07导航雷达第七章雷达目标跟踪与AIS

（一）目标检测
在噪声和杂波背景中发现目标的过程，称为目标检测。 检测原理：设定一个阈值电压，如果回波信号幅值大 于该电压，就认为是目标予以保留，相反则认为是杂波 或噪声不予记录。 检测注意事项：在目标检测时，近距离海浪和较强的 雨雪杂波的强度可能会比正常目标回波高出很多，设备无 法分辨目标与杂波，而将杂波判别为目标；
危险目标
图 7-1-3 雷达目标跟踪流程
第二节
雷达目标跟踪基本功能
一、目标跟踪初始设置
（一）传感器设置 保证雷达跟踪器正常工作的基本传感器包括：
雷达:为跟踪器提供了定时信号、回波视频信息、天线角位 置和船首标识信息。
陀螺罗经或艏向发送装置（THD）：提供航向信息 船舶航速和航程测量设备（SDME，如计程仪）：提供速 度信息 。
（四）综合信息显示与操作控制 在雷达显示器上，通过控制面板各种开关控钮或操作屏 幕菜单，能够控制雷达的所有功能。按照程序或操作面板的 指令，在主控制器的控制下，将视频处理器输出的雷达视频、 跟踪器获得的目标跟踪信息、以及信息处理器对多传感器信 息的运算结果融合为雷达综合视频，送显示器显示。
二、雷达目标跟踪基本原理
为了提高目标自动检测的可靠性，驾驶员应细心调整 雷达，将回波保持在最佳状态。
（二）目标捕获（acquisition）
捕获：选择所需跟踪的目标，跟踪器记录其初始位置， 启动对目标位置在屏幕上相继变化的检测和跟踪的雷达 工作过程。
捕获分为人工捕获和自动捕获，小于10 000 GT的 船舶配备的雷达可不具有自动捕获目标的功能。
目标丢失
(1)目标回波变弱:未检测到目标,无法建立跟踪 (2)杂波干扰 (3)目标大幅度快速机动
(4)雷达实测目标误差太大
(5)目标进入阴影区或被高大目标遮挡
目标丢失报警：按照性能标准规定，在连续10次天线 扫描中，只要有5次能够在显示器上清楚识别出目标，目标 跟踪就应能够继续。如果违反了这个原则，雷达就判定目 标丢失，给出目标丢失报警。
窗口稳定 第一次探测位置 窗口缩小
第二次探测位置
第三次探测位置
第四次扫描 位置滑动滤波停止 第五次扫描
估算位置
滤波位置
目标输出窗口 窗口放大 发现目标重新跟踪
跟踪树
ARPA目标跟踪原理
跟踪窗尺寸对跟踪性能的影响：
1.跟踪窗尺寸大，不易丢失目标，但易误跟踪； 2.跟踪窗尺寸小，不易跟踪上，易丢失目标。 一般大（0.18 n mile） 、中（ 0.125 n mile ）、小（0.07 n mile）三个，自动调节。开始大窗口，逐渐变小，稳定时最小窗 口，目标回波约占跟踪窗（波门）面积的75。
人工捕获通过光标、轨迹球直接捕获需要跟踪的目 标；自动捕获通过设置捕获范围（警戒区/环）来实现。
（三）目标跟踪
雷达记录目标在屏幕上位置随扫描更新相继变化，建 立目标的运动轨迹的运算过程，称为目标跟踪。
目标跟踪原理：预测加修正，天线边扫描边跟踪， 不断提高跟踪的精度，直到跟踪稳定为止。
跟踪位置
探测位置 滤波位置 估算位置 跟踪窗
图 7-1-1 目标跟踪装置原理框图
（一）传感器 雷达信息（包括定时信号、回波视频信息、天线角位 置和船首标识信息）、艏向信息和航速信息是保证雷达 跟踪器正常工作的基本信息。 （二）信息处理器 功能：
（1）按照综合导航系统（INS）综合信息处理原则， 验证各传感器信息的完善性，对未通过完善性验证的传 感器信息发出报警。
（二）矢量（Vector）
矢量是根据目标位置和本船CCRP位置，预测目 标和本船未来一段时间（时间长度可调）运动的线段。
相对矢量显示
真矢量显示
两种矢量适用范围：
相对矢量适合目标危险判断，真矢量适合在采取避碰行 动时掌握航行态势，做出避碰决策。
CPA CPALIM圈
相对矢量应用1： 判断碰撞危险
相对矢量应用2： 估算CPA和TCPA
CPA LIM/TCPA LIM在航海上设置的惯例：
结合海上避碰规则，大洋航行时CPA LIM通常为2 n mile左 右，TCPA LIM通常不低于18 min； 近岸航行时，结合上述因素考虑安全界限，CPA LIM可为 1~2 n mile，TCPA LIM通常为12 n min以上； 狭窄水域航行时，雷达避碰的局限性比较大，特别当CPA LIM设置小于0.8 n mile仍然无法满足航行要求时，雷达目标跟 踪信息只能作为参考，驾驶员应考虑其他避碰手段。
自动捕获功能具有以下特点：
（1）捕获速度快，可应付多目标快速逼近复杂会遇局面中及时 捕获目标的需要。
（2）能根据驾驶员自动捕获区和排除区的设置，按照优先方案 捕获目标。 （3）如果捕获区设置不合理，容易过多地捕获没有跟踪意义的 目标，浪费系统资源，分散驾驶员注意力。
（4）会误将干扰杂波、陆地或岛屿等当作有用目标捕获，造成 虚警。
目标跟踪：雷达跟踪目标在屏幕上位置的变化，建立 目标运动轨迹，获取目标运动参数的跟踪器运算过程。 一般地，雷达目标跟踪在1 min之内可获得目标的运动 趋势，在3 min内，雷达对被捕获目标跟踪达到较高的精 度，获得目标的预测运动，进入稳定跟踪状态。
目标跟踪包括：目标检测、目标捕获、目标跟踪、危 险判断、试操船等过程。
3．本船航速设置
在避碰时，雷达应采用对水航速（STW），以获得对水 稳定方式；在导航时，雷达应采用SOG，以获得对地稳定方 式。本船航速通常通过传感器取得，需要时人工输入。按照 性能标准要求，为雷达系统提供航速的传感器应能够提供本 船STW和SOG。
（二） 安全界限设置
设置避碰安全界限CPA LIM/TCPA LIM，目标跟踪 功能能够自动将被跟踪目标的CPA/TCPA值与安全界 限比较，对小于安全界限的目标发出危险报警。 安全界限设置过大，虚警增加，给驾驶员带来不必要的 负担；设置过小，安全系数降低甚至不能达到对碰撞危险 预警的目的。安全界限的设置值与很多因素有关，包括本 船吨位和操纵特性、驾驶团队船艺水平、航行水域开阔程 度和船舶密度、气象海况等 。
真矢量应用二：判断碰撞危险
T1
T3
真矢量末端间距若小于 CPALIM，则有碰撞危险
真矢量判断碰撞危险不如相对矢 量直观方便，仅适合单船避碰。
目标交换
将已跟踪的目标放弃，错误地跟踪上另一个目标，这 种错误跟踪的现象称为目标交换 。 目标交换产生原因：
(1)目标进入强海浪区;
(2)被跟踪的弱目标接近未被跟踪的强目标; (3)目标转向;
二、雷达目标跟踪基本原理 （四）危险判断
在目标跟踪过程中，跟踪器不断将跟踪目标的CPA/TCPA值 与驾驶员设定的安全界限CPA LIM/TCPA LIM比较，对小于安 全界限的目标给出危险报警。
1．雷达设置：
（1）图像调整： 增益、人工/自动调谐、脉冲宽度选择、人工杂波（海浪、雨雪） 抑制等控钮。 （2）量程选择： 按照IMO雷达性能标准，具有目标跟踪功能的量程至少包括3、 6和12 n mile，目前多数雷达从0.75 n mile~24 n mile量程都具有目 标跟踪功能。通常驾驶员可以在6~12 n mile量程捕获目标和判断 目标碰撞危险，在6 n mile量程确定对危险目标的避碰方案，在3 n mile量程实施避碰行动和评估避碰效果。
自动捕获是捕获目标的辅助手段，更适合在气象海况条 件良好的大洋中使用，在回波复杂的环境，对目标的选择性要 求较高，不适合自动捕获。 在任何会遇局面中，适当设置自动捕获区，并配合排除 区是值得推荐的方案。
三、雷达目标跟踪功能
（一）目标跟踪
从目标被捕获开始，性能标准要求雷达应在1 min之内 指示目标的运动趋势（初始跟踪），通常是在雷达图像 区域显示目标的矢量和CPA，此时数据精度较低。
第七章 雷达目标跟踪与AIS目标报告 第一节 雷达目标跟踪基本原理
一、雷达目标跟踪装置构成
天线角位置 与船首标识 雷达 雷达视频 定时脉冲 I/O 接口 及视频处理器 信 传 感 器 SDME 航速 陀螺罗经 或 THD 艏向 综合信息显示 与操作控制 跟踪器 息 处 理 与 显 示 主控制器 EPFS 、AIS 等其他传感器 位置、识别 水文地理信息 信息处理器 系 统
在3 min之内，雷达指示目标的预测运动（稳定跟踪）， 如目标相对矢量、真矢量、过去位置、PAD、危险标识等， 并在雷达数据显示区域显示目标跟踪数据（八参数） 。
对雷达目标跟踪距离的分析：
⑴＜1.5nm：
处理延时导致了数据不可靠；
⑵＞12nm： 无实际意义。
性能标准要求，自动跟踪装置至少应在3、6和12 n mile量 程上有效 。目前多数雷达从0.75 n mile量程到24 n mile量 程都具有目标跟踪功能。
人工捕获具备如下特点：
（1）可按航行态势和航行需要逐个捕获目标，目的明确，针 对性强。
（2）可根据雷达观测经验，在复杂的回波环境中辨识和捕获 目标，避免捕获杂波、假回波和不需要捕获的目标。
（3）如驾驶员疏忽视觉及雷达瞭望，可能会遗漏相关目标， 造成漏警。 （4）操作过程费时，随着航行态势不断变化，对新出现的相 关目标或丢失后需再次捕获的目标需要额外操作，增加驾驶 员工作负担。
（二）自动捕获
1、 设置警戒/捕获区
（a）环形区
（b）环/扇形区配合
（c）多边形及排除区
2．排除区
排除区也称限制区，是驾驶员在雷达屏幕上设置的拒绝自 动捕获目标的区域。
3．自动捕获设置
一般地说，距本船8~12 n mile范围可设置为雷达警戒区， 在6 n mile左右设置目标捕获区，近于1.5 n mile的范围最好 设置为排除区。
（5）可能因捕获区设置不合理，无法捕获相关目标。
（6）可能会因杂波干扰或阴影扇形区域影响，漏失弱小目标， 造成漏警。
（7）不可免除驾驶员雷达观测职责，必须与人工捕获配合使用， 确保不漏失对相关目标的捕获和跟踪。
（三）捕获方案选择
驾驶员应根据航行需要综合考虑目标捕获方案。
人工捕获适合各种海域和会遇局面，是辅助驾驶员判断 会遇局面必须使用的功能。
（3）显示方式选择：
使用雷达目标跟踪功能应选择方位稳定的显示方式，如N-up或 C-up，避免使用H-up显示方式。现代雷达在H-up显示方式下通常 会禁止目标跟踪功能。
2．本船艏向设置
确认雷达艏向复示器的读数应与本船艏向发送装置的示 数保持一致且随动正常。按照性能标准要求，在艏向信息失 效后1 min内，雷达应自动切换至艏向上不稳定模式，目标跟 踪功能停止工作。
BCR 20min后目标 的位置
相对矢量应用3：
相对矢量应用4：
估算BCR和BCT
预测目标未来的位置
真矢量应用一：直观地判断会遇态势
T1
T2
T3
T4 本船与目标T1成交叉态势，本船 为直航船，目标T1为让路船； 本船与T2同向同速，互不影响； 本船与目标T3成交叉会遇态势， 本船为让路船，目标T3为直航船； T4为固定目标，互不影响
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（五）试操船
当本船在避碰行动或导航中需要机动（改向或改速或艏向 航速同时改变）航行时，试操船可以在图形显示区域模拟本 船机动操作的未来态势，辅助驾驶员做出保障船舶航行安全 的有效避碰决策。
（六）目标跟踪流程
确认丢失
报警
丢失目标
确认危险
人工捕获 未跟踪目标 自动捕获 跟踪目标 报 警
确认删除
删除目标
（2）按照驾驶员及程序指令综合处理、分配和综合 （融合）船位、艏向、航速、AIS目标报告、雷达目标 跟踪、海图的水文地理信息等信息，完成目标跟踪信息 与其他传感器信息的融合。
（三）跟踪器 跟踪器通过硬件和软件配合，在主处理器协调下，完 成对目标的检测、捕获和跟踪，建立目标的运动轨迹，警 示危险目标，辅助提供避碰措施等功能。
二、目标捕获
SOLAS公约雷达最少捕获跟踪目标数量
船舶大小 500 GT以下 500 GT至10 000 GT以下 及10 000 GT以 下高速船 30 所有10 000 GT 及以上船舶
最少捕获雷达 目标数
20
40
（一）人工捕获 人工捕获目标时，应遵循驾驶员最关注目标优先捕获，即 船首（相对方位330~ 30） 、右舷（相对方位0~112.5 ）、 近距离（8 n mile以内的范围）的原则，船首、右舷、近距离 三者无先后顺序，应当结合当时海面状况综合判断。