9-1-雷达基本工作原理课件

第九章第九章 船用导航雷达船用导航雷达一、一、雷达名称：雷达名称：(Name)(Name)“Radio Detection and Ranging”“Radio Detection and Ranging”（无线电探测与测距）（无线电探测与测距）RADAR(RADAR(英文缩写英文缩写)雷达雷达(音译音译)二、雷达起源二、雷达起源w问题（问题（在第一次世界大战中在第一次世界大战中）：）：-如何尽早发现飞机？如何尽早发现飞机？w启发：仿生学启发：仿生学-蝙蝠蝙蝠w方法：利用电磁波来发现目标方法：利用电磁波来发现目标?绪绪 论论1 三、三、雷达定义：雷达定义：(Definication)Definication)是一种利用物标对电磁波的是一种利用物标对电磁波的反射反射特性，来特性，来探测探测与与测量测量物标的物标的 一种无线电设备。一种无线电设备。雷达雷达目标目标航海雷达绪绪 论论2 四、航海上为什么要用雷达？四、航海上为什么要用雷达？当在雾天、夜间航行等能见度不良时当在雾天、夜间航行等能见度不良时 如何判断周围有目标？是否会相撞？如何判断周围有目标？是否会相撞？或者在海图上进行定位呢？或者在海图上进行定位呢？就必须用雷达就必须用雷达 w 探测目标探测目标 判别本船周围是否有目标存在？判别本船周围是否有目标存在？以以亮点形式亮点形式显示出来。显示出来。w 测量目标测量目标 测量出（测量出（水面以上水面以上）目标的：目标的：a 方位（方位（AzimathAzimath）a 距离（距离（RangeRange）OT1T2航海雷达绪绪 论论3五五 、雷达的工作频率雷达的工作频率航海雷达绪绪 论论4六、六、雷达在航海上的应用雷达在航海上的应用(Application in navigationApplication in navigationApplication in navigationApplication in navigation)1 1）定位定位(Positioning)(Positioning)2 2）导航导航(Navigation)(Navigation)3 3）避碰避碰(Avoidance Collision)(Avoidance Collision)雷达雷达-是船舶航行不可缺少的、重要的导航仪器！是船舶航行不可缺少的、重要的导航仪器！是驾驶员的是驾驶员的“眼睛眼睛”！航海雷达绪绪 论论5 雷雷达达/ARPA,ECDIS,GPS/DGPS和和自自动动舵舵构构成成的的自自动动船船桥桥系系统统是是未未来来主主要要的的导导航系统航系统6七、雷达的发展概况七、雷达的发展概况w30 30 年年代代：19351935年年第第一一部部 RdRd英英国国，当当时时为为战战争争服服务务。一维一维-测距，探测飞机。测距，探测飞机。w二战中发展二战中发展w二战后二战后 民用民用 航海上。航海上。w结构上结构上电电 子管子管 晶体管晶体管 IC LICIC LIC。w功能功能a一维：一维：距离距离a二维：二维：距离、方位距离、方位a三维：三维：距离、方位、高度距离、方位、高度a多维：多维：距离、方位、高度、速度、航向等距离、方位、高度、速度、航向等航海雷达绪绪 论论7w航海技术发展航海技术发展：通信导航技术发展快。：通信导航技术发展快。GMDSS GMDSS、ARPA AIS ARPA AIS、VDRVDR、ECDISECDIS等。等。w雷达发展方向雷达发展方向小型化、智能化、数字化。小型化、智能化、数字化。典型：典型：ARPA ARPA、自动驾驶仪、自动驾驶仪 与与ECDISECDIS、AIS AIS 组合。组合。w知识不断更新知识不断更新适应时代发展。适应时代发展。航海雷达绪绪 论论8 第一节第一节 雷达目标探测与显示原理雷达目标探测与显示原理一一.雷达目标测距测方位雷达目标测距测方位航海雷达9w雷达所能发现的所有目标雷达所能发现的所有目标a船舶船舶a岛屿（陆地）岛屿（陆地）a浮标浮标a海浪杂波海浪杂波a雨雪杂波雨雪杂波10111、雷达图像特点、雷达图像特点w雷达图像基本元素（如上图）a将雷达传感器探测到的本船周围目标以平面位置图像显示在平面光栅显示器上。w雷达图像特点a雷达平面光栅显示器除有用的各种回波外，还显示各种干扰杂波、假回波。a雷达回波图像与海面真实物标不尽完全同，表现为：P511（共12种）12w 雷达探测到的回波图像与真实目标回波图像与真实目标相比，可能会有很大的变形 w 一个专业的雷达观测者，应能够在杂波干扰和各种复杂屏幕背景 中分辨出有用回波，引导船舶安全航行。13 雷达基本工作原理雷达基本工作原理一一.测距原理测距原理说明：说明：1 1）O-T O-T 之间的距离为之间的距离为 S S（未知）（未知）2 2）电磁波往返时间为）电磁波往返时间为t t t=tt=t2 2-t-t1 1 t t2 2：该电波反射回到天线时刻；：该电波反射回到天线时刻；t t1 1：电波从天线发射时刻：电波从天线发射时刻 2S=C t 2S=C t S=t S=t （1-1-11-1-1）C C：电磁波传播速度，常数：电磁波传播速度，常数 C=310 C=3108 8 米米/秒秒 OT1T2S1S2tt接收（还）接收（还）发射（往）发射（往）航海雷达绪绪 论论14w原理：原理：通过测量本船与目标之间电磁波的往返时间通过测量本船与目标之间电磁波的往返时间（tt），），就可以测量出本船与目标之间的距离（就可以测量出本船与目标之间的距离（S S）。）。实际上实际上：在雷达上直接把时间在雷达上直接把时间tt转换成距离（海里表转换成距离（海里表示）。示）。w条件：条件：电磁波传播满足：电磁波传播满足：1 1）直线）直线 2 2）等速）等速 3 3）反射）反射w注意：时间单位：注意：时间单位：1 1S=10S=103 3 ms=10ms=106 6 us us 航海雷达绪绪 论论15二二二二.测方位原理测方位原理测方位原理测方位原理(Bearing,AzimuthBearing,AzimuthBearing,AzimuthBearing,Azimuth)1.1.雷达天线方向性：辐射功率与方位的关系雷达天线方向性：辐射功率与方位的关系 -具有具有高度高度的的定向性定向性！-扇形扇形 重要参数：重要参数：v v天天线线垂垂直直波波束束宽宽度度：在在垂垂直直方方向向，半半功功率率是是之之间间的的夹夹角角（15 15-3030）n n天线水平波束宽度：在水平方向，半功率是之间的夹角（天线水平波束宽度：在水平方向，半功率是之间的夹角（1-21-2）强调：强调：在水平方向上，在水平方向上，h h很小很小具有高度定向性，具有高度定向性，半功率点半功率点轴线轴线主瓣主瓣垂直方向垂直方向水平方向水平方向vh h旁瓣旁瓣航海雷达绪绪 论论16雷达天线雷达天线航海雷达绪绪 论论172 2、测向原理、测向原理w 过程分析：过程分析：a a、天线高度定向性天线高度定向性h hb b、只有当主波束对准目标、只有当主波束对准目标该目标接收电波该目标接收电波反射反射c c、当偏离目标、当偏离目标主波束不对准主波束不对准 该目标该目标不能被探测不能被探测无反射无反射 主波束轴方向主波束轴方向代表代表OTOT之间的方向；之间的方向；理解：理解：第第1 1要点要点 d d、由于显示器扫描线与天线同步旋转、由于显示器扫描线与天线同步旋转 即即：当当主主波波束束扫扫到到某某一一方方向向扫扫描描线线相相应应扫扫在在这这一一方位上。方位上。理解：理解：第第2 2要点要点 该目标回波该目标回波就会立即在该方向上显示出来。就会立即在该方向上显示出来。航海雷达绪绪 论论18测向原理：测向原理：由于天线具有高度的定向性，只有天线主波由于天线具有高度的定向性，只有天线主波束对准该目标时，才能探测到该目标，即天线束对准该目标时，才能探测到该目标，即天线的方向就是目标的方向。由于显示器扫描线与的方向就是目标的方向。由于显示器扫描线与天线同步旋转，所以该目标回波就会在相应的天线同步旋转，所以该目标回波就会在相应的方位上显示出来。方位上显示出来。航海雷达绪绪 论论19二二 雷达显示方式雷达显示方式w按船舶运动参照系划分a真运动TMa相对运动RMw按图像的指向模式划分a艏向上（HUP）a航向向上（CUP）a真北向上（NUP）201、相对运动显示方式相对运动显示方式 是指无论本船是否运动，在雷达屏幕是指无论本船是否运动，在雷达屏幕上，代表本船位置的扫描中心固定不动，上，代表本船位置的扫描中心固定不动，所有目标都与本船作相对运动即目标在屏所有目标都与本船作相对运动即目标在屏幕上的运动是其各自的真速度矢量与本船幕上的运动是其各自的真速度矢量与本船真速度矢量之差。真速度矢量之差。212.2.1.1 船首向上显示方式船首向上显示方式（head-up）显示特点：（显示特点：（用于避碰用于避碰）1.扫描中心（本船）在荧屏中心，物标回波相对本船运动，扫描中心（本船）在荧屏中心，物标回波相对本船运动，固定物标则与本船等速反向运动固定物标则与本船等速反向运动。2.船首线指船首线指方位圈的方位圈的0，并代表，并代表船首方向。物标的方位是物标的方位是相对本船船首的相对方位（舷角）。相对本船船首的相对方位（舷角）。“相对方位显示方相对方位显示方式式”3.本船转向时，船首线不动而物标回波圆周反转，本船转向时，船首线不动而物标回波圆周反转，有弧形有弧形尾迹，影响观测尾迹，影响观测。转向时减小增益，可防止图像模糊。转向时减小增益，可防止图像模糊。22270(T)(T)240(T)(T)海图平面海图平面Course 240Course 270航行视景航行视景Head up 00232.2.1.2 真北向上显示方式（真北向上显示方式（North-up）条件：接入罗经航向信号条件：接入罗经航向信号显示特点：（用于显示特点：（用于定位、导航）定位、导航）1.扫描中心（本船）在荧屏中心，物标回波相对本船运动，扫描中心（本船）在荧屏中心，物标回波相对本船运动，固定物标则与本船等速反向运动。固定物标则与本船等速反向运动。2.方位圈的方位圈的0代表真北，船首线指航向值代表真北，船首线指航向值。物标方位为真方。物标方位为真方位。位。“真方位显示方式真方位显示方式”3.本船转向时，船首线移向新航向，而本船转向时，船首线移向新航向，而周围固定图像稳定不周围固定图像稳定不动动。24270(T)(T)240(T)(T)海图平面海图平面Course 240Course 270航海视景航海视景02700240North up 252.2.1.3 航向向上显示方式（航向向上显示方式（Course-up）这种显示方式综合了这种显示方式综合了前两种显示方式的特点前两种显示方式的特点。具有两个方位圈：内部固定，外部可动并与罗经航向具有两个方位圈：内部固定，外部可动并与罗经航向信号连接信号连接。显示特点显示特点：（：（在狭水道艏偏荡或转向频繁时用有利避在狭水道艏偏荡或转向频繁时用有利避碰碰）1.航向稳定时，与船首向上特点类似。航向稳定时，与船首向上特点类似。2.转向时，与真北向上特点类似。转向时，与真北向上特点类似。3.当转向完毕时，按动当转向完毕时，按动“course-up”按钮按钮,则船首线、则船首线、图像及可动方位圈一起转动，直到船首线指固定方图像及可动方位圈一起转动，直到船首线指固定方位圈位圈0为止。为止。26240002400027002700Course up 270(T)(T)240(T)(T)海图平面海图平面Course 240Course 270航海视景航海视景272、真运动雷达显示方式真运动雷达显示方式需要接入需要接入罗经（航向）和计程仪（航速）信号罗经（航向）和计程仪（航速）信号。显示特点显示特点:代表本船的扫描中心在屏上按本船的航向航速代表本船的扫描中心在屏上按本船的航向航速移动，固定物标在屏上稳定不动，活动物标与其在移动，固定物标在屏上稳定不动，活动物标与其在海上实际运动状态相同，按各自的航向和航速移动。海上实际运动状态相同，按各自的航向和航速移动。屏上画面像在空中俯看海面一样。屏上画面像在空中俯看海面一样。28计程仪计程仪(1)相对，对水稳定真运动显示方式相对，对水稳定真运动显示方式 (2)绝对，对地稳定真运动显示方式绝对，对地稳定真运动显示方式1.在狭水道导航时用对地稳定真运动显示方式；在狭水道导航时用对地稳定真运动显示方式；2.在标绘、计算及判断碰撞危险、采取避碰措施时用对水稳在标绘、计算及判断碰撞危险、采取避碰措施时用对水稳定真运动显示方式。定真运动显示方式。293、雷达显示方式选择、雷达显示方式选择w相对运动RM：有利于判断目标船的碰撞危险，及早作出避碰决定；w真运动TM：a对水真运动能够方便、准确在判断目标船的动态，有助于驾驶员根据会遇局面和避碰规则作出避让决策；a对地真运动能够及时监测本船相对 于海岸和固定碍航物的航行动态，有利于航行监视，尤其是在狭水道或进港靠泊时的取佳选择。30第三第三节节 雷达设备工作原理雷达设备工作原理1 雷达系统配置雷达系统配置w传统的船舶导航雷达系统：由天线、收发机、显示器、电源组成。w现代的船舶导航雷达系统：随着现代科技的发展，和基于信息化平台的新型航海仪器和设备不断出现，将电子定位系统GPSAISLRITENC或可提供丰富的水文地理数据的其他矢量海图与传统的导航雷达实现数据融合与信息共享。wSOLAS公约要求，2008年7月1日之后装船雷达设备应能满足IMO MSC.192(79)船舶导航雷达性能标准规定中，其标准配置和扩展选装配置如下：31321 1、组成框图组成框图 原理组成原理组成七部分七部分航海雷达与ARPA绪绪 论论331 1、组成框图组成框图 原理组成原理组成七部分七部分航海雷达与ARPA绪绪 论论2 2、各部分作用各部分作用各部分作用各部分作用1 1 1 1）触发电路触发电路（Trigger)(Trigger)(又称定时电路，或称定时器）又称定时电路，或称定时器）每隔一定时间（每隔一定时间（TrTr）产生一）产生一触发脉冲触发脉冲（定时脉冲）（定时脉冲）它是雷达整机的它是雷达整机的定时系统定时系统。Tr-Tr-脉冲重复周期脉冲重复周期 用来协调和同步和各单元及系统的工作用来协调和同步和各单元及系统的工作。2）发射机发射机（Transmitter)Transmitter)在触发脉冲的作用下，产生一定宽度（在触发脉冲的作用下，产生一定宽度（）一定一定幅度、足够功率的幅度、足够功率的发射脉冲（射频脉冲）发射脉冲（射频脉冲）。分为分为X X波段和波段和S S波段波段,其中：其中：X X波段频率波段频率:9400:9400 100MHZ,100MHZ,3cm3cm S S波段频率波段频率:3000:3000 100MHZ,100MHZ,10cm 10cm 341 1、组成框图组成框图 原理组成原理组成七部分七部分航海雷达与ARPA绪绪 论论3 3）收发开关收发开关(T-R switch,T-R cell)(T-R switch,T-R cell)收发转换收发转换354 4）天线部件天线部件(Scanner,Antena,Aerial)(Scanner,Antena,Aerial)w 收发信号收发信号w 把天线角位置和船首信号送往显示器。把天线角位置和船首信号送往显示器。w 天线特点：天线特点：1 1）收发共用；）收发共用；w 2 2）高度定向性）高度定向性5 5）接收机接收机(Receiver)(Receiver)把微弱的信号进行变频，放大，检波成视频信号，送往显示器把微弱的信号进行变频，放大，检波成视频信号，送往显示器。6 6）显示器显示器(Display,Indicator)(Display,Indicator)(1)(1)把接收机送来的视频脉冲进行放大，处理，显示。把接收机送来的视频脉冲进行放大，处理，显示。（2 2）产生扫描及各种标志信号，完成对目标的测量。）产生扫描及各种标志信号，完成对目标的测量。7 7）电源电源 (Power Supply)(Power Supply)把船电变换成一定频率及功率的要求，供各分机用电把船电变换成一定频率及功率的要求，供各分机用电航海雷达与ARPA绪绪 论论36 雷达发射机雷达发射机 w作用：在触发脉冲作用下，产生大功率射作用：在触发脉冲作用下，产生大功率射频脉冲。频脉冲。37收发机外形图收发机外形图 38 发射机发射机监测监测电表电表微波传输线微波传输线 触发触发电路电路中频逆中频逆变器变器磁控管磁控管接收机接收机39 磁控管磁控管40 收发收发开关开关412 2 雷达天线系统雷达天线系统 回顾回顾 雷达天线系统的作用：雷达天线系统的作用：定向收发信号定向收发信号把天线角位置信号把天线角位置信号(包括包括HLHL标志信号标志信号）显显示器示器 42一、系统组成及各部分作用一、系统组成及各部分作用 外观外观 43内部内部 44 45 46 47 48 49 501 1、波导波导（WaveguideWaveguide）作用：传输微波能量（从收发机作用：传输微波能量（从收发机天线）天线）2 2、天线、天线 天线辐射器天线辐射器 w 作用：定向收发信号。作用：定向收发信号。w 特点：特点：1 1）收发共用；）收发共用；2 2）高度定向性。）高度定向性。天线转速：天线转速：151530 30 转转/分钟分钟w 要求：水平面内、均匀、向右旋转。要求：水平面内、均匀、向右旋转。3 3、驱动马达（、驱动马达（Driving MotorDriving Motor）w 作用：带动天线匀速旋转作用：带动天线匀速旋转w 速度：速度：100010003000 R/MIN3000 R/MINw 类型：船电不同类型：船电不同 514 4、传动装置传动装置（Driving DeviceDriving Device）w 作用：传动；减速。作用：传动；减速。RdRd：151530 r/min30 r/min。w 类型：类型：a齿轮；齿轮；a皮带。皮带。5 5、方位同步发送机（、方位同步发送机（Bearing TransmitterBearing Transmitter）作作用用：把把天天线线角角信信号号电电信信号号显显示示器器方方位位同同步接收机步接收机（带动扫描线与天线同步旋转）（带动扫描线与天线同步旋转）6 6、船船首首位位置置信信号号产产生生器器（Heading Heading Positioning Positioning Signal GeneratorSignal Generator）作作用用：当当天天线线转转到到船船首首时时，产产生生标标志志信信号号（送往显示器使其产生船首标志线）（送往显示器使其产生船首标志线）52类型：类型：触点式触点式 a a、机械式；、机械式；b b、干簧管开关、干簧管开关无触点式无触点式 a a、光电耦合；、光电耦合；b b、同步发送机某、同步发送机某-相取出零点。相取出零点。53雷达天线主要技术指标雷达天线主要技术指标w（一）方向特性图：天线辐射波的功率（或场强）与方向的关系，立体图。w分：w功率方向特性图；w场强方向特性图。w船用雷达只研究水平面和垂直面的方向性图。H H半功率点半功率点ABBCC水平方向性图水平方向性图PLR半功率点半功率点54雷达天线主要技术指标雷达天线主要技术指标w（二）波束宽度（亦称主瓣宽度、3 dB宽度、半功率点宽度）：功率为最大值一半处的两个方向间夹角；或场强为最大值的0.707倍时的两个方向间夹角。HBWVBW棒状波束55雷达天线主要技术指标雷达天线主要技术指标w（三）旁瓣：a主瓣（主波束）：天线主要辐射能量集中的法线方向。a旁瓣（付瓣、付波束）：几个对称主瓣分布辐射能量很小的方向。56雷达天线主要技术指标雷达天线主要技术指标w（四）方向性系数Da：表示定向天线将功率集束到一个方向的能力；w（五）天线增益Ga：表示定向天线将输入功率集中到一个方向的能力。HV 57阴影扇形区域阴影扇形区域1.大大型型船船舶舶前前桅桅造造成成的的阴阴影影扇扇区区范范围围：13 2.雷雷达达天天线线附附近近若若有有大大型型吊吊杆杆和和桅桅杆杆时时，其造成的阴影扇区：其造成的阴影扇区：5 10 3.阴影扇区的测定：阴影扇区的测定：P519，第三段，第三段阴影区：阴影区：因雷达波束被阻挡，而无法探测，在荧光屏上形因雷达波束被阻挡，而无法探测，在荧光屏上形成的无回波的扇形暗区，称之为阴影扇区。成的无回波的扇形暗区，称之为阴影扇区。阴影扇区产生原因：阴影扇区产生原因：本船上的高大建筑物的遮挡，总是存在。本船上的高大建筑物的遮挡，总是存在。陆地上的遮挡物或其它船舶的遮挡和吸收，随船舶运动变化。陆地上的遮挡物或其它船舶的遮挡和吸收，随船舶运动变化。583 3 雷达接收机雷达接收机 作用作用：把微弱回波信号：把微弱回波信号 w变频变频 中频中频w放大放大w检波检波 视频视频 显示器显示器航海雷达与ARPA59一、接收机的组成及各部分工作一、接收机的组成及各部分工作 组成框图：超外差式组成框图：超外差式 航海雷达与ARPA6061