第九讲-航海雷达新技术

1、航海雷达新技术航海雷达新技术2022年年6月月26日星期日日星期日1上海海事大学上海海事大学应士君应士君一、一、 引言引言 航海雷达一直是用户群最大的雷达市场，目前，据不完全航海雷达一直是用户群最大的雷达市场，目前，据不完全估计，安装航海雷达的各类船舶超过估计，安装航海雷达的各类船舶超过300万艘，其中约有万艘，其中约有5万余艘是属于万余艘是属于SOLAS公约船，中国约有公约船，中国约有3千余艘；千余艘； 航海雷达分为两类：用于船舰导航的船用雷达和用于港口航海雷达分为两类：用于船舰导航的船用雷达和用于港口和海岸事务的港口雷达；和海岸事务的港口雷达； 2004年年IMO发布的雷达性能指标保留了发

2、布的雷达性能指标保留了X波段雷达对雷达信波段雷达对雷达信标和搜救应答器的兼容，但标和搜救应答器的兼容，但IMO鼓励使用相参雷达来提高鼓励使用相参雷达来提高在严重的海杂波条件下对目标的检测，在不超过航海雷达在严重的海杂波条件下对目标的检测，在不超过航海雷达频谱限制的情况下，允许发射频谱限制的情况下，允许发射3GHz的任意波形。这些技术的任意波形。这些技术得到了国际电信联盟得到了国际电信联盟ITU的同意的同意。 大型船舶配备的综合船桥系统大型船舶配备的综合船桥系统IBS对航海雷达提出了更高的对航海雷达提出了更高的要求。要求。23二、二、SOLASSOLAS公约的要求公约的要求300总吨及以上和全部

3、客船，需装备：总吨及以上和全部客船，需装备：l 1台台9GHz雷达或其他装置，用于确定和显示雷达应答器、其他水上船舶、障碍物、雷达或其他装置，用于确定和显示雷达应答器、其他水上船舶、障碍物、浮标、海岸线和航标的距离和方位，借以助航和避碰；浮标、海岸线和航标的距离和方位，借以助航和避碰；l 一套电子标绘装置（一套电子标绘装置（EPA）或其他装置，用电子方式标绘目标的距离和方位，以便）或其他装置，用电子方式标绘目标的距离和方位，以便确定碰撞危险；确定碰撞危险；l 600总吨及以上的雷达需配备自动跟踪（总吨及以上的雷达需配备自动跟踪（ATA）装置；）装置；所有所有3000总吨及以上船舶，需总吨及以上

4、船舶，需:l 再配置再配置1台台3GHz雷达，或第雷达，或第2台台9GHz雷达，或其他装置，用于确定和显示其他水雷达，或其他装置，用于确定和显示其他水上船舶、障碍物、浮标、海岸线和航标的距离和方位，借以助航和避碰，并与另一上船舶、障碍物、浮标、海岸线和航标的距离和方位，借以助航和避碰，并与另一台雷达在功能上是独立的。台雷达在功能上是独立的。l 第二台自动跟踪仪（第二台自动跟踪仪（ATA)，或其他装置，用于自动标绘其他目标的距离和方位，或其他装置，用于自动标绘其他目标的距离和方位，以确定碰撞危险。并且两台系统在功能上是独立的。以确定碰撞危险。并且两台系统在功能上是独立的。所有所有10 000总吨

5、及以上船舶，需配置：总吨及以上船舶，需配置：l 1台自动雷达标绘仪或其他装置，与台自动雷达标绘仪或其他装置，与1台指示相对于水的速度和航程的装置相连，用台指示相对于水的速度和航程的装置相连，用于自动标绘至少于自动标绘至少20个其他目标的距离和方位，以确定碰撞危险和模拟试验性操纵。个其他目标的距离和方位，以确定碰撞危险和模拟试验性操纵。l注：此为注：此为SOLAS2002年修改版。年修改版。船舶级别和显示器尺寸的要求：船舶级别和显示器尺寸的要求：4二、二、SOLASSOLAS公约的要求公约的要求船舶级别船舶级别小于小于500总吨总吨50010000总吨总吨10000总吨以上总吨以上最小操作区域直

6、径180mm250mm320mm最小显示区域195*195mm270*270mm340*340mm自动录取目标-是最小录取目标数203040最小显示激活的AIS目标数203040最小显示睡眠的AIS目标数100150200试操船-是5三、三、 航海雷达面临挑战航海雷达面临挑战1、环境：航海雷达需要在极端的环境条件下工作：、环境：航海雷达需要在极端的环境条件下工作： 在超常的温度下工作，世界上有些地方的温度会低于在超常的温度下工作，世界上有些地方的温度会低于-40C； 在强风、强振动、强冲击工作；在强风、强振动、强冲击工作； 需要在强降雨、盐水喷淋下工作；需要在强降雨、盐水喷淋下工作； 必须经受

7、巨大的温差变化必须经受巨大的温差变化-15+55C； 极大的动态范围，必须探测回波截面积从小于极大的动态范围，必须探测回波截面积从小于1m2到数万到数万m2的目标；的目标； 跟踪目标的速度能从跟踪目标的速度能从0到到100kn，在高速船上需要更大的相，在高速船上需要更大的相对速度；对速度； 安装在既不固定也不稳定的平台上。安装在既不固定也不稳定的平台上。62、探测性能：、探测性能：2004年年IMO修改了雷达的性能指标，已于修改了雷达的性能指标，已于2008年年7月月1日实施，日实施，IMO规定的探测概率为规定的探测概率为80%，虚警概率是，虚警概率是10-4；三、三、 航海雷达面临挑战航海雷

8、达面临挑战目标特点目标特点探测距离（海里）探测距离（海里）目标描述海岸线海岸线海岸线SOLAS船5000gtSOLAS船500gt海况（米）上至60上至6上至3105.09GHz208（7）611（7）83GHz208（7）611（7）8目标类型分布的分布的分布的复杂的复杂的配备雷达发射器的小型船舶4.05.03.7点目标无反射器小于10m的小型船舶2.03.43.0复杂的典型的导航浮标带角形发射器的浮标典型的水道标识器3.53.51.04.6（2）4.9（3）2.03.0（2）3.6（3）1.0点目标点目标点目标73、雨雪和海浪杂波的影响：、雨雪和海浪杂波的影响：三、三、 航海雷达面临挑战航

9、海雷达面临挑战 雨雪杂波：雨雪杂波： 圆极化天线；圆极化天线；FTC；3G波段的雷达；波段的雷达； 海杂波：海杂波： STC；相关处理技术；高速天线（；相关处理技术；高速天线（500r/min）和频率）和频率分集技术；分集技术； 垂直波束分裂：垂直波束分裂： 由于海面发射，会造成垂直波束的分裂，产生棘手的由于海面发射，会造成垂直波束的分裂，产生棘手的零位问题；零位问题；4、移动的平台：、移动的平台： 船舶的六自由度运动增加了船舶在航向和速度上的误差；船舶的六自由度运动增加了船舶在航向和速度上的误差；雷达取得的数据精度将受到影响。雷达取得的数据精度将受到影响。8三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷

10、达的发展趋势1、天线：、天线： 天线旁瓣性能要求：天线旁瓣性能要求：雷达类别雷达类别最大旁瓣电平（最大旁瓣电平（dB）10以内10以外SOLAS-23-30非SOLAS A类-20-23非SOLAS B+C类-18-199三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势2、倒余割平方天线：、倒余割平方天线： 垂直波束为倒余割平方形。垂直波束为倒余割平方形。 特点特点：天线水平方向以上空中辐射小；雷达最小作用距离雷达最小作用距离（近距盲区）小；对远近距离目标照射较均匀。适用于岸用（近距盲区）小；对远近距离目标照射较均匀。适用于岸用雷达和大型船舶雷达和大型船舶。10三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷

11、达的发展趋势3、大口径天线：、大口径天线： 口径垂直边尺寸口径垂直边尺寸 620mm。 特点：天线垂直波束窄（特点：天线垂直波束窄（ 4），增益大（），增益大（ 42dB ）11三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势 多部发射机通过同一天线同时或交替发射不同载频、但多部发射机通过同一天线同时或交替发射不同载频、但脉冲宽度和重复频率完全相同的信号。脉冲宽度和重复频率完全相同的信号。 回波信号经多路相应频率的接收机处理后叠加，再送到回波信号经多路相应频率的接收机处理后叠加，再送到显示器。显示器。 多种频率信号叠加可提高信噪比，降低目标回波起伏，多种频率信号叠加可提高信噪比，降低目标回波起伏

12、，增加雷达最大作用距离，提高雷达的测量精度、抗干扰能增加雷达最大作用距离，提高雷达的测量精度、抗干扰能力和可靠性。力和可靠性。12三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势13开缝波导天线的水平波束最大辐射方向一般与开缝波导天线的水平波束最大辐射方向一般与波导面的法线方向有一小夹角，称之为斜视角。波导面的法线方向有一小夹角，称之为斜视角。斜视角（斜视角（Squint）：）：斜视角大小与斜视角大小与频率有关，相频率有关，相应于频率分集应于频率分集的两个不同频的两个不同频率，斜视角分率，斜视角分别为别为F1和和F2三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势斜视角分离性能带来了一个附加优点：

13、斜视角分离性能带来了一个附加优点： 不同载频辐射的脉冲因斜视角分离使其辐射方向有一不同载频辐射的脉冲因斜视角分离使其辐射方向有一差别，对于旋转的天线来说，相当于对同一方向的辐射延差别，对于旋转的天线来说，相当于对同一方向的辐射延时，两波束之间时，两波束之间延时的典型值是延时的典型值是2040ms，一般海杂波发一般海杂波发生变化的时间（特别在大风浪时）比此大得多。利用回波生变化的时间（特别在大风浪时）比此大得多。利用回波进行积累时，不仅提供了频率分集，而且提供了时间分集。进行积累时，不仅提供了频率分集，而且提供了时间分集。 14总辐射功率是非相干集成的两个脉冲功率的总和。总辐射功率是非相干集成的

14、两个脉冲功率的总和。目标回波（相关性强）将相加，散射干扰源回波即目标回波（相关性强）将相加，散射干扰源回波即杂杂 波（相关性弱）将被平均而非相加。综合效果是减波（相关性弱）将被平均而非相加。综合效果是减弱干扰，增强目标的信杂比。弱干扰，增强目标的信杂比。 实测结果实测结果：比单频收发机工作：比单频收发机工作杂波减弱杂波减弱56dB，灵敏度自动增加灵敏度自动增加5dB；带给小起伏目标的收益典型值；带给小起伏目标的收益典型值为为6dB，总性能改善可达，总性能改善可达1012 dB。 来自许多独立脉冲的信号积累后，目标的起伏性减弱。来自许多独立脉冲的信号积累后，目标的起伏性减弱。三、三、 航海雷达的

15、发展趋势航海雷达的发展趋势15三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势 鉴于传统的航海雷达（非相参单脉冲机制）无法在抑制干鉴于传统的航海雷达（非相参单脉冲机制）无法在抑制干扰探测小目标方面取得根本性的突破。扰探测小目标方面取得根本性的突破。ITU推荐采用脉冲推荐采用脉冲压缩机制或压缩机制或WIMAX技术来解决海杂波背景中检测小目标的技术来解决海杂波背景中检测小目标的难题；难题； 航海雷达制造商把最初为宽带通信链路研制的氮化镓以及航海雷达制造商把最初为宽带通信链路研制的氮化镓以及其他微波功率半导体应用于雷达发射机以取代磁控管；其他微波功率半导体应用于雷达发射机以取代磁控管； 移动通信的需求

16、不断对移动通信的需求不断对ITU确定的航海雷达频谱限制施加确定的航海雷达频谱限制施加了压力，而固态雷达的峰值功率（了压力，而固态雷达的峰值功率（200W左右）与传统的左右）与传统的雷达（雷达（30Kw左右）相比，频谱干扰电平远远降低了。左右）相比，频谱干扰电平远远降低了。 英国的英国的Kelvin Hughes的的SharpEyeTM是固态相参雷达的一是固态相参雷达的一个成功例子，它是第一个符合个成功例子，它是第一个符合IMO要求的系统。峰值功率要求的系统。峰值功率170W，占空比，占空比10%。16三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势6、SharpEyeTM全固态雷达全固态雷达发射

17、机：没有磁控管了！发射机：没有磁控管了！接收机接收机17 全固态全固态脉冲脉冲多普勒多普勒功率功率合成合成恒虚警恒虚警杂波图杂波图连续动连续动目标检测目标检测提高动态范围、距离分辨率提高动态范围、距离分辨率增强了雷达的干扰抑制性能增强了雷达的干扰抑制性能 用脉冲压缩技术，全固态雷达的距离分辨率可以达到15m（所有量程）。图中的大船与小船均可清晰显示，而磁控管雷达无法达到这样高的分辨率。三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势18三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势30,000W19三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势应用脉冲压缩技术的长脉冲应用脉冲压缩技术的长脉冲17

18、0W20三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势全固态全固态脉冲脉冲多普勒多普勒功率功率合成合成恒虚警恒虚警杂波图杂波图连续动连续动目标检测目标检测大幅提高雨雾和海杂波环境大幅提高雨雾和海杂波环境下目标检测和跟踪的性能下目标检测和跟踪的性能21三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势目标目标雨雪雨雪陆地陆地海面0-10-20-30-606121824功率 (db)速度 (m/s)22三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势目标船舶高度目标船舶高度: 2m传统传统X波段雷达波段雷达发现概率距离 (nm)1.00.510523三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势目标船舶

19、高度: 2m固态雷达发现概率距离 (nm)1.00.510524三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势 在在80%80%发现概率，和恒发现概率，和恒虚警虚警1010-4-4的情况下，传的情况下，传统统S S波段雷达最远检测波段雷达最远检测目标至目标至2nm2nm，而固态，而固态S S波波段雷达可以检测到最远段雷达可以检测到最远5.5nm5.5nm的小目标（的小目标（0.5m0.5m2 2，高杂波环境下）。，高杂波环境下）。25三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势在在80%80%发现概率，和恒虚发现概率，和恒虚警警1010-4-4的情况下，传的情况下，传统统X X波段雷达难以检

20、测波段雷达难以检测到小目标，而锐眼到小目标，而锐眼X X波波段固态雷达可以检测段固态雷达可以检测到最远到最远7nm7nm的小目标的小目标（0.5m0.5m2 2，高杂波环境，高杂波环境下）。下）。26三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势全固态全固态脉冲脉冲多普勒多普勒功率功率合成合成恒虚警恒虚警杂波图杂波图连续动连续动目标检测目标检测S波段与波段与X波段收发机均可达到波段收发机均可达到MTBF超过超过50000小时小时, X&S二合二合一全固态雷达系统可用率超过一全固态雷达系统可用率超过99.9%X X波段全固态雷达拥有波段全固态雷达拥有1313级全固态功率放大器，锐级全固态

21、功率放大器，锐眼眼S S波段全固态雷达拥有波段全固态雷达拥有2 2级全固态功率放大器级全固态功率放大器更好的海杂波抑制更好的海杂波抑制效果和目标检测与效果和目标检测与跟踪跟踪效果跟踪跟踪效果锐眼雷达是全固态脉冲多普勒雷达，锐眼雷达是全固态脉冲多普勒雷达，因此与传统雷达相比具有很低的射因此与传统雷达相比具有很低的射频脉冲发射功率，通常在占空比为频脉冲发射功率，通常在占空比为10%10%的情况下峰值功率为的情况下峰值功率为170w170w，这，这样高的负荷比，来源于发射机的新样高的负荷比，来源于发射机的新型设计和脉冲压缩技术，因此在接型设计和脉冲压缩技术，因此在接收机接收时，假定脉冲压缩比收机接收

22、时，假定脉冲压缩比10001000：1 1的情况下，就可以获得的情况下，就可以获得170kw170kw峰值峰值发射功率的同等接收性能效果。发射功率的同等接收性能效果。27三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势检测性能：检测性能：28三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势29当三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势30三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势31三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势JRC固态雷达：固态雷达：32三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势33三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势34三、三、 航海雷达的发展趋势航海

23、雷达的发展趋势35三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势36三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势100mW超低发射功率，微波辐射量超低发射功率，微波辐射量小于移动电话的辐射量小于移动电话的辐射量海浪海浪/雨雪抑制优于磁控管常规脉冲雷达雨雪抑制优于磁控管常规脉冲雷达五倍以上五倍以上 画面清晰，近距避碰无盲区和失真图像画面清晰，近距避碰无盲区和失真图像按键即可发射，省去磁控管常规脉冲雷达按键即可发射，省去磁控管常规脉冲雷达预热时间预热时间近距目标分辨率高（超过一般近距目标分辨率高（超过一般X-波段雷达）波段雷达） 全自动设置无须人工调谐全自动设置无须人工调谐BR24型近距防碰固态

24、雷达型近距防碰固态雷达37三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势Broadband 雷达 17W4KW 脉冲雷达三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势7、硬件和操作系统、硬件和操作系统 采用图形工作站的硬件平台渐渐成为主流方式，采用成熟采用图形工作站的硬件平台渐渐成为主流方式，采用成熟的工控硬件平台可以大大缩短新技术雷达硬件的开发时间；的工控硬件平台可以大大缩短新技术雷达硬件的开发时间； ARM+DSP+GSP在小型雷达研发上具有广阔的前景；在小型雷达研发上具有广阔的前景； 实时操作系统（实时操作系统（Qnux和和vxWorks）和嵌入式操作系统）和嵌入式操作系统（Linux）

25、已经成为新技术雷达主要的操作系统。）已经成为新技术雷达主要的操作系统。 成熟的硬件平台和操作系统使得雷达的接口技术更成熟、成熟的硬件平台和操作系统使得雷达的接口技术更成熟、可靠和稳定，更适应综合船桥系统可靠和稳定，更适应综合船桥系统IBS的性能要求。的性能要求。39三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势8、雷达界面、雷达界面 由于大多新技术雷达都具有操作系统；雷达的操作界面逐由于大多新技术雷达都具有操作系统；雷达的操作界面逐渐趋向窗口化的图形界面，虚拟键盘和跟踪球成为主要的渐趋向窗口化的图形界面，虚拟键盘和跟踪球成为主要的输入设备，物理控制键逐渐减少；输入设备，物理控制键逐渐减少； 需

26、要确定一致公共参考点（需要确定一致公共参考点（CCRP），并在雷达显示器上），并在雷达显示器上显示一个成比例的本船显示一个成比例的本船； 必须显示本船的船位、参考坐标系；必须显示本船的船位、参考坐标系； 提供提供2个活动距标圈（个活动距标圈（VRM）、）、2根电子方位线（根电子方位线（EBL）和）和4根平行线（根平行线（PI）；）； 必须具有导航线、地图功能和航线功能；必须具有导航线、地图功能和航线功能；三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势41三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发展趋势9、海图雷达、海图雷达 根据根据IMO关于综合船桥系统关于综合船桥系统IBS的性能指标的要求，的性能指标的要求，IBS至至少必须配备一套少必须配备一套CHART RADAR； 采用官方矢量数据（采用官方矢量数据（ENC）作为雷达图像的底图；）作为雷达图像的底图； 必须定期更行官方海图数据（必须定期更行官方海图数据（ENC）；）； 通过网络共享海图数据；通过网络共享海图数据； 具有具有TCS功能；功能；42三、三、 航海雷达的发展趋势航海雷达的发