船舶导航雷达

1、第四篇第四篇 航海仪器航海仪器 第九章第九章 船舶导航雷达船舶导航雷达 第九章 船舶导航雷达 第九章 船舶导航雷达 什么是雷达呢？什么是雷达呢？ 雷达雷达发射微波脉冲（即电磁波）对目标进行照发射微波脉冲（即电磁波）对目标进行照 射，同时接收射，同时接收目标目标对电磁波的对电磁波的反射反射回波，从而回波，从而发现发现 目标并测定其目标并测定其参数参数，即利用电磁波来完成对目标的，即利用电磁波来完成对目标的 成像、识别、检测、定位和跟踪。成像、识别、检测、定位和跟踪。 电磁波具有似光性，在地球表面近似电磁波具有似光性，在地球表面近似以光速直线以光速直线 传播传播，遇到物体后会被反射回去。，遇到物体

2、后会被反射回去。 英文：英文：Radar-Radio Detection Radar-Radio Detection And And RangingRanging，即，即 无线电探测与测距。无线电探测与测距。 应用应用于船舶导航的雷达成为于船舶导航的雷达成为船舶导航雷达船舶导航雷达 （Shipborne Navigation RadarShipborne Navigation Radar），亦称航海雷达），亦称航海雷达 （Marine RadarMarine Radar）或船用雷达）或船用雷达，在航海中，在航海中通常通常简称雷简称雷 达。达。 第九章 船舶导航雷达 IMOIMO在雷达性能标准中

3、指出在雷达性能标准中指出: :雷达通过显示雷达通过显示 和识别其他水面船只、障碍物和危险物、导航目和识别其他水面船只、障碍物和危险物、导航目 标和海岸线等相对于本船的位置，标和海岸线等相对于本船的位置，来帮助船舶安来帮助船舶安 全导航和避免碰撞全导航和避免碰撞。 雷达雷达能够及时发现远距离弱小目标能够及时发现远距离弱小目标，精确测，精确测 量本船相对目标的距离和方位，确定船舶位置，量本船相对目标的距离和方位，确定船舶位置， 引导船舶航行。通过传感器的支持，雷达还具备引导船舶航行。通过传感器的支持，雷达还具备 了目标识别与跟踪、地理参考信息显示等功能，了目标识别与跟踪、地理参考信息显示等功能，

4、能够更好地避免船舶碰撞，保障航行安全。能够更好地避免船舶碰撞，保障航行安全。 第九章 船舶导航雷达 第一节第一节 雷达目标探测与显示基本原理雷达目标探测与显示基本原理 第二节第二节 雷达雷达观测性能与观测观测性能与观测技术技术 第三节第三节 目标目标观测观测特性特性 第四节第四节 影响影响雷达正常观测的雷达正常观测的因素因素 第五节第五节 雷达雷达定位与定位与导航导航 第六节第六节 雷达雷达目标目标跟踪跟踪 第七节第七节 雷达显示雷达显示AISAIS报告报告目标目标 第八节第八节 影响影响目标跟踪精度的目标跟踪精度的因素因素 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原理目标探测与显示基本原理

5、在在雷达工作环境中雷达工作环境中，能够反射，能够反射雷达波的雷达波的物物 体，如岸线、岛屿、船舶、浮标、海浪、雨雪、体，如岸线、岛屿、船舶、浮标、海浪、雨雪、 云雾等等，统称为云雾等等，统称为目标目标。这些目标的雷达反射。这些目标的雷达反射 波波被被雷达天线接收后经过雷达天线接收后经过接收系统接收系统处理，处理，最终最终 在显示器上显示为加强亮点在显示器上显示为加强亮点，这些加强亮点就，这些加强亮点就 是是目标回波目标回波。 雷达系统将雷达传感器探测到的本船周围雷达系统将雷达传感器探测到的本船周围 目标以平面位置图像的方式显示在屏幕上。目标以平面位置图像的方式显示在屏幕上。 目标距离和方位的测

6、量都是在显示器上通目标距离和方位的测量都是在显示器上通 过测量目标回波来完成的。过测量目标回波来完成的。 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原理目标探测与显示基本原理 本船周围有一岛屿，另有本船周围有一岛屿，另有 一目标船与本船相向行驶一目标船与本船相向行驶 B B图为海平面图为海平面 俯视图，本船俯视图，本船 航向航向000000，目，目 标船航行在本标船航行在本 船右舷，岛屿船右舷，岛屿 在本船左舷后在本船左舷后 C C图为雷达屏幕，扫描图为雷达屏幕，扫描 中心（起始点）为本船中心（起始点）为本船 参考位置，量程为参考位置，量程为12n 12n milemile，即在雷达屏幕上，即在

7、雷达屏幕上 显示了以本船为中心显示了以本船为中心12n 12n milemile为半径的本船周围为半径的本船周围 海域的雷达回波。海域的雷达回波。 n雷达图像基本元素雷达图像基本元素 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原理目标探测与显示基本原理 统一公共基准点统一公共基准点CCRPCCRP（Consistence Common Consistence Common Reference PointReference Point）：是雷达）：是雷达IBSIBS（情报系统库（情报系统库 Information Bank SysremInformation Bank Sysrem）中的重要组成部

8、分，是）中的重要组成部分，是 雷达测量目标所得到的数据如距离、方位、相对雷达测量目标所得到的数据如距离、方位、相对 航向和航速、本船与目标船的最近会遇距离航向和航速、本船与目标船的最近会遇距离 （Distance to the Closet Point of ApproachDistance to the Closet Point of Approach，CPA)CPA) 和航行到最近会遇距离所需时间（和航行到最近会遇距离所需时间（Time to the Time to the Closet Point of ApproachCloset Point of Approach，TCPATCPA）

9、等的）等的参考点参考点， 通常是雷达天线辐射器在雷达屏幕上的对应位置。通常是雷达天线辐射器在雷达屏幕上的对应位置。 最性能标准要求最性能标准要求CCRPCCRP可以由驾驶员根据需可以由驾驶员根据需 要设置，典型位置通常为驾驶台指挥位置要设置，典型位置通常为驾驶台指挥位置。 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原理目标探测与显示基本原理 在雷达屏幕上，在雷达屏幕上，HLHL（Head LineHead Line）称为）称为船首线船首线，指示船，指示船 首方向，来自本船艏向装置（首方向，来自本船艏向装置（THDTHD）或陀螺罗经。）或陀螺罗经。 发自于扫描起始点的径向发自于扫描起始点的径向扫描

10、线扫描线在屏幕上沿顺时针方在屏幕上沿顺时针方 向匀速转动，转动周期与雷达天线在空间的转动周明一致。向匀速转动，转动周期与雷达天线在空间的转动周明一致。 屏幕上等间距的同心圆称为屏幕上等间距的同心圆称为固定距标圈固定距标圈（Range RingRange Ring， RRRR），每圈间隔），每圈间隔2n mile2n mile，用来估算日标的距离。与固定距，用来估算日标的距离。与固定距 标圈同心的虚线圆是标圈同心的虚线圆是活动距标圈活动距标圈（Variable Range MarkVariable Range Mark， VRMVRM），它可以由操作者随意调整半径，借助数据读出窗），它可以由操作

11、者随意调整半径，借助数据读出窗 口的指示测量目标的准确距离。口的指示测量目标的准确距离。 EBLEBL（Electronic Bearing LineElectronic Bearing Line）称为电子方位线称为电子方位线，通过，通过 面板操作控制其在屏幕的指向，借助数据读出窗口的指示或面板操作控制其在屏幕的指向，借助数据读出窗口的指示或 屏幕边缘显示的方位刻度，测量目标的方位。屏幕边缘显示的方位刻度，测量目标的方位。 很多雷达将很多雷达将VRM/EBLVRM/EBL联动，称为电子距离方位线联动，称为电子距离方位线 （ Electronic Range/ Bearing Line Elec

12、tronic Range/ Bearing Line，ERBLERBL）, ,可以通过一次性可以通过一次性 操作同时测量目标的距离和方位。操作同时测量目标的距离和方位。 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原理目标探测与显示基本原理 早期的雷达显早期的雷达显 示器也称示器也称PPIPPI（平面（平面 位置显示器），现位置显示器），现 代雷达采用平面光代雷达采用平面光 栅显示器取代了栅显示器取代了PPIPPI， 如右图。屏幕上包如右图。屏幕上包 括了雷达图像区域、括了雷达图像区域、 操作菜单区域、状操作菜单区域、状 态指示区域、数据态指示区域、数据 显示区域等。显示区域等。 通常，雷达屏通常

13、，雷达屏 幕上除了显示岛屿、幕上除了显示岛屿、 岸线、导航标忐、岸线、导航标忐、 船舶等对船舶导航船舶等对船舶导航 避碰安全航行有用避碰安全航行有用 的各种回波之外，的各种回波之外， 还无法避免地显示还无法避免地显示 出各种驾驶员不希望看到的回波，如海浪、雨雪、同频干扰、云雾、噪声、假出各种驾驶员不希望看到的回波，如海浪、雨雪、同频干扰、云雾、噪声、假 回波等。一个专业的雷达观测者，应能够在各种杂波干扰和复杂屏幕背景中分回波等。一个专业的雷达观测者，应能够在各种杂波干扰和复杂屏幕背景中分 辨出有用回波，引导船舶安全航行。辨出有用回波，引导船舶安全航行。 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本

14、原理目标探测与显示基本原理 雷达图像的特点雷达图像的特点： 由于雷达设备自身的性能、大气传播的条件、目标由于雷达设备自身的性能、大气传播的条件、目标 的反射能力以及周围环境的变化都会影响雷达图像的形的反射能力以及周围环境的变化都会影响雷达图像的形 成与质量，使雷达探测到的目标回波图像与真实目标相成与质量，使雷达探测到的目标回波图像与真实目标相 比，可能会有很大的变形，比如：比，可能会有很大的变形，比如： 雷达回波图像类似目标迎问天线面的垂直投影；雷达回波图像类似目标迎问天线面的垂直投影； 雷达只能探测目标的前沿，后沿被遮挡的部分无法雷达只能探测目标的前沿，后沿被遮挡的部分无法 探测和显示；探测

15、和显示； 目标的低矮部分（如沙滩）可能会被遮挡或回波微目标的低矮部分（如沙滩）可能会被遮挡或回波微 弱，也无法被探测到；弱，也无法被探测到； 雷达发射脉冲的宽度会使探测到的回波发生后沿雷达发射脉冲的宽度会使探测到的回波发生后沿 “拖尾拖尾”现象，造成回波与实际目标形状不相符；现象，造成回波与实际目标形状不相符； 雷达屏幕像素尺寸使回波的位置向周围扩展；雷达屏幕像素尺寸使回波的位置向周围扩展； 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原理目标探测与显示基本原理 雷达的辐射波束宽度引起回波沿周方向扩展，造成雷达的辐射波束宽度引起回波沿周方向扩展，造成 回波向左右扩展；回波向左右扩展； 船舶运动、涌

16、浪波动及雷达设备因素引起回波位置船舶运动、涌浪波动及雷达设备因素引起回波位置 闪烁不定，目标边缘不清晰；闪烁不定，目标边缘不清晰； 地球曲率影响雷达地平距离，远距离高大目标只有地球曲率影响雷达地平距离，远距离高大目标只有 顶端能够被探测到，图像与目标原貌甚至完全不同；顶端能够被探测到，图像与目标原貌甚至完全不同； 目标对雷达波的反射能力不同，造成回破强度差别目标对雷达波的反射能力不同，造成回破强度差别 好大，图像明暗不均；好大，图像明暗不均； 由于气象海况以及船舶吃水的变化，即使在同一海由于气象海况以及船舶吃水的变化，即使在同一海 域，船舶不同航次，回波图像也会有差别；域，船舶不同航次，回波图

17、像也会有差别； 雷达图像是动态图像，观测习惯和个人操作能力不雷达图像是动态图像，观测习惯和个人操作能力不 同，对图像的解释因人而异；同，对图像的解释因人而异； 由于以上所有因素综合影响，使雷达图像经常由于以上所有因素综合影响，使雷达图像经常 很难与海图和视觉影响相对应。很难与海图和视觉影响相对应。 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原理目标探测与显示基本原理 雷达测距原理雷达测距原理 利用电磁波特性：利用电磁波特性： （1 1）直接传播（微波波段）直接传播（微波波段） （2 2）匀速传播（同一媒质中）匀速传播（同一媒质中） （3 3）反射特性（在任何两种媒质的边界面）反射特性（在任何两种

18、媒质的边界面） 发射时刻：发射时刻：t1到达目标的时刻：到达目标的时刻：t1+（t2 - t1）/2 目标目标P R R 假设雷达发射电磁波脉冲的时刻为假设雷达发射电磁波脉冲的时刻为t1 t1， 接收反射回来的电磁波脉冲的时刻为接收反射回来的电磁波脉冲的时刻为t2 t2， 电磁波往返于雷达天线与目标之间的电磁波往返于雷达天线与目标之间的 时间为时间为t t，则，则t=t2 t1t=t2 t1，电磁波在空，电磁波在空 间传播的速间传播的速 度为度为C C（约（约3 310108 8m/sm/s），），则目标的距离：则目标的距离：R=CR=C* *t/2t/2 为了能在雷达屏幕上测量本船到目标船的

19、距离，工程师将电子从为了能在雷达屏幕上测量本船到目标船的距离，工程师将电子从 雷达回波图像区域中心扫描到边缘的时间（扫描线长度）设计成正雷达回波图像区域中心扫描到边缘的时间（扫描线长度）设计成正 好对应于雷达所选用量程的电磁波往返传播时间。例如：雷达好对应于雷达所选用量程的电磁波往返传播时间。例如：雷达12n 12n milemile的量程相当于雷达波传播了的量程相当于雷达波传播了24n mile24n mile，所花费的时间是，所花费的时间是148.2148.2 s s， 即扫描线的长度也应为即扫描线的长度也应为148.2148.2 s s ，从而使在，从而使在12n mile12n mil

20、e以内的任意海上目以内的任意海上目 标与本船的距离，与屏幕上目标显示的位置到回波图像区域中心的标与本船的距离，与屏幕上目标显示的位置到回波图像区域中心的 位置相准确对应，这样，驾驶员就可以利用距离测量工具（位置相准确对应，这样，驾驶员就可以利用距离测量工具（RRRR或或 VRMVRM）估算或准确测量目标的距离。）估算或准确测量目标的距离。 接收时刻接收时刻：t2 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原理目标探测与显示基本原理 雷达测方位原理雷达测方位原理 （1 1）利用电磁波特性。）利用电磁波特性。 （2 2）雷达）雷达天线是定向天线是定向圆周圆周 扫描扫描天线，在水平面天线，在水平面内，

21、内， 天线辐射天线辐射宽度宽度1 1，所以对，所以对 于每于每一特定时刻，雷达一特定时刻，雷达只只 能能向一个方向发射电磁波，向一个方向发射电磁波， 船舶天线俯视图船舶天线俯视图 扫描线扫描线 显示器显示器 船首线船首线 固定方位圈固定方位圈 0 0刻度方向刻度方向 天线的辐天线的辐 射方向射方向 （很尖锐）（很尖锐） 实际的实际的 船首线船首线 同时也只能同时也只能在在这个这个方向上方向上接收目标回波，实现这个方向的测向。接收目标回波，实现这个方向的测向。 同时雷达天线在空中以船首为方位同时雷达天线在空中以船首为方位参考基准，参考基准，环环360360 匀速转动，匀速转动， 从而实现不同方位

22、的测向，天线转速大约为为从而实现不同方位的测向，天线转速大约为为20RPM20RPM。 （3 3）雷达）雷达方位扫描系统能够以方位扫描系统能够以优于优于0.1 0.1 的的方位量化值，将方位量化值，将天线天线 相对于船艏相对于船艏的转动方位准确地记录在存储器中，并按照显示的转动方位准确地记录在存储器中，并按照显示的要的要 求求从存储器中读出从存储器中读出数据和送数据和送到屏幕显示。于是天线所探测到屏幕显示。于是天线所探测目标的目标的 相对相对方位就能够准确地显示在屏幕上，借助于电子方位线方位就能够准确地显示在屏幕上，借助于电子方位线，就可，就可 以以测量测量出目标出目标的的舷角。本船的航向知道的，因此也就可以得到目舷角。本船的航向知道的，因此也就可以得到目 标标的真方位的真方位了。了。 第一节第一节 雷达雷达目标探测与显示基本原