点离扫描中心越近，光点直径d引起的方位扩展越大；光点离扫描中心越远，光点直径引起的方位扩展越小。假定在某处，光点直径d引起的方位扩展(角度)与水平波束宽度θH相等，则有：θH=57゜、3（d*2R/D*RT）物标回波光点在1/4屏半径处，光点直径引起的方位扩展与水平波束宽度相同。RTR／4时，光点直径引起的方位扩展将大于水平波束宽度；而为RTR／4时，则反之，如图5—1—6所示。引起物标回波方位扩展的因素除了上述两个主要因素之外，还有目标的闪烁以及控钮的调节不当等原因。物标回波图像的横向(方位)扩展虽然可提高雷达探测物标的能力，但降低了雷达的方位分辨率和测方位精度。第二节雷达干扰和假回波一、雷达干扰船用导航雷达的荧光屏上除了显示实际物标的回波外，还会显示一些干扰杂波，影响正常的雷达观测。这些干扰杂波主要是海浪干扰、雨雪干扰、同频雷达干扰、电火花干扰以及明暗扇形干扰等，面简单介绍它们的特点及抑制的方法。1．海浪干扰海浪反射雷达波产生的干扰杂波称为海浪干扰。其特点是：(1)近处海浪回波非常强，但随着距离的增加，强度按距离的指数规律(1／R4)急剧减弱。一般风浪时，海浪干扰范围可伸展到6—8nmile，大风浪时可达8—10nmile。(2)海浪干扰的强度还与相对风向有关，上风舷强且伸展得远。(3)海浪干扰的特征是在扫描中心周围呈鱼鳞状亮斑，而风浪大时会变成辉亮实体，淹没其中的弱小物标回波。幅度较大的长涌，可在屏上见到一条一条的浪涌回波。(4)海浪干扰的强弱还与雷达的—一些技术参数有关：天线高度高、垂盲波束宽度宽，则入射余角大，海浪干扰强；水平波束宽、脉冲宽度宽，则雷达波照射海浪的面积大。回波就强；海面平静时，水平极化波的海浪干扰弱，垂直极化波的干扰强；海面有浪(浪高在1—3m)时。则相反，垂直极化波的海浪干扰弱些。此外，海浪回波的大小还与发射频率、天线转速等因素有关；频率高，转速慢，海浪干扰就强。很强的海浪回波会淹没海浪回波覆盖区内的物标回波，甚至会使接收机产生饱和或过载，使其失去放大能力而丢失物标回波。抑制海浪干扰的方法有：(1)使用STC钮，减低中频放大器的近距离增益，以抑制近距离很强的海浪干扰，而随着距离的增加，该电路逐渐恢复中频放大器的增益，不会影响对中、远距离物标的探测。不过，使用STC后可能丢失近距离的弱小物标回波。应特别注意不要抑制过大，而且要加强其他方法的嘹望。(2)选用S波段雷达进行规测，但S波段雷达分辨率比X波段差。(3)选用对数(LOG)中频放大器进行观测，但使用对数放大器后会损失测能力会下降，故好天气不应使用它。(4)选用恒虚警率处理(CFAR)电路亦能较好地抑制海浪干扰，但是，使用CFAR处理电路后，也会损失一定的虚警率，丢失强回波后的弱小物标回波。(5)有些雷达，还可采用快转速(80r／min)天线抑制海浪干扰，但它也会损失雷达灵敏度，减弱探测能力。2．雨雪干扰降水不仅使雷达波产生衰减，而且还会产生反射形成干扰杂波。干扰呈密集点状回波群，无明显的边沿，像疏松的棉絮一样。—般雨量下，雨回波的强度比船舶、陆地等的回波弱。但热带大暴雨的回波会变成一块亮饼，极难与小岛回波分辨开来。雨雪干扰的强度不仅与降雨量大小有关，还与雷达波长、脉冲宽度及天线波束宽度等有波长越短，干扰越强，脉冲越宽，波束越宽，干扰越强，干扰的强弱与降雨区的面积无关。抑制雨雪干扰的方法有：(1)使用FTC(微分)电路并适当减小增益，可较好地抑制雨雪干扰，但它也微分了物标回波，故可能丢失弱小物标回波。使用FTC后，可突出回波的前沿，提高雷达的距离分辨率。(2)使用圆极化天线可较好地抑制雨雪干扰，但可能丢失圆球形等对称体物标回波，并使雷达探测能力降低约50％。因此，好天气及远距离探测时不应使用它。另外，在水平极化与圆极化天线问进行转换操作时，应在中间R′DY位置停—下。(3)使用S波段雷达，也可在一定程度减弱雨雪干扰。(4)使用CFAR处理电路也可较好地抑制雪雨干扰。雨雪干扰会遮盖雷达图像，使图像模糊，强的雨雪干扰会淹没物标回波。但有时也可利用雷达探测雨区的位置、移动方向和速席，作为装卸货时决定开关舱时间的参考。3.雷达同频干扰两台距离相近的同频段雷达同时工作时，相互间产生的干扰称为雷达同频干扰。这种干扰就是由一台同频段雷达的发射波直接或间接被本台雷达天线接收所造成的，而且不仅主波束会产生，旁波束也会产生。雷达同频干扰的图像根据两台雷达的脉冲重复频率的差异大小有所不同：(a)脉冲重复频率相同(b)脉冲重复频率相近(c)脉冲重复频率相差很大抑制图像干扰的方法有：(1)使用雷达同频干扰抑制器。使用时应注意先将增益、调谐及STC等抗干扰钮调至最佳状态，并关掉FTC电路。此外，应注意使用该抑制器后会丢失弱小物标回波，应加强其他方式的嘹望。(2)可适当减小量程，使干扰的影响减弱。(3)改用另一频段雷达工作。4.电火花干扰雷达荧光屏上出现的电火花干扰有多种。有的是在固定位置上出现不规则的亮线，这一般是偏转线圈电刷和滑环接触不良引起的。有的是位置不定的径向亮线，这可能是机内电源、发射机、接收机等有关器件跳火形成的，这是故障现象，应立即检查、排除后再使用。后一种情况，也可能是天电干扰或附近电焊工作引起的，一般影响不大。5.明暗扇形干扰这是由于接收机中AFC(自动频率控制)电路失调引起的，是一种故障现象。关掉AFC电路，改用手动凋谐，雷达仍可正常工作。二、雷达假回波在雷达荧光屏上显示回波图像的位置。在实际上并不存在物标，这种回波称为假回波。船用导航雷达的假回波有如下几种：1．间接反射假回波(1)产生原因由于：船上具有较好的反射面的烟囱、大桅、吊杆柱及其附近的大船、陆上的大建筑物等对雷达波的间接反射，使雷达波改变方向后射向物标，又将物标的反射回波再反射回天线，这样在雷达荧光屏上形成的回波称为间接回波，如图5—2—2。在狭水道、港区航行或在锚地锚泊时，附近有大船、桥梁、大建筑物等都容易产生间接回波。(2)特点间接回波有如下特点：①间接回波的方位通常在阴影扇形内出现。②间接回波的显示距离等于天线至间接反射体的距离加上间接反射体至物标问的距离。3)当物标与本船相对位置变化时，间接回波在屏上的移动是不规则的：方位仍在阴影扇形内不变或竟消失，只是距离有些变化。④回波的形状会有畸变。3)识别方法本船暂时改变航向时，船首向上相对运动显示方式的雷达屏上真的物标回波方位改变，而间接回波方位不变(仍在阴影扇形内)或竞消失，因此可用此法识别间接回波。2．多次反射回波(1)产生原因由于雷达波在本船与物标间多次反射而均被天线接收形成的回波，称为多次反射回波。如图5—2—3所示。(2)特点多次反射回波是在真回波外面等间隔分布的一串回波，强度越来越弱，间距均等于真回波的距离，特点明显，易于识别。(3)抑制或削弱的方法多次反射回波可用适当减小增益和适当使用FTC加以削弱。3．旁瓣回波(1)产生原因旁瓣回波是由雷达天线辐射的旁波瓣探测到的物标回波。因为旁波瓣功率较小，所以一般在近距离内有较大反射强度的物标时才会产生。(2)特