雷达与雷达模拟器

避免危险 保护环境
重复训练
评估 发证
IMO 决议 A.482(XII)：关于使用ARPA培训 IMO 决议 A.483(XII) ：关于雷达观测和标绘培训 IMO STCW 78/95 公约
雷达模拟器 国际公约要求
雷达岸线模拟 雷达目标模拟 雷达操作模拟 雷达性能模拟
大气及气象环境模拟 雷达阴影扇形模拟 雷达假回波模拟
4、性能标准要求
正常传播条件下，天线高15 m且无杂波干扰，清楚显示
物标回波 海拔60 m的岸线
距离 20 n mile
海拔6 m的岸线 5000总吨的船舶 10 m长小船 导航浮筒（0=10 m2）
7 n mile 7 n mile 3 n mile 2 n mile
二、最小作用距离：
雷达荧光屏上显示目标的最近距离。 雷达探测近距离目标的能力
侦察雷达 ①战场侦察雷达 ②炮位侦察校射雷达 ③活动目标侦察校射雷达 ④侦察与地形显示雷达 ⑤敌我识别雷达
武器控制雷达 ①炮瞄雷达 ②导弹制导雷达 ③鱼雷攻击雷达 ④机载截击雷达 ⑤机载轰炸雷达 ⑥末制导雷达 ⑦弹道导弹跟踪雷达
航行保障雷达 ①航行雷达 ②航海雷达 ③地形跟随与地物回避雷达 ④着陆（舰）雷达
二. 雷达测方位原理
1、利用收发定向天线 ，只向一个方向发射雷达波且 只接收此方向上的目标的反射回波
2、天线旋转依次向四周发射雷达波，则可探知周围 物标的方位——天线的方向即目标的方向
第二节 雷达的基本组成、作用
一、基本组成及作用：
1、定时器（触发电路、同步电路等）：
是雷达的指挥中心，产生周期性的窄脉冲——触发脉冲
3、影响因素
1、技术指标： 2、天线高度： 3、目标反射特性：
4、性能标准要求
天线高15 m，对于5 000总吨的船舶、10 m长的小船 及有效散射面积10 m2的导航浮筒，不动除量程外的 任何控钮开关，应在50米到1 n mile清楚显示。
三、距离分辨力： 雷达分辨同一方位相邻两目标的能力
距离分辨力
MARINE RADAR
&
RADAR SIMULATOR
第一章 雷达基本工作原理
引言
一、 基本概念 “雷达”译自英文词汇—— RadaRr adar—— 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目标反射回 波，对目标进行探测和测定目标信息的设备
2）垂直波束宽度 V： 20 左右
R
船摇时不至于丢失目标及减小盲区不宜 太小；保持波束一定辐射强度不宜太大
B C
0.5
水平方向性图
8、天线旁瓣 几个对称主瓣分布的辐射能量小的波瓣
影响：浪费能量、产生旁瓣假回波
9、天线增益GA ：天线的聚束能力
定向点天线
VBW
全方位点天线
雷达波束
HBW
10、接收机通频带宽度 允许通过接收机信号频率范围 一般 3 ~ 25 MHz 远量程：窄频带 3 ~ 5 MHz 近量程：宽频带 18 ~ 25 MHz
A
B
光真 点实 半目 径标
脉有 光 冲限 点 宽通 半 度频 径
带 失 真
距离分辨力
四、方位分辨力： 雷达分辨同一距离相邻两目标的能力
H
H
五、测距精度
1、ຫໍສະໝຸດ Baidu响因素
同步误差 固标和活标不准确 光点尺寸 目标回波闪烁
2、性能标准要求
固标圈和活标圈测量，误差不能超过所用量程的1.5% 或70 m二者之大者
A
Real
A echo
VRM
Indirect
A` echo
A Indirect echo
A` A
Real echo
(a) Indirect echo due to funnel reflection (b) Indirect echo due to other reflection Indirect echo
1、物理基础：超高频无线电波在空间直线传播； 遇物标能良好反射
2、测距公式：R = 1/2·C × t
Δt ： 往返于天线与目标的时间
C: 电磁波在空间直线传播速度 C = 3×102 m/ s
如△t = 1μs，则，R = 150 m；对应于1 nm 距离， △t ＝12.35 μs
荧光屏的单位长度：在不同量程代表不同的距离
送：1）发射机：控制发射开始 2）接收机：控制近距离增益 3）显示器：控制计时开始
2、发射机：在触发脉冲控制下产生周期性的大功率射频脉冲 ——微波脉冲、发射脉冲、雷达波
3、收发开关：
发射时，关闭接收机，大功率射频脉冲送天线； 接收时，接通接收机，微弱回波能量送接收机。
4、天线：定向收发天线，将发射机送来的射频脉冲聚成细束 集中向一个方向发射，并接收此方向物标反射回来 的雷达波（回波）送接收机。
显示器要求。
V 几十V
6、显示器：平面位置显示器（PPI）。显示与测量目标，目标 回波按目标的实际距离和方位显示在荧光屏上； 且配有测量系统供随时测量。
7、雷达电源：把船电变成雷达所需的中频交流电。 400 ~ 2000 Hz
二、船用雷达单元构成：
1、三单元雷达： 收发机（触发电路、发射机、接收机、收发开关） 显示器、天线、中频电源
最小作用距离：取以下二者大者
1、雷达脉冲宽度t及收发开关恢复时间tr：
rmin1 =
C 2
(
t
+
t
r
)
2、雷达天线垂直波束照射角度v：
rmin2 = h1ctg
v
2
rmin1
…………
v
Half power line
Zero power line
rmin2
target range affected by VBW
三个主要用途:
尽早发现目标
(1) 远距离探测
(2) 无视线限制
测量目标参数
距离，方位，速度，航向，……
导航
(1) 避碰
(2) 定位
雷达/ARPA, ECDIS, GNSS/DGNSS和自动舵 构成的自动船桥系统是未来主要的导航系统
第一节 雷达测距与测方位原理
岛屿
本船
90°
245° 岛屿
2、二单元雷达： 天线收发机、显示器、中频电源
第三节 雷达的基本技术指标
1、工作频率（波长） ：超高频（正弦波）的频率范围
即船用雷达 磁控管工作频率
S 波段：λ＝10 cm; f=2 900~3 100 MHz 如：3 050 MHz X波段 : λ＝3 cm; f=9 000~9 500 MHz 如：9 375 MHz
…………
雷达岸线模拟
1. 公约要求
雷达/ARPA模拟器应能够模拟产生岸线， 能够进行陆地目标的探测和辨认， 有助于分析地貌的影响。
人工岸线
(码头/防波堤)
触发器
天线
方位与 船首线
收发机 回波
显示器
ARPA
Fig1-2(1)
微波传输线 发射脉冲
发射机
T/R 触发器
天线 回波
接收机
电源
船电
显示器
Fig1-2 (2)
回波 船首线 方位
T/R
Receiver
Transmitter
第二节 雷达的基本组成、作用
5、接收机：超外差式，将微弱回波信号放大千万倍以符合
按工作频段分类 米波雷达 分米波雷达 厘米波雷达 毫米波雷达
按雷达位置分类 地面雷达 机载雷达 舰载雷达 导弹载雷达 航天雷达 气球载雷达
按天线扫描方式分类 机械扫描雷达 机电扫描雷达 频扫雷达 相控阵雷达
按信号形式分类 脉冲雷达 连续波雷达
脉冲压缩雷达
四、航海雷达的用途
航海雷达特点: 厘米波长（3厘米，10厘米） 微波脉冲发射
11、其它：
动态范围、工作稳定性、抗干扰性能、恢复时间等
第四节 雷达的基本使用特性
一、最大作用距离
雷达荧光屏上目标清楚可见的最远距离 雷达探测远距离目标的能力
最大作用距离：取以下二者小者 1、雷达方程：雷达波在自由空间传播
\
r = ( ) max
Pt GA2 2σo
64π 3Pr min
1 4
Pt——雷达峰值功率 GA——天线增益
天气好: X band; 天气坏(雨/雪) : S band
2、脉冲宽度（τ）：发射脉冲的持续时间 一般τ= 0.04 ~ 1.2μs
随量程改变：近量程，窄脉冲；远量程，宽脉冲
τ↑→Rmax↑
τ↓→
距离分辨力 海浪/雨雪 杂波
盲区
3、脉冲重复频率（F）：每秒钟发射的脉冲数 500 ~ 4 000 Hz
二、多次反射假回波 雷达波在本船与目标之间来 回多次反射均被接收引起的
三、多次反射假回波
四、二次扫描假回波
(a) Multiple reflection
A BC
(b) Radar picture
第六节 雷达干扰杂波
一、海浪干扰 二、雨雪干扰
Target
Sea clutter
Target lost
散射
电磁波特性： 绕射
吸收
目标：雷达探测到 的回波
• 船舶 • 岛屿（陆地） • 浮标 • 海浪杂波 • 雨雪、云雾杂波
目标信息：距离、方位 航速、航向
其他避碰信息
二、雷达技术的发展
1886-1888 Hertz(Germany): 实现了电磁波振荡,发射,接收。
• 1914 (American): 回声探测器－雷达的初始模型。 • Marconi(Italy): 提出一个可实践的雷达系统。 • 1930 Blair: 脉冲回波测量（距离，方向）系统，基本雷达. • RCA Co.(American): 发明了机载雷达。 • (America): “New York” 巡洋舰首先安装舰载雷达。 • After WWII 成为了发展快速的导航仪器。 • 中国:主要从发达国家引进技术。 • 现代雷达/ARPA: 与GNSS、 ECDIS、自动舵手以及其他驾
周期T （=1/F）> 根据量程需要选择时间基准 随量程改变：近量程，高F；远量程，低F
4、发射功率：指峰值功率，一般3~75 kW
1）峰值功率 Pt: 在脉冲持续时间内的平均功率
2）平均功率 Pm: 一个脉冲重复周期内输出功率的平均值
3）二者关系 p =p t m tT
R max
p↑→
杂波
海图平面
目标船 270
雷达不显示目标的背面，因此目标的后 沿是不可见的.
245
量程: 12 nm
Fig. 距离与方位测量
本船 Δt＝123.5 μs 0 方向扫描
目标
扫描线 HL
回波 (at 10 nm)
90 方位标志
EBL
180 雷达平面
固定距标圈 荧光屏边缘
第一节 雷达测距与测方位原理
一. 雷达测距原理
——工作波长
Pr min——接收机门限功率
0——物标有效散射面积（雷达截面积）
2、雷达最大探测范围：标准大气压下，雷达波正常折射 雷达可以探测到的最大距离。
计算公式
R max = 2.23（ h1 + h2 ） （n mile）
h1
Antenna radar horizon Target radar horizon
天线旁瓣干扰
故障
5、脉冲波形：发射脉冲的包络 理想脉冲: 矩形 实际波形:
u 1 0.9
0.1 0 tr 脉冲波形
Δu
t tf
6、天线方向性图 天线辐射波的功率（或场强）与方向的关系
7、天线波束宽度（半功率点宽度）
1）水平波束宽度 H： 1 左右
决定方位分辨力和精度
L C
旁瓣
B
主瓣(主波束)
θH 1 A
STC increased
Target remain normal
Sea clutter gets weak
Targets get weak
Target Reappeared
STC effect
三、同频干扰
第二章 雷达模拟器
在实验室模拟船舶在海上航行环境，训练正 确运用雷达进行航行定位、导航和避碰。
六、测方位精度
1、影响因素
水平波束宽度 方位同步系统误差 船首标志线的宽度和精度 方位测量设备的误差 船舶摇摆倾斜导致的误差 光点尺寸；视差；罗经航向误差
2、性能标准要求
测量位于屏边缘的目标回波，误差不能超过1； 船首线误差不能超过1；船首线宽度不大于0.5
第五节 雷达假回波
一、间接反射假回波
船上或陆地上的强反射体做为二次辐射源， 在荧屏上形成的假回波
驶台通信导航和控制系统组合构成综合导航/船桥系统 Integrated Navigation System (INS)
Integrated Bridge System (IBS)
三、军 用 雷 达 分 类
警戒和引导雷达 ①对空情报雷达 ②对海警戒雷达 ③机载预警雷达 ④超视距雷达 ⑤弹道导弹预警雷达
Geometric horizon 1.93 Optical horizon 2.07 Radar horizon 2.23
h2
radar horizon and maximum detectable target range
3、影响因素
1、技术指标 2、目标反射特性 3、海面反射 4、外界杂波干扰 5、大气传播衰减