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1、雷达与ARPA,大连海事大学航海学院 仪器教研室,第一部分 雷达基本工作原理,,1.1基本概念,雷达: Radar Radio detection and ranging 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（Closest Point of Approach) TCPA(Distance to CPA),,1.2海上雷达的用途,雷达/ARP
2、A, 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,1.3雷达考核内容,,1.4 雷达的测距与测向原理,,1. 雷达测距原理 t: 往返于天线与目标的时间, C: 电磁波在空间传播速度3108m/s。,2. 雷达测向原理 借助于定向天线 扫描.,1.4 雷达的测距与测向原理,,2 雷达基本组成,发射脉冲,回波,发射机,接收机,电源,船电,船首线,微波传输线,天线,方位,回波,T/R,触发器,显示器,,1. 波长 S 波段 10cm波长 2
3、0004000MHz 7.515cm 3050MHz X 波段 3cm波长 800012500MHz 2.43.75cm 9375MHz 。,2. 脉冲宽度 每次发射脉冲的射频振荡持续时间.0.050.2us,3 雷达相关技术参数,天气好: X band; 天气坏(雨/雪) : S band,,3. 脉冲重复频率f/脉冲重复周期T f（P.R.F Pulse Repeat Frequency） 每相邻两次发射脉冲的时间间隔 。（4004000Hz）,4. 发射峰值功率Pt: 在脉宽持续时间内的功率,3 雷达相关技术参数,5. 发射平均功率Pm: 在脉冲重复周期内的功率,6. 接收机灵敏度Prm
4、in:表示接收机接收微弱信号的能力,P rmin = kTfN f接收机通频带 N接收机噪声 K波尔兹曼常数 T接收机端绝对温度,,7.接收机带宽 f 指在放大情况下，允许通过接收机的信号频率范围。,3 雷达相关技术参数,长脉冲 窄范围的频谱 f 噪声灵敏度 失真 f 噪声 灵敏度 失真 兼顾: 远量程 f 灵敏度 近量程 f 灵敏度 航海雷达 125 MHz,,8.天线增益 定向天线最大辐射方向的功率与点状天线各向均匀辐射的平均功率之比。 表示定向天线的功率集束能力。,3 雷达相关技术参数,9.水平波束宽度 H 在水平面内的波束半功率点的宽度。,L q H 方位分辩率 一般为1,,10.垂直
5、波束宽度 V 表示在垂直面内的波束半功率点的宽度。为防止船舶摇摆时不至丢失目标，一般15 30 。,3 雷达相关技术参数,,通过分析雷达使用性能及其影响因素，了解雷达影像失真的特点及其产生原因，是正确理解和使用雷达图像信息的前提。,4 雷达使用性能及其影响因素,最大探测距离 最大作用距离 最小作用距离 距离分辨率 方位分辨率,,在考虑地球曲率、天线高度、物标高度及雷达电波传播空间大气折射影响时，雷达可能观测的最大距离,4.1 最大探测距离,,一台雷达在一定的电波传播条件下，对某一特定的物标，雷达能满足一定发现概率是，所能观测到物标的最大距离，其影响因素包括：,4.2 最大作用距离,雷达技术参数
6、 物标反射性能 海面反射（工作环境） 大气衰减,,1 雷达技术参数对雷达最大作用距离的影响,4.2 最大作用距离,Pt : 天线发射的脉冲功率； GA： 天线增益； ：工作波长； Prmin：接收机门限电压； 0 ： 物标有效散射面积,,2 物标反射性能对雷达最大作用距离的影响,4.2 最大作用距离,大小尺寸 物标形状 表面结构 入射波的方向 物标质地 工作波长,,3 海面（镜面）反射对雷达最大作用距离的影响,4.2 最大作用距离,到达物标有直射波和海面反射波，两者互相作用造成雷达波束在垂直方向上的分裂现象。回波将时隐时现。,,4 大气衰减对雷达最大作用距离的影响,4.2 最大作用距离,与工作
7、频率有关，S波段强于X波段 大雾对雷达回波有影响 与天线波束宽度及脉冲宽度有关,指雷达波在大气层传播过程中受到大气吸收或散射导致雷达波能量的衰减，其特点是：,,4.3 最小作用距离,指雷达能在显示器屏幕上显示并测定物标的最近距离，最小作用距离取决于：,脉冲宽度和收发开关恢复时间tr,雷达的安装位置，吃水，垂直波束宽度,Rmin2 = Hctgv,,4.4 距离分辨率,指雷达分辨同方位的两个相邻物标的能力，取决于：,量程选择 脉冲宽度和回波波形 屏幕大小及象素点 接收带宽,,4.5 方位分辨率,指雷达分辨距离相同方位相邻的两个物标的能力，取决于：,水平波束宽度 荧光屏及象素点大小 增益亮度调整,
8、,5 雷达指标对使用性能影响,工作波长 脉冲宽度 脉冲重复频率f * 发射峰值功率Pt * 天线波束宽度 天线转速nA 天线极化型式 * 接收机通频带f *,,5.1 工作波长对使用性能影响,正常天气观测较小的物标时，3cm雷达的rmax要比10cm的大 雨雪天，则10cm雷达的rmax要比3cm雷达的大得多,1 对最大作用距离的影响,2 对距离分辨率和测距精度的关系,工作波长越短，脉冲前沿越短，测距精度高；脉冲前沿越短，有利于缩短脉冲宽度，提高距离分辨率,3 对方位分辨率和测方位精度的关系,工作波长越短，天线水平波束宽度越窄，方位分辨率和测方位进度越高,4 抗杂波干扰能力的关系,工作波长越短
9、，雨雪海浪等对雷达波德反射越强，干扰越大,,5.2 脉冲宽度对使用性能影响,脉冲宽度越大，能量越大，作用距离越大,1 对最大作用距离的影响,2 对最小作用距离的关系,脉冲宽度越小，rmin越小,3 对距离分辨率和测距精度的关系,脉冲宽度越小， rmin越小，距离分辨率越高 脉冲宽度越小，雷达回波图像外侧的图像扩大效应越小，图像失真小，有利于提高测距精度,4 对抗杂波干扰能力的关系,脉冲宽度越短，缩短照射在雨雪及海浪上的时间，干扰回波较弱,,5.3 天线波束宽度对使用性能影响, H越小，GA越大，rmax越大 H越小， amin越小，方位分辨率越高 H越小，回波图像的“角向肥大” （ H/2 ）越小,测方位精度越高 H越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小,1 天线水平波束宽度 H,2 天线垂直波束宽度 v, v越小，GA越大，rmax越大 v越大，最小作用距离越小 v越小， v越小，照射到海浪、雨雪等范围小，杂波干扰回波强度小,,5.3 天线转速对使用性能影响,在天线 H与F一定的情况下，天线波束扫过物标时可增加照射物标的次数，获得更多的回波脉冲累积数，增加雷达最大作用距离,1 天线转速低,2 天线转速高,图像连续性较好 有利于观察高速运动的物标 有利于抗海浪干扰,