船载导航雷达技术最新应用
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3G/ 4G 无线通信应用与宽禁带半导体器件飞速 发展, S 频段固态功放的价格大幅度跳水。当今, 频 谱资源越来越紧张, 电磁干扰管理越来越严格, 人们 相信, 固态发射机将是磁控管发射机的唯一替代者。
为适应小吨位船舶的安装空间, 并降低雷达对 抗风能力以及驱动功率的要求, 小口径天线雷达通 常设计成盘式, 天线、信道、信号处理等硬件都安装
年, 但直到最近, 英国[ 7] 与日本才先后推出 S 与 X 频
段固态发射机船用导航雷达。固态功放的好处众所
周知: 可靠性远高于磁控管, 达到50 000 h, 产品全寿
命周期成本低; 纯低压发射, 安全性高; 带外辐射低,
对其他设备影响小, 电磁兼容性好; 发射机瞬时启停, 不需要任何预热时间; 采用脉冲压缩信号, 可降低射
根据国际海事组织的规定, 海上生命安全公约 ( SOLAS) 涉及的所有船只( 超过 300 吨的船舶) 都必 须装备9 GHz雷达, 大型商船还必须装备3 GHz雷达。 实际上, 随着经济的发展, 吨位很小的各种船舶也都 装备了导航雷达。
最初导航雷达由军工单位研制生产。当民用船 舶成为导航雷达的主要用户, 军用雷达厂商几乎都 退出了导航雷达领域。目前国际上知名的导航雷达 厂商 有英 国的 Kelvin Hughes、Raymarine, 日本 无 线 ( JRC) 、古野( FURUNO) , 以及其他 欧洲公司( Simrad 等) 。
Technology Evolution and New Applications of Marine Navigation Radar
PENG Xiang- long
( Chengdu Spaceon Technology Co. , Ltd. , Chengdu 611731, China)
Abstract: Civil watercrafts are the main market with which marine navigation radars are concerned. The requirements of low cost and appropriate performances determine that the developing progress of marine radars are entirely different from that of other military radars. In this paper, the market status, present main technology and future tendency of marine radars are reviewed, some latest applications instead of navigation, such as security & surveillance and protection of ecological environment, are introduced. Key words: marine navigat ion radar; solid state transmitter; security & surveillance; protect ion of ecological env-i ronment
# 1247 #
www. teleonline. cn
电讯技术
2013 年
至连数字信号处理技术都未广泛使用。究其原因, 民用船舶是导航雷达的主要市场, 成本与性价比是 首要因素。激烈的市场竞争导致雷达的重心放在了 产品的价格而不是新技术应用上, 除非有法律条文 明确规定, 否则那些价格居高不下的技术就一直得 不到应用。
* 收稿日期: 2013- 06- 28; 修回日期: 2013- 08- 05 Received date: 2013- 06- 28; Revised dat e: 2013- 08- 05 ** 通讯作者: pxiangl@ sohu. com Correspondi ng author: pxiangl@ sohu. com
第 53 卷 第 9 期 2013 年 9 月
电讯技术 Telecommunication Engineering
doi: 10. 3969/ j. issn. 1001- 893x. 2013. 09. 025
Vol. 53 No. 9 Sep. 2013
船用导航雷达的技术发展及最新应用*
彭祥龙**
目标检测
分辨力与精度
抗相
技术 体制
近 距离
磁控管发射机一直是改善导航 雷达性能的主 要对
如图 2 所示, 杆式雷达天线口径较大( X 频段大
象, 目前其寿命达到3 000 h, 输出信号频谱较宽, 且 频率稳定度较差。
于1. 2 mm, S 频段大于3 m) , 波束窄。天线与信道分 别装在天线罩与底座内, 用旋转关节连接, 天线罩与
固态发射机在民航与军用雷达领域早已应用多 天线一起旋转。
根据雷达测量距离的原理, 导航雷达分为脉冲 与连续波体制; 根据发射机形式, 分为磁控管与固态 发射机; 根据天线口径大小, 导航雷达可分为盘式与 杆式雷达; 根据信号处理实现的手段, 分为模拟与数 字信号处理。
当前市场上的多 数产品采用点频脉冲信号形 式、磁控管发射机、杆式天线、模拟信号处理。
脉冲雷达发射与接收信号在时间上错开, 允许 很大的发射功率, 目标探测距离远, 距离盲区取决于 脉冲信号宽度与收发切换时间, 相对较大。连续波 雷达同时发射和接收, 理论上没有距离盲区, 距离分 辨率可以做得很高。因为收发隔离度的影响, 连续 波雷达发射功率一般较小, 探测距离较近; 考虑到结 构与成本, 天线口径不大, 方位分辨率不高。瑞典的 Pilot、波 兰 的 CRM 以 及 Lowrance 等 公 司 开 发 的 BR24[ 6] 是典型的连续波导 航雷达产品。图 1 为连 续波导航雷达与固态脉冲发射机。
船用导航雷达采用实波束成像体制, 探测船舶 载体周围的环境, 船员根据雷达图像选择航道, 规避 障碍物。具有 ARPA 功能的雷达, 通过存储多帧数 据, 采用边扫描边跟踪技术, 连续自动地计算模拟、 绘图、判断, 给船员提供信息丰富的现场态势, 并根 据相关准则自动报警, 可适应多船相遇、快速逼近和 频繁机动的局面。
图 2 脉冲体制盘式与杆式导航雷达 Fig. 2 Radome and open array marine pulse navigation radars
频峰值功率 100 倍以上; 提高距离分辨率的同时, 作 用距离更远; 实现相参信号处理, 目标检测能力更强; 工作带宽更宽, 可实现频率分集抑制海杂波。
庞大的船舶保有量给导航雷达提供了巨大的市 场空间, 以每年改造新置 10% 计算, 仅国内 市场年 需求量就达数万套。也因为如此, 国内众多的私人 作坊与企业纷纷加入导航雷达研发大军, 进一步加
# 1248 #
剧了竞争态势。
3 导航雷达的主流技术
船用 导航 雷达 主要有 S ( 219~ 311 GHz) 与 X ( 913~ 915 GHz) 两个频段。S 频段射频信号在雨雾 中的衰减小, 海杂波平均后向散射系数低, 恶劣气候 与高海况情况下, 性能较好; X 频段天线尺寸小, 角 度分辨率高。通 常中型以上船舶同时装备 X 频段 与 S 频段两套雷达, 其他船舶只安装 X 频段雷达。 3. 1 雷达体制
根据文献[ 2] , 全球远洋雷达市场每年约 25 000 套; 其他商船、渔船与游艇, 仅仅美国与远东地区, S 频段( 3 GHz) 雷达市场约 30 000 套, X 频段( 9 GHz) 雷达市场约 800 000 套。
另据中国渔业统计年鉴[ 5] , 2011 年全国机动渔 船 67125 万艘, 其中捕捞渔船 43109 万艘; 据中国航 运行业年度报告, 截至 2009 年底, 全国拥有内河运 输船舶 16148 万艘, 沿海运输船舶 11001 8 万艘, 远 洋运输船舶 2 079 艘。目前, 国内游艇市场 还不成 气候, 公务船与军用船舶规模约 1 000 余艘。
( 成都天 奥信息科技有限公司, 成都 611731)
摘 要: 民用船舶是导航雷达的主要市场, 成本与性价比需求决定了船用导航雷达与军用雷达大不 相同的发展进程。简述了导航雷达市场行情, 技术现状与发展趋势, 并介绍了导航雷达在安全监视、 生态保护等非导航领域的最新应用。 关键词: 船用导航雷达; 固态发射机; 安全监视; 生态保护 中图分类号: TN95 文献标志码: A 文章编号: 1001- 893X( 2013) 09- 1247- 06
综合考虑性能与价格因素, 每种体制与技术都 有自己的最佳应用范围, 不可能尽善尽美[ 8] 。表 1 综合比较了 5 种导航雷达的应用特点。
表 1 船用导航雷达技术体制与应用比较
T able 1 Comparison of marine radar technology systems and their applications
最近 10 年, 世界经济、消费电子技术与航运业 欣欣向荣, 船用导航雷达迎来新的发展机遇。本文 简述了导航雷达市场行情, 说明了技术现状与发展 趋势, 并介绍了导航雷达在安全监视、生态保护等非 导航领域的最新应用。
2 船用导航雷达的市场
整个船舶市场可分为渔业, 航运( 货运、客运) , 游艇, 公务( 海监、渔政、海关、搜救) 与军船 5 类。渔 业和航运是导航雷达最大的用户, 公务、远洋货运与 军船是导航雷达的高端用户。
Байду номын сангаас
岸警卫队颁布规定, 要求所有进入美国水域的船只 装备并使用避碰系统, 促进了计算机自动雷达标绘 仪( ARPA ) 的迅速发展[ 2] 。
20 世纪 80 年代, 军用雷达技术快速发展, 人们 乐观地认为船用导航雷达技术也会突飞猛进, 甚至 设想应用脉冲多普勒、相控阵、合成孔径成像、超视 距探测等技术体制[ 3] 。30 年过去了, 船用导航雷达 技术与军用雷达技术的差距却越来越大, 除了屈指 可数的新技术, 如波导缝隙阵列天线、固态调制器、 数字终端显示、数字信号处理、固态功放、连续波等, 其余变化都是小改小革, 如组合导航( 接入船舶自动 识别设备、运行电子海图) 、波 束锐化、双量程显示 等, 而非雷达体制上的根本变化。时至今日, 无论军 用还是民用船舶, 仍然大量使用磁控管导航雷达, 甚
1引言
导航雷达安装在各类船舶上, 探测船舶载体周围 的各类物体, 如船只、航标、桥墩、堤岸、浮冰、海岛、冰 山、海岸线等, 给船员提供直观清晰的目标距离与方 位数据, 根据需要发出警告信息, 规避危险障碍物, 防 止碰撞事故, 保证船舶安全航行或顺利泊锚。
自 1904 年 德国人 Chrisian Hulsmeyer 申请了 单 站脉冲雷达专利并推销用于海上舰船防撞以来[ 1] , 船用导航雷达已历经了一 个世纪的发展。1946 年 出现了最早的商业海用雷达; 1960 年, 海洋生 命安 全国际会议建议使用雷达防止船舶碰撞事故, 1974 年, 该会议规定商船必须装备雷达; 1977 年, 美国海
图 1 连续波导航雷达与固态脉冲发射机 Fig. 1 Continue-wave navigation radar and solid state pulses transmitter
采用 MOSFET 开关做调制器的空腔磁控管发射
第 53 卷
彭祥龙: 船用导航雷达的技术 发展及最新应用
第9期
机, 效率高, 脉冲前后沿陡峭, 结构紧凑, 价格低廉。 在罩内, 天线罩不旋转。
20 世纪 70 年代数字技术即开始进入雷达信号 处理领域, 但直到 21 世纪才应用于船用导航雷达, 这主要得益于移动通信、计算机及其他消费电子产
品的大规模生产, 降低了 A/ D、DSP、FPGA 以及 RAM 等数字器件的成本。数字信号处理技术大大提高了 导航雷达抑制杂波、目标检测与跟踪的能力。
为适应小吨位船舶的安装空间, 并降低雷达对 抗风能力以及驱动功率的要求, 小口径天线雷达通 常设计成盘式, 天线、信道、信号处理等硬件都安装
年, 但直到最近, 英国[ 7] 与日本才先后推出 S 与 X 频
段固态发射机船用导航雷达。固态功放的好处众所
周知: 可靠性远高于磁控管, 达到50 000 h, 产品全寿
命周期成本低; 纯低压发射, 安全性高; 带外辐射低,
对其他设备影响小, 电磁兼容性好; 发射机瞬时启停, 不需要任何预热时间; 采用脉冲压缩信号, 可降低射
根据国际海事组织的规定, 海上生命安全公约 ( SOLAS) 涉及的所有船只( 超过 300 吨的船舶) 都必 须装备9 GHz雷达, 大型商船还必须装备3 GHz雷达。 实际上, 随着经济的发展, 吨位很小的各种船舶也都 装备了导航雷达。
最初导航雷达由军工单位研制生产。当民用船 舶成为导航雷达的主要用户, 军用雷达厂商几乎都 退出了导航雷达领域。目前国际上知名的导航雷达 厂商 有英 国的 Kelvin Hughes、Raymarine, 日本 无 线 ( JRC) 、古野( FURUNO) , 以及其他 欧洲公司( Simrad 等) 。
Technology Evolution and New Applications of Marine Navigation Radar
PENG Xiang- long
( Chengdu Spaceon Technology Co. , Ltd. , Chengdu 611731, China)
Abstract: Civil watercrafts are the main market with which marine navigation radars are concerned. The requirements of low cost and appropriate performances determine that the developing progress of marine radars are entirely different from that of other military radars. In this paper, the market status, present main technology and future tendency of marine radars are reviewed, some latest applications instead of navigation, such as security & surveillance and protection of ecological environment, are introduced. Key words: marine navigat ion radar; solid state transmitter; security & surveillance; protect ion of ecological env-i ronment
# 1247 #
www. teleonline. cn
电讯技术
2013 年
至连数字信号处理技术都未广泛使用。究其原因, 民用船舶是导航雷达的主要市场, 成本与性价比是 首要因素。激烈的市场竞争导致雷达的重心放在了 产品的价格而不是新技术应用上, 除非有法律条文 明确规定, 否则那些价格居高不下的技术就一直得 不到应用。
* 收稿日期: 2013- 06- 28; 修回日期: 2013- 08- 05 Received date: 2013- 06- 28; Revised dat e: 2013- 08- 05 ** 通讯作者: pxiangl@ sohu. com Correspondi ng author: pxiangl@ sohu. com
第 53 卷 第 9 期 2013 年 9 月
电讯技术 Telecommunication Engineering
doi: 10. 3969/ j. issn. 1001- 893x. 2013. 09. 025
Vol. 53 No. 9 Sep. 2013
船用导航雷达的技术发展及最新应用*
彭祥龙**
目标检测
分辨力与精度
抗相
技术 体制
近 距离
磁控管发射机一直是改善导航 雷达性能的主 要对
如图 2 所示, 杆式雷达天线口径较大( X 频段大
象, 目前其寿命达到3 000 h, 输出信号频谱较宽, 且 频率稳定度较差。
于1. 2 mm, S 频段大于3 m) , 波束窄。天线与信道分 别装在天线罩与底座内, 用旋转关节连接, 天线罩与
固态发射机在民航与军用雷达领域早已应用多 天线一起旋转。
根据雷达测量距离的原理, 导航雷达分为脉冲 与连续波体制; 根据发射机形式, 分为磁控管与固态 发射机; 根据天线口径大小, 导航雷达可分为盘式与 杆式雷达; 根据信号处理实现的手段, 分为模拟与数 字信号处理。
当前市场上的多 数产品采用点频脉冲信号形 式、磁控管发射机、杆式天线、模拟信号处理。
脉冲雷达发射与接收信号在时间上错开, 允许 很大的发射功率, 目标探测距离远, 距离盲区取决于 脉冲信号宽度与收发切换时间, 相对较大。连续波 雷达同时发射和接收, 理论上没有距离盲区, 距离分 辨率可以做得很高。因为收发隔离度的影响, 连续 波雷达发射功率一般较小, 探测距离较近; 考虑到结 构与成本, 天线口径不大, 方位分辨率不高。瑞典的 Pilot、波 兰 的 CRM 以 及 Lowrance 等 公 司 开 发 的 BR24[ 6] 是典型的连续波导 航雷达产品。图 1 为连 续波导航雷达与固态脉冲发射机。
船用导航雷达采用实波束成像体制, 探测船舶 载体周围的环境, 船员根据雷达图像选择航道, 规避 障碍物。具有 ARPA 功能的雷达, 通过存储多帧数 据, 采用边扫描边跟踪技术, 连续自动地计算模拟、 绘图、判断, 给船员提供信息丰富的现场态势, 并根 据相关准则自动报警, 可适应多船相遇、快速逼近和 频繁机动的局面。
图 2 脉冲体制盘式与杆式导航雷达 Fig. 2 Radome and open array marine pulse navigation radars
频峰值功率 100 倍以上; 提高距离分辨率的同时, 作 用距离更远; 实现相参信号处理, 目标检测能力更强; 工作带宽更宽, 可实现频率分集抑制海杂波。
庞大的船舶保有量给导航雷达提供了巨大的市 场空间, 以每年改造新置 10% 计算, 仅国内 市场年 需求量就达数万套。也因为如此, 国内众多的私人 作坊与企业纷纷加入导航雷达研发大军, 进一步加
# 1248 #
剧了竞争态势。
3 导航雷达的主流技术
船用 导航 雷达 主要有 S ( 219~ 311 GHz) 与 X ( 913~ 915 GHz) 两个频段。S 频段射频信号在雨雾 中的衰减小, 海杂波平均后向散射系数低, 恶劣气候 与高海况情况下, 性能较好; X 频段天线尺寸小, 角 度分辨率高。通 常中型以上船舶同时装备 X 频段 与 S 频段两套雷达, 其他船舶只安装 X 频段雷达。 3. 1 雷达体制
根据文献[ 2] , 全球远洋雷达市场每年约 25 000 套; 其他商船、渔船与游艇, 仅仅美国与远东地区, S 频段( 3 GHz) 雷达市场约 30 000 套, X 频段( 9 GHz) 雷达市场约 800 000 套。
另据中国渔业统计年鉴[ 5] , 2011 年全国机动渔 船 67125 万艘, 其中捕捞渔船 43109 万艘; 据中国航 运行业年度报告, 截至 2009 年底, 全国拥有内河运 输船舶 16148 万艘, 沿海运输船舶 11001 8 万艘, 远 洋运输船舶 2 079 艘。目前, 国内游艇市场 还不成 气候, 公务船与军用船舶规模约 1 000 余艘。
( 成都天 奥信息科技有限公司, 成都 611731)
摘 要: 民用船舶是导航雷达的主要市场, 成本与性价比需求决定了船用导航雷达与军用雷达大不 相同的发展进程。简述了导航雷达市场行情, 技术现状与发展趋势, 并介绍了导航雷达在安全监视、 生态保护等非导航领域的最新应用。 关键词: 船用导航雷达; 固态发射机; 安全监视; 生态保护 中图分类号: TN95 文献标志码: A 文章编号: 1001- 893X( 2013) 09- 1247- 06
综合考虑性能与价格因素, 每种体制与技术都 有自己的最佳应用范围, 不可能尽善尽美[ 8] 。表 1 综合比较了 5 种导航雷达的应用特点。
表 1 船用导航雷达技术体制与应用比较
T able 1 Comparison of marine radar technology systems and their applications
最近 10 年, 世界经济、消费电子技术与航运业 欣欣向荣, 船用导航雷达迎来新的发展机遇。本文 简述了导航雷达市场行情, 说明了技术现状与发展 趋势, 并介绍了导航雷达在安全监视、生态保护等非 导航领域的最新应用。
2 船用导航雷达的市场
整个船舶市场可分为渔业, 航运( 货运、客运) , 游艇, 公务( 海监、渔政、海关、搜救) 与军船 5 类。渔 业和航运是导航雷达最大的用户, 公务、远洋货运与 军船是导航雷达的高端用户。
Байду номын сангаас
岸警卫队颁布规定, 要求所有进入美国水域的船只 装备并使用避碰系统, 促进了计算机自动雷达标绘 仪( ARPA ) 的迅速发展[ 2] 。
20 世纪 80 年代, 军用雷达技术快速发展, 人们 乐观地认为船用导航雷达技术也会突飞猛进, 甚至 设想应用脉冲多普勒、相控阵、合成孔径成像、超视 距探测等技术体制[ 3] 。30 年过去了, 船用导航雷达 技术与军用雷达技术的差距却越来越大, 除了屈指 可数的新技术, 如波导缝隙阵列天线、固态调制器、 数字终端显示、数字信号处理、固态功放、连续波等, 其余变化都是小改小革, 如组合导航( 接入船舶自动 识别设备、运行电子海图) 、波 束锐化、双量程显示 等, 而非雷达体制上的根本变化。时至今日, 无论军 用还是民用船舶, 仍然大量使用磁控管导航雷达, 甚
1引言
导航雷达安装在各类船舶上, 探测船舶载体周围 的各类物体, 如船只、航标、桥墩、堤岸、浮冰、海岛、冰 山、海岸线等, 给船员提供直观清晰的目标距离与方 位数据, 根据需要发出警告信息, 规避危险障碍物, 防 止碰撞事故, 保证船舶安全航行或顺利泊锚。
自 1904 年 德国人 Chrisian Hulsmeyer 申请了 单 站脉冲雷达专利并推销用于海上舰船防撞以来[ 1] , 船用导航雷达已历经了一 个世纪的发展。1946 年 出现了最早的商业海用雷达; 1960 年, 海洋生 命安 全国际会议建议使用雷达防止船舶碰撞事故, 1974 年, 该会议规定商船必须装备雷达; 1977 年, 美国海
图 1 连续波导航雷达与固态脉冲发射机 Fig. 1 Continue-wave navigation radar and solid state pulses transmitter
采用 MOSFET 开关做调制器的空腔磁控管发射
第 53 卷
彭祥龙: 船用导航雷达的技术 发展及最新应用
第9期
机, 效率高, 脉冲前后沿陡峭, 结构紧凑, 价格低廉。 在罩内, 天线罩不旋转。
20 世纪 70 年代数字技术即开始进入雷达信号 处理领域, 但直到 21 世纪才应用于船用导航雷达, 这主要得益于移动通信、计算机及其他消费电子产
品的大规模生产, 降低了 A/ D、DSP、FPGA 以及 RAM 等数字器件的成本。数字信号处理技术大大提高了 导航雷达抑制杂波、目标检测与跟踪的能力。