船用雷达终端显示系统

PAGEPAGE53第10章船用雷达终端显示器10.1概述雷达接收机将天线受到的微弱目标经高频放大、混频、中频放大、检波极信号处理后，尚需提取回波中的目标信息，再在经必要的加工后直观显示于显示器上，此过程由雷达终端来实现。现代雷达终端显示的基本内容含：目标数据的录取、数据处理及目标航行状态的显示的典型组成框图如图10－1所示。图10－1船用雷达终端的典型组成简框图0－1中，“目标录取”用于实现对来自雷达录取机的雷达目标回波存在的确认，并提取目标的方位、距离、航速等信息：“数据处理”完成目标数据的关联、航迹处理、数据滤波跟踪；方位角编码完成天线瞬间方位角数据的提取机其极坐标转换成直角平面坐标，“显示系统”完成目标的位置、运动状态及其它信息的显示。10.2船用雷达显示器件船用雷达终端显示器采用的显示器件有两大类；磁偏转阴极射线管﹙CRT﹚和液晶显示器﹙LCD﹚,终端显示器有多种扫描方式工作：对传统船用雷达CRT显示器，常采用径向园扫描方式；对现代船用雷达LCD显示器，常采用光栅扫描显示方式。按照需要显示的信息类型，可分为“一次信息”和“二次信息”显示。10.2.1阴极射线管CRT（CathodeRayTube）船用雷达要求使用具有余辉、亮度大、聚焦好、屏面尺寸大及磁偏转的CRT，以适应在宽阔海域中能得到较好的图像分辨力、清晰度及亮度画面的观测要求。雷达显示器常用的CRT有三类：静电式：电子束聚焦，由管内极板间静电场完成电子束偏转，简言静电聚焦、静电偏转CRT，常用于军用A型显示器，也常见于实验室的普通示波管；磁式：电子束的聚焦与偏转均由装在管颈外的线圈流入电流产生的磁场完成，传统船用雷达常用；混合式：静电聚焦、磁偏转，因其具有供电方便、消耗功率小、结构简单、偏转灵敏度高等诸如优点。船用雷达常被广泛采用的是混合式CRT。1.CRT构成原理1）单色混合式CRT其构成如图10－2所示。图10—2单色混合式CRT结构图10-3彩色CRT的结构示意图由图可见，混合式CRT由玻璃外壳、电子枪、荧光屏三大部分构成，工作时外加偏转线圈，形成偏转系统。玻璃外壳由芯柱、玻璃管颈、玻璃锥体和屏面玻璃四部分组成；电子枪装在管颈内，包括由灯丝、阴极、控制极和第一阳极组成的电子枪发射系统，而聚焦极和第二阳极组成电子枪主聚焦系统，与管颈相连的锥形玻璃体，其内表面涂有导电的石墨层；荧光屏是圆盘形，外表面是玻璃，中间是荧光粉，里面涂有很薄的铝层（膜），起隔离散热作用，管内被抽成高度真空。在工作时，CRT灯丝上一般加交流6.3V，以加热阴极。阴极为信号极，加入负极性回波视频脉冲信号和各种刻度脉冲信号。控制栅极加可调偏压，使用时用显示器面板上的“亮度”（Brilliance；Intensity）按钮调整和正极性方波即“辉亮脉冲”，用以控制阴极只在扫描期间内发射电子。第一阳极一般加＋500V（或＋600V）电压，以加快电子速度。在聚焦电极上加聚焦电压，实现电子束（静电）聚焦。第二阳极约加＋10KV特高压，加快电子束速度，轰击荧光粉，使荧光粉发光，从而在屏上显示雷达图像。2）彩色CRT构造原理其构成如图10－3所示。彩色显示是基于三基色原理，并利用空间混色法来构成。彩色显像管CRT是彩色显示器的重要器件，是显现彩色图像的关键器件。彩色显像管有三类：三枪三束荫罩管、单枪三束三网管及自会聚管。前二者是早期产品，现已少用。自会聚彩色显像管是在单枪三束三网管基础上发展成的，区别在于它利用了特殊的偏转线圈，且对改进了显像管内部的电路，从而使显像管不再依赖会聚电路，也使三条电子束在整个屏幕上具有较好的会聚。因不依赖外部会聚电路、会聚调整方便、生产维修容易等优点，故被现在几乎所有的彩色显示均采用这种显像管。“三基色原理”是建立在人眼变色的生理事实上，理解不难，实际如同人们熟悉的彩色电视机的红、绿、蓝“三基色”按不同比例混合而构成自然界各种物体的颜色。其基本工作原理是用灯丝加热阴极，使阴极发射发射电子，电子被加速剂加速和被聚焦极的电子透镜聚焦成很细的电子束，又受高压强电场进一步加速，以提高的速度轰击荧光屏上的荧光粉，将电能转变为光能。电子束在射向荧光屏的途中，还受到行、场偏转线圈磁场的作用，以控制电子束作扫描运动。加载阴极上的各种视频信号，不断改变着阴极与栅极之间的电位差，于是，图像信号的幅度变化被转换成屏上的的亮度变化，并与扫描同步，则在荧光屏上显示出图像。为了防止误击，在荧光面内侧设有选色电极（荫罩）。品型布置的电子枪，采用圆孔性荫罩。玻璃壳除设有荫罩外，还设有屏蔽地磁场用的内屏蔽罩。起作用是防止电子束手地磁场干扰发生絮乱和偏离，以防止电子束射向其它颜色的荧光体。在玻璃壳外侧装有偏转磁轭和色纯度会聚磁铁。偏转磁轭除了使电子束偏转扫描外，通过器磁场分布设计，通常还具有是三个电子束完全汇聚于荧光屏画面的功能。自会聚彩色CRT，在结构上采用仅歌迷一字型排列电子枪，不会在垂直方向失会聚，只要校正水平方向的失会聚即可。会聚校正之基本原理是利用磁场的非均匀性，对动态会聚误差自动校正。其中，垂直偏转线圈的磁场设计成桶形分布，水平偏转线圈的磁场设计成枕型分布。2.CRT的调制特性在船用雷达中，阴极电流的调制特性曲线如图10-4所示，显见，调制特性曲线斜率越大，其调制作用越明显。图10—4CRT阴极电流调制及栅极控制特性3.CRT电子束的聚焦原理CRT电子束的聚焦目的是为了能使电子束轰击荧光粉时，只能限在很小的点上发光，以确保所要的清晰度，能使人眼容易分辨出直线和点，要求光点直径限制在内。电子束的聚焦可采用静电聚焦和磁聚焦，船用雷达亦即电视机及计算机均采用静电聚焦的CRT。聚焦的电子枪，由灯丝、阴极、控制极及一个到几个对电子加速的阳极组成，如图10-5a)所示。图10-5CRT静电聚焦过程示意图a)电极、不均匀电场及电子束形状；b)“电子﹛光学﹜透镜”聚焦示意图图中，G1和A2之间形成的电场构成“预聚焦透镜”，其作用是将阴极发射的电子进行初步聚焦，使其焦点正好落在轴线上，成第一焦点，视为电子发射点，再由A1和A2组成“主聚焦透镜”再进行主聚焦，使形成第二焦点与荧光屏面重合，如图10-5b)示。采用三个金属圆筒组成的电子透镜，亦可完成电子束的聚焦作用，如图10-5b)所示。阴极、控制删极和加速阳极A1之间有高－低－高的静电场，形成一个短焦距的第一电子透镜组，称预焦透镜，使电子束会聚与加速阳极A1的管轴上。在加速阳极A1和第二阳极之间，有较长的焦距，称主焦透镜，而构成CRT的聚焦系统，通过调整聚焦极的电压，可改变电子透镜的电场分布，从而改变焦距，达到更好的聚焦效果。4.CRT电子束的偏转原理如果上述电子束聚焦后沿管颈轴线飞向荧光屏过程中受到外力作用，电子束运动方向会发生怎样的改变？采用的是在管颈外套上偏转线圈，并加入电流，便形成垂直于轴向的磁场B，宽度为L1，磁偏转原理示意图如图图10—6a)、b)所示。从偏转线圈中心位置到荧光屏屏面距离为L，电子束偏转角为，如图10—6a)所示,常用的半分布式空芯偏转线圈结构如图10—6b)所示。图10—6磁偏转原理示意图a)磁偏转原理；b)半分布式空芯偏转线圈结构经分析可简化得电子束在荧光屏上的偏移量D为式（10—1）式中：W为偏转线圈的匝数；I为偏转线圈中流入的电流；K为比例系数；L为偏转线圈中心只平面的距离；为CRT第二阳极。定义由单位安匝数产生的偏移量为“偏转灵敏度”h，即式（10—2）式（10—3）式中，为由偏转线圈结构决定的系数。5.荧光屏的余辉特性图像﹙形﹚信息是经荧光屏上的可见光信号显示出的，故荧光屏的特性将直接影响显示画面的质量。荧光屏的各特性参数如下：1）亮度特性：亮度是衡量光电发光亮暗程度的一个指标。亮度单位可用单位面积上发光强度来表示，常用“熙提”或“尼特”。在美英制中常用英尺·朗伯。它们之关系为1熙提＝1坎德拉／平方厘米﹙cd／cm2﹚；1尼特＝1坎德拉／平方米＝102；1英尺·朗伯＝1／坎德拉／英尺2＝0.00043熙提。荧光屏上光点的亮度，正比于屏接收到的电子束能量，或即正比于电子束的电流密度、加速极上的高压和电子束在荧光屏上的持续时间。影响亮度特性的主要因素：⑴荧光质的能量转换效率；⑵发光亮度与电子束的能量和电子束本身的电流密度有关；⑶发光亮度与电子束的能量积累有关。2）余辉特性：电子束在轰击荧光屏时将立即使荧光粉发光，电子束停止轰击后，光需要经过一段时间才能消失，此段时间称为余辉时间。工程上常将电子束停止停止轰击至亮度下降到初始值的10%所经历的时间定义为余辉时间。如表10–1所示。3）闪烁效应：在CRT显示图像或数据时，由于其信息量很大，电子束在荧光屏上将不断重复扫描。当重复频率过低时，观测者看到的是一亮一暗的图像或数据，称其为闪烁效应。对船用雷达而言，需要显示的图像能够稳定，通常采用长余辉荧光屏的CRT，其临界闪烁频率较低。过高的重复扫描频率，对整个系统工作频率要求过高，工程上也会产生一些困难。船用雷达实际使用的重复扫描频率为几百至几千Hz，不会出现闪烁现象。4）光谱特性：不同荧光质在电子束轰击下发出不同颜色的光的现象，称为光谱特性。10.2.2液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）1．LCD的构成原理及性能特点1）概述LCD是英文LiquidCrystalDisplay的缩写，即液晶显示器，后者目前彩色液晶屏LCD已成为市场主流。船用雷达／ARPA均采用彩色薄膜晶体管液晶显示器﹙TFT-LCDThinFilmTransistor—LiquidCrystalDisplay，本书此后简称为“”﹚，亦即真彩色液晶显示屏，显示效果较好。LCD使用于上世纪70年代初，开始作为一种显示媒体使用，应用范围被逐渐拓宽，而今，液晶显示器在船用雷达显示终端中的应用已趋普遍。上世纪80年代，欧美提出，掌握了STN-LCD（SuperTwistedNematic-LCD）的生产技术，STN屏幕，又称为超扭曲向列型液晶显示屏幕。在传统单色液晶显示器上加入彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，以此达到显示彩色的作用，颜色以淡绿色为和橘色为主。STN—LCD功耗小，但在较暗的环境中清晰度较差。1997年代后期，日本建成了一大批大基板尺寸的第三代LCD生产线。此间，韩国和我国台湾开始介入液晶显示器生产领域，我国内地企业也引进STN-LCD生产线，东亚地区逐渐发展成为世界液晶显示器的主要生产地。第三代半及第四代LCD生产线开始建立，日本，韩国和中国（含台湾省）在液晶显示器生产及技术上开始走在世界最前列。2）液晶显示结构原理LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含液晶(LC)材料的5μm等距分隔。液晶如同闸门般被光线控制通断。通电时液晶排列有序而导通，断电时排列混乱而不导通。彩色LCD显示器的工作原理及实现彩色显示原理要点为，液晶是一种特殊的可极化的液态晶体，是一种有机化合物。在一定的温度范围内，它既具有液体的流动性，也具有晶体的某些光学特性。其透明度和颜色随电场、磁场、光、温度等外界条件的变化而变化。液晶在电场作用下会产生各种光电效应，在电场作用下，晶体内的分子排列会发生变化，其光学特性如透明度、反射率或颜色等所致改变。这样，若将液晶放在外光源的光路上，则其光阻便可随加于液晶上外加电场的变化而变化。液晶显示器件正是根据这一原理制成的。液晶单元器件的结构剖面和液晶显示板结构示意图分别如图图10-7a)、b)所示。图10-7液晶单元器件的结构剖面和液晶显示板结构示意图a)液晶单元器件剖面略图；b)液晶显示板结构示意图由图10-7a)可见，它是由两片玻璃中间夹着液晶材料制成的。在玻璃上有透明电极，后者位于与液晶接触的玻璃面上。当加到透明电极上的电压产生的电场足够大时，液晶分子的排列就会改变，并导致液晶的光学传递特性发生变化。可见，可利用外加电场的变化来控制外光源透过液晶单元后输出的光强和颜色。由图10-7b)可见其结构有上、下两块玻璃基板。上基板用透明﹙如SnO2和In2O2﹚制成许多条的水平电板；下基板用金属线或导电玻璃线制成许多条状垂直电极，各水平与垂直电极相互正交，构成了矩阵结构，即显示像素单元的点阵。两基板间距为10～30m，其间充以液晶，观察方向自上向下。在进行矩阵式选址时，只要在相应的极加电压，在每一单元内的液晶材料受电场激励会改变光导特性，外界光照射时，单元光阻会发生变化，因而在显示板上呈现明暗不同的光点，用于显示所需的信息。基于上述LCD的结构以及显示信息的原理及其所具有的优点，尤其适应于平面矩阵型大屏幕显示的需求，不难理解为和LCD能被广泛应用的缘由。有源矩阵的主要开光有三端器件和两端器件。三端开端器件主要开关器件主要使用半导体薄膜晶体管（TFT）。目前，在计算机显示器和雷达显示器中使用的主要是TFT－LCD，而STN－LCD主要用于手机显示。液晶显示器件的功耗很低，为其突出优点，但其显示控制电路比较复杂，现采用专用集成电路与液晶显示器件配套，使用户应用十分方便。七段码中的一段字形的显示电路如图10-8所示。图10-8七段码中的一段字形的显示电路图中，A端接输人字形码，取“0”或“1"，B端接周期性矩形脉冲信号。当A＝1时，在异或门的输出端C则得到与B端同频反相的脉冲信号，将B和C端的信号加在显示器的两端，则得到所需要的电压为脉冲信号两倍的方波信号，因而显示器显示字形;而当A＝O时，异或门输出脉冲信号C与其输入信号B同频同相，从而使显示器的两端电压为0，显示器呈白色而不显示字形。电子束通过液晶层后发生强度变化，从而实现图像显示。10.2.3LCD液晶显示技术及其与CRT显示技术的比较1.LCD显示的优势⑴具有辐射小、耗电省、空间占用少等优点；⑵其主动矩阵的特点和STN-LCD相比，具有响应时间快、无闪烁等特点；⑶和STN-LCD相比，改善了STN(水波纹)-模糊的现象，提高了播放动态画面的能力；⑷比STN-LCD有更出色的色彩饱和度、还原能力和更高的对比度；⑸和CRT显示器相比，屏幕调节更方便可以通过"Auto"键自动调整。2.CRT比TFT液晶显示的优点⑴无像素损坏；⑵具有高质量的灰度系数﹙GAMMA﹚；⑶色纯度很好；⑷响应时间快25倍。的显示与传统CRT的显示技术特性的比较如表10—1所示。由表可见，液晶显示比CRT显示具有以下优点：①每平米亮度大；②聚焦效果更好，能够提供更加清晰的文本显示；③平面度高，具有真正平面；④无几何失真显示；⑤颜色可视度500～1700，范围与CRT显示同为1200，但TFT液晶显示从500开始，更适合观测者的视觉习惯；①信号输入：具有数字／模拟功能可选；②显示屏幕：无闪烁，避免注视屏幕时间长导致的视觉疲劳；③工作环境：无辐射；④电磁干扰：很小；⑤整机能耗：小1倍；⑥整机占用空间：很小，更适用于桌面系统；⑦整机重量较轻。而CRT显示比液晶显示优越处：①可视角大：约达1500（，而对比可视角范围仅600）；②CRT显示分辨率：有一系列可选择，且按屏幕要求可调整，而屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元即一个像素)；③CRT色彩显示：高质量，而仍存在不足。此外，价格昂贵，悬殊的价格差异,限制其更广泛的推广应用，随着技术进步，是可予解决的。从总体看，液晶显示技术要比CRT显示具有更多的优越性，其应用前景十分可观，此即CRT显示被TFT液晶显示淘汰的缘由。3.液晶显示器的主要参数液晶显示器的主要参数及分析如下：⑴可视角度：对称性，左右达到，上下不定。一般上下角度小于或等于左右角度。可视角度过小是的一大弊病。但很多新产品通过贴上补偿膜及提高配向分割次数，可视角度已接近160o。在需要场合还可以运用多屏无缝连接技术，实现360o全景显示。⑵亮度与对比度：背光光源亮度决定整台画面亮度及色彩的饱和度，亮度越高越好，测量单位为cd.m-2（每公尺平方烛光），亦称流明﹙Nit﹚。通常，200Nits才能表现出比较好的画面。可接受亮度为150（cd.m-2）以上，目前国内基本在200（cd.m-2）左右。⑶响应时间：响应时间反应了液晶显示器各像素点对输入信号的反应速度，此值愈小愈好。此值越小，运动画面才不会使用户有尾影拖拽的感觉。计算响应时间与所能播放最大帧数关系的公式为：F(帧数)=1秒/T（响应时间ms）。目前在动态画面显示存在一个不小的时延，因而导致出现拖影或者是跳帧的现象。⑷色彩：目前的色彩表现能力远逊于CRT。从理论而言，CRT可显示的色彩是无限的，而产品大都宣称能够显示1677万色，但实际均采用通过FRC(FrameRateControl)技术以仿真的方式来实现的，与真正的32位色相比相差甚远，因而在色彩的表现力和过渡方面仍然不及传统CRT。灰度方面的能力亦然。⑸分辨率：“分辨率”的概念源于CRT显示器。采用像素来表示液晶显示器的图像分辨率，LCD在制作过程中就已经将像素固定了，故其“最佳分辨率”亦即“最大分辨率”。目前能支持标准分辨率外的分辨率，一旦所设定的分辨率小于真实分辨率时，将有两种显示方式：一是居中显示，只有中间的像素会显示图象，其他未用到的点不会发光，画面似乎是居中缩小的；另一种是用的是类似插值算法进行扩展显示，但由于像素很容易发生扭曲，导致对显示效果产生一定影响。⑹刷新率：传统所用的CRT电子束是从屏幕左上角第一行开始，从左至右逐行扫描，一直到扫到右下角，形成完整个屏幕，周而复始。于是，我们就不难理解，为何显示器的分辨率越高，其所能达到的刷新率最大值就越低。而在中因每个像素都在持续不断地发光，因而其显示屏上不会有闪烁现象，无需刷新，不存在刷新率问题。10.3径向园扫描平面位置显示器径向园扫描含径向距离扫描和随天线旋转的园扫描，距离扫描起点时间与天线口开始发射的时间相同步，扫描长度代表所选用的量程距离。船用雷达采用的径向园扫描PPI的扫描方式的技术发展历史，先从动圈式PPI到定圈式PPI，而今发展到广泛采用的光栅扫描PPI。虽然扫描方式有多种，采用的显像管从阴极射线管CRT到液晶显示器，但上述的径向园扫描特征在终端显示屏上均得以呈现。10.3.1动圈式PPI动圈式PPI的方位是方位扫描是靠偏转线圈与天线同步旋转实现的，其优点是电路结构简单，因此得到广泛的应用。偏转线圈与天线同步旋转需要一套随动系统，且传动机构较复杂，精度也不够高，故在新型船用雷达中逐步被定圈式PPI所取代。动圈式PPI主要由距离扫描、方位扫描、距离和方位刻度、回波视频及辉亮控制等四个部分构成。动圈式PPI组成框图如图10-9所示。图10-9动圈式PPI组成框图1.扫描系统（SweepSystem）简述1）距离扫描系统（RangeSweepSystem）距离扫描系统的任务是同步脉冲的控制下，在偏转线圈中周期性的流过线性良好的锯齿形电流，以便形成随时间呈线性增长的偏转磁场，控制电子束在磁场中产生偏转（偏转方向与磁场方向垂直），在显示器上形成匀速径向扫描线。偏转线圈是距离扫描系统的负载。⑴系统组成框图和工作波形图10-9的上部，可见典型距离扫描系统电路由方波、梯形电压波、锯齿电流个产生器组成，在输入触发脉冲控制下，产生加到偏转线圈的锯齿电流，各部分主要波形如图所示。由于偏转线圈随天线同步转动，故锯齿形电流要通过圆形滑环接入到偏转线圈。为改善扫描线性，常用多级反馈电路构成的举起电流放大器。锯齿电流产生器产生过程中的梯形电压产生器在梯形电压方波控制下产生梯形电压波，而梯形电压是在受同步脉冲控制的方波产生器输出的扫描方波控制。方波、梯波、锯齿波的重复周期T（即同步脉冲的T），宽度称扫描持续期均以T1表示。在T1结束时，梯波、锯齿波均会出现后沿。本周期扫描至下周期扫描开始之间称间歇期或休止期T2，显然T＝T1＋T2。在每周锯齿形扫描持续期T1内，产生的锯齿波电流i流入偏转线圈，后者产生的偏转磁场线性增长，使屏上光点从屏中心作径向线性移动，形成一条距离扫描线。在T1后，电流减小，直至恢复到起始值。相应地，屏上光点从屏边缘移回屏中心原点，称回扫期。为了能在在回扫期不予辉亮，使屏上显示的图像清晰不乱，应使辉亮方波只出现在扫描持续期。图中画出的从同步脉冲控制起始的每一个波形及其标志起始时间的箭头。⑵对锯齿电流的特征参数和要求①锯齿电流波形偏转线圈中的锯齿电流波形如图图10-10。图10-10锯齿电流波形②锯齿电流参数T为扫描重复周期，，由同步脉冲定；T1为扫描持续期（工作期）；T2为扫描休止期（间歇期），；为扫描恢复期；Im为扫描电流最大幅度，决定扫描线长度。距离扫描持续期T1由所选量程RD定：在T1内，锯齿形电流是线性增长，即式（10—4）式中，K为锯齿电流变化率，在量程RD一定时，当iL为线性增长时，K应为常量，即⑶实际偏转线圈中电流和电压的关系实际的偏转线圈难免存在损耗电阻RL和分布电容CO，其等效电路及波形分别如图10-11⑵所示。图10-11偏转线圈的等效电路⑴等效电路；⑵波形图图中，为偏转线圈的电感，对船用雷达L约为几十h；为偏转线圈固有损耗电阻，仅零点几欧姆；为偏转线圈的分布电容。为在偏转线圈中获得锯齿电流iL(t)＝Kt，在偏转线圈两端应加的电压u应为跃升电压和锯齿电压组成，形成在偏转线圈上实际电压与电流。用于雷达中扫描或辉亮方波的宽度由量程开关选择，如通过改变单稳态电路中的暂稳期，即扫描持续期T10.7RC，不同量程所需的不同方波宽度可通过改变不同C得到不同T1，为此需要加一个可调电位器。不同量程的扫描方波、梯形波、锯齿波若干参数的变化均作相应的调整，在触发脉冲控制下，三个量程分别需要窄、中、宽不通宽度的方波、梯波及锯齿波；不同量程的梯波、锯齿波的速率不同，量程越小，速率越高；不同量程的梯波的起始台阶高度不同，量程越小，台阶越高。所有这些变换有操控面板上的量程控键控制。2）方位扫描系统（BearingSweepSystem）距离扫描线随天线同步旋转，称“方位扫描”，完成一次距离扫描时，实现方位扫描的装置称常称“方位扫描系统”。由于距离扫描周期TS比天线方位扫掠周期TA短得多，因而方位值基本不变，距离扫描线在显示屏幕上仍可视为一条径向的亮线。在动圈式PPI中，天线旋转信息通过隧洞系统控制偏转线圈的转动，从而实现荧光屏上的扫描线转角与天线转角同步。同时，通过同步脉冲控制调整同步的延时，实现显示器距离扫描开始时刻与天线口辐射电磁波时刻相同步。1）方位扫描系统组成原理⑴系统构成动圈式PPI方位扫描系统的构成原理，如图10-12所示，这是普通船用雷达常用的具有伺服放大器式的随动系统。图10-12方位扫描系统构成原理图图中：B1—方位同步发送机；B2—差动发送机；B3—方位同步接收机（接成同步变压器）；B4—罗经复示器；伺服放大器—角误差信号放大器；伺服电机或即执行电机。其中：B1装在天线底座里，其它装在显示器内。为相对方位／真方位；S1为罗经复示器控制开关；S2为转换控制开关。2）工作原理⑴船首向上相对方位扫描图10-14中，罗经方位信号开关S1开关断，处在R.B（或H.U）位置，相应的联动开关S2位于“0FF”。两开关状态如图中接法。雷达工作时，B1转子通以中频交流电（也有接工频交流船电），随天线同步旋转。若天线转过角度为，B1转子转，则在方位同步接收变压器B3次级感应角误差信号电压为式（10—8）式中：为对应于时的最大角误差信号电压；为同步变压器B3转子（R1－R2）与同步发送机B1转子偏差角。角误差信号电压加到伺服放大器进行电压和功率放大后，加到伺服电机M的控制绕组，使M的转子转动，再经齿轮96：1减速，带动偏转线圈L转过，使扫描线跟随天线同步地也转过；同时通过1：96升速，使B3子也转过，则误差信号电压消除，此后，过程同上，实现扫描线与天线同步旋转。可见，扫描线与天线同步旋转的过程，亦即在B3不断产生，又不断消除的循环过程，故又称“差控制”。当采用一级自整角机时，角传递误差可达0.25，相应的动态下的角误差信号电压0.2V。上述“伺服电机”M是二相交流感应电动机，其电动机上转矩M可表示为式（10—9）式中，为激磁绕组电压，如加60V，1000HZ；为控制绕组控制电压，来自伺服放大器输出；为与的相位差；为比例常数。⑵北向上真方位扫描图10-14中，开关S1开关处于断，图中，S1处在T.B（或N.U）位置，继电器K动作，差动发送机B2的三相定子分别接到方位同步三相定子；B2的三相转子分别接罗经复示器B4的三相定子。开关S2接到“ON”，罗经复示器B4罗航向接收机接通，其转子通过减速齿轮（齿轮装置传动比与罗航向发送机处齿轮升速传动比相同）带动差动发送机B2的三相转子转动，转动方向与航向变化方向相反，相对基准电零位转角与本船航向一致，使其合成磁场转角，因而使扫描线转角为天线转角与罗经航向角之和，即系统进入稳态后的北向上真方位扫描结构原理图如图10-13所示。图10-13北向上真方位扫描结构原理图显见差动发送机起到角加法器的作用。差动发送机和罗经复示器构成真方位稳定器。扫描线转角等于天线转角和本航向角之和，即，真方位扫描便得以实现。2）船用雷达方位扫描的几种显示方式处于本船位置固定在扫描中心的相对运动显示下有三种方式：船首向上、真北向上及航向向上。其特点分别简述为：⑴船首向上（Head-up）相对方位扫描方式雷达未和陀螺罗经方位传送系统相连接；以船首标志线H.L为基线，方位角为000；①H.L始终指000；②可测目标距离和舷角（目标相对方位角）。若要定位，需再加航向角才得到目标真方位角；③若本船改航向，则图像反转，图像仅相对于船首线而稳定，影响正常观测。适用于狭水道航行，图像直观，并与窗外实景一致；便于判明前方来船处在左舷还是右舷，有利于船船间避碰。如图10-14所示。图10—14船首向上相对方位扫描显示本船在=1\*GB3①处，H.L指000，目标A在右舷30、距离6nmile，显示于=1\*GB3①屏面上的A；本船直线航行到=2\*GB3②处，目标位于本船右舷90，3nmile处，显示于=2\*GB3②屏面上的B处；本船在=2\*GB3②处，右转45，目标位于本船右舷45，3nmile处有目标A，显示于=3\*GB3③屏面上的C处。为便于测读目标真方位，目前均采用待后介绍的电子方位线EBL。适用于需要判断目标处在本船的左舷或右舷。⑵真北向上（North-up）真方位扫描方式雷达方位系统与罗经方位传送系统相连接。以基线为真北N，处于000，（为本船航向角），同步但不同相，初相角即罗航向角。其特点有：①000为地球真北；②H.L指本船航向；③可直接测读目标距离和真方位角；④若本船改航向，仅H.L移动到新航向角上，显像稳，显像不因改向而转动。适用于海上船舶定位，但在＝180及附近，显像有倒置感，不便。（可用下述“3）”法解决）如图10-15所示。图10—15真北向上真方位扫描显示本船在=1\*GB3①处，H.L指050，右舷30（T.B＝080），6nmile处有目标A，显示于=1\*GB3①屏面上的A处；本船沿050航向航行到=2\*GB3②处，目标位于本船右舷90（正横，T.B＝140），3nmile处，显示于=2\*GB3②屏面上的B处；本船在=2\*GB3②处，右转45，H.L指095，而目标回波仍在T.B＝140，距离3nmile处不稳，显示于=3\*GB3③屏面上的C处。⑶航向向上（Course-up）真方位扫描方式雷达与罗经方位传送系统相连接。该方式综合了上述“艏向上”和“北向上”两种方位扫描显示方式优点，当改向完毕时，只要按一下“新航向向上”（）钮，则H.L、图像及可动方位圈一起转动，直至恢复H.L指000为止。因此，可一直保持直观画面的观测。如图10-16所示。图10—16船向向上真方位扫描显示本船在=1\*GB3①处，H.L指000，H.L指向可动方位圈的航向角050，右舷030（T.B＝080），距离6nmile处有目标A，其回波显示于=1\*GB3①屏面上的A处。本船沿050航向航行到=2\*GB3②处，目标位于本船右舷090（正横，T.B＝080），距离3nmile处，其回波显示于=2\*GB3②屏面上的B处；本船右转45，H.L指在可动方位圈上095，距离3nmile，目标回波位置不动，显示于=3\*GB3③屏面上的C处。当改向完毕，按了新航向向上“NewCourse-up”钮后，则H.L及可动方位圈的095转到固定方位刻度盘的000处，目标回波也转到相对方位045处，显示于=4\*GB3④平面上。上述三种方位扫描显示方式功能特点如表10—2所示。从而可知，航向向上综合了具有艏向上、北向上的优点，因而得到普遍应用。2.刻度系统1）距离刻度（Calibrator缩写CAL.）雷达测距的实质是将距离的测量变换为时间的测量。距离刻度系统可提供一定的时间尺度，用这个尺度在扫描线测定电磁波在雷达与目标之间的往返时间量，并把其对应的目标距离显示出来。对距离刻度系统的要求是：①测距读数准确。测距精度小于所用量程最大距离的1.5％或70m，取大者（IMO要求）；②测读方便、读数迅速。可用两种距离刻度（固定距标和可移距标）测读，固定距标和可移距标刻度亮度分别可调，按需选用。固定距标有圈距显示，随量程而变。可移距标现常用数字指示器；③电路及结构应力求简单、可靠。⑴固定距标系统模拟式船用雷达固定距标电路方波作用下产生与量程相适应的一串登时间间隔的窄脉冲。常采用由晶体振荡器、整形电路、分频器（由量程定几分频）、固定距标脉冲形成电路组成，其组成框图及时间波形图如图10—17所示。图10—17固定距标电路组成框图由图结合一例的数据，晶体振荡器在扫描负方波控制期间产生正弦振荡﹙其频率为，周期为，相当于﹚经整形电路使每周基振输出一个正方波﹙例如对方波进行2、4、8、16、40、80分频，相应输出相对于0.5、1、2、4、10、20方波﹚，送入选通门。同时，也将输入的未分频的相当于的方波也送入选通门。分频数按量程划分对应的海里数及基准震荡频率选定；选通门输出方波宽度受量程控制；距标脉冲形成电路对应于量程选择的选通门方波输出，经微分、放大输出等间隔的正向固定距标脉冲，送到视频混合放大器放大后加到CRT阴极。对应雷达量程的划分有相应的距离划分。例如，对应8个量程距离的分频数、对应各分频海里数、选通方波相应的海里数及各量程的固定距标圈数及圈距等编成表，如表10—3所示。由于不处在距标圈上的目标，只能大约估计其距离。因此，固定距标只能用于粗测目标距离。现代船用雷达的数字式固定距标的形成,可运用计算机图形产生技术,结合船用雷达的上述一例数据的特征构成的原理是简而易行的。⑵可移距标系统（VariabalRangMarker,缩写VRM）在扫描线上显示可移动的测距标志，天线旋转时成为半径可调的距标圈，称为“可移距标”，英文简称VRM，用于精测目标距离，以满足雷达精确定位的需求，距离读数由数据窗显示。产生可移距标的实质是形成一个相对于同步脉冲时延td可调的脉冲，在屏面形成半径可调的可移距标圈。现代船用雷达均采用数字式可移距标系统，并采用可区分的双可移距标圈，分别有两个距离读数窗。数字式可移距标电路由由扫描负方波触发的可移距标脉冲产生、移动距标脉冲形成、移动距标脉冲输出级和距离数码指示等各电路组成，其原理构成简框如图10—18所示。..图10—18数字式可移距标系统图例输入控制电路由输入的距离扫描方波前沿触发，产生的可移距标方波宽度受VRM测距控钮控制，当转动VRM控钮时，改变了决定可移距标方波的RC时间常数，从而调整方波宽度，可调范围为0.6～14832，对应于船用雷达的0.05nmile～120nmile的距离范围。可移距标方波经形成电路，取出与方波后沿对应的可移距标脉冲，时延为td，加到可移距标输出电路，该电路采用射极跟随器，具有阻抗匹配和前后隔离的作用。改变射极跟踪器供电电压，可进行VRM距标的亮度调节。输出的可移距标脉冲送到视频混合放大电路。距离数码指示电路通常由晶体振荡器、计数控制门电路、十进制计数器、译码器/驱动器和数码指示器组成。晶体管振荡器常采用三极管石英晶体振荡电路，以产生稳定度较高的基准振荡频率，满足船用雷达测距精度的要求。船用雷达常采用的测距单元距离为0.01nmile，对应的时钟周期为0.1235，即时钟频率为8090.5KHZ。在船用雷达中的数码指示器常采用荧光数码管，因其具有体积小、工作电压低、耗电小等优点而被广泛采用。2）方位刻度用于测读目标方位角数据的装置。船用雷达显示器现采用电方位刻度，电刻度有船首标志线H.L和可移电子方位线EBL，用EBL测目标方位，数码管显示距离，使用方便，精度较高，尤其适合偏心扫描情况。在现代船用雷达和港口交管雷达中还用固定电子方位刻度。下面简要予以简介。⑴船首标志线（HeadingFlashingLine缩写H．L）船首标志线H.L用来指示本船船首方向。雷达在正常工作时，船首线必须显示，只当需要观察船首方向是否存在微小目标回波时，才暂时切断显示。对船首线主要要求是必须在天线转到船首方向时才出现，且亮度足够且宽度合符要求。在港口交管雷达中，当然无需船首线，但显示真北标志短线，其形成的电路结构及原理与船首线类同。①触点式船首标志电路该电路在传统雷达中应用广泛。电路组成含船首标志触点和脉冲形成电路，如图10-19所示。图10—19触点式船首标志电路凸轮、触点装在天线底座里，每当天线转到船首向时，凸轮将触点闭合一次，使脉冲形成电路输出一个船首标志脉冲，经视频混合放大器加到CRT阴极。首标志脉冲其宽度（可预调）应保证显示的船首线亮度细而均匀，不随量程转换而变化。故需使船首线标志脉冲宽度能适应近、中、远量程时扫描线被增辉所需的次数，如图10-20所示。图10-20远、中、近量程锯齿波与船首脉冲的时间关系由于触点式电路的机械触点易磨损，易沾油污接触不良，导致开关失灵，目前已被无触点式船首标志电路所替代。②无触点式船首标志电路该电路的组成原理图如图10-21所示。图10-21无触点式船首标志形成原理电路由图可见，该电路是应用光电应产生船首标志脉冲的。带有一个小孔的圆盘与天线同步转动，转盘一侧有发光二极管，另一侧有光敏三极管。当天线转过船首方向时，发光二极管发的红外线通过转盘小孔使光敏三极管在光的作用下产生脉冲电流，在其射极电阻上可以取出船首标志脉冲，经放大处理送至视频混合放大器。在放大处理可包括上述的单稳态电路，且其输出的脉冲宽度一样要满足远、中、近量程形成同样船首线亮度的要求，如图10-21所示。⑵电子方位线（ElectronicBearingLine缩写EBL）的形成船用雷达的EBL产生电路也常分为触点式与无触点式两种。①触点式EBL其结构与触点式H.L电路相似。但EBL亮线应按需出现在360的任何角位置，触点开关作用随EBL操作控钮旋转而定。因测量迟缓，使用不便而被无触点电路所替代。②无触点式EBL无触点，又要使形成的EBL的方位由测方位旋钮控制，测读的目标方位数据可用数码管显示。一种应用方位同步机形成EBL的构成框图如图10-22所示。图10-22EBL电路结构原理简框方位同步机的三相分别与同步发送机三相定子并联，而其转子R1、R2则与EBL方位手轮（或控钮）相连。转子R1、R2的输出是受天线转角调制的已调波，已调波送相敏检波器，以检出正弦包络，经整形及方位脉冲形成电路，形成方位脉冲输出。关于方位计数及数码显示电路。要计数、显示，必须有计数脉冲，有开始计数的零位脉冲，以及计数到EBL所在方位时停止计数后的的方位脉冲。其形成原理图如图10-23所示，这种电路已被现代船用雷达所常用。图10-23计数器方位脉冲形成原理图方位刻度码盘上每隔开有一个小孔，码盘两侧有光源和光电变换器，后者由光电二极管VD1、光电放大器V1和钳位二极管VD2组成。3．视频一次处理及混合放大系统以上所述的固定距标、可移距标、船首标志、电子方位标志、真北标志等各种脉冲信号和目标回波视频信号进行混合放大，再加到CRT阴极，经过亮度调制后在荧光屏上显示。但在加到CRT前，还必须对上述各种信号作如下处理：对各路信号进行不失真放大，达到显像管正常显示所需要的调制幅值，约20V～40V。将各路信号进行混合，而又互不影响，需要采取隔离及匹配措施。对各路信号进行限幅及总限幅电平调整，或加对数衰减，以达到显像管显示亮度对比﹙强弱﹚满足观测者习惯的要求。目标回波视频脉冲信号在输入视频混合放大级之前，必须对存在的雨雪、海浪及同频雷达等各种干扰进行抑制处理，以提高显示的效果。1）视频混合放大的组成框图及主要技术要求⑴基本组成框图视频混合放大系统的组成框图如图10-24所示。图10-24视频混合放大器组成框图来自收发机的目标回波视频信号经过抗雨雪干扰电路及一级视频放大器后经抑制同频干扰电路后加入视频混合放大器，其中，船首标志、电方位标志、固定距标、可移标志等脉冲信号分别经隔离元件接入混频混合放大器。回波及各种标志信号经混合放大后经限幅、射极跟随器加到末级视频功率放大器，最后以负极性的混合信号送到CRT阴极，进行亮度调制，便能在CRT屏上显示之。⑵视频混合放大系统的主要技术要求要有足够的电压增益，以保证满足CRT控制栅极所需要的电压幅度；要有足够的视频通频带，力求减小被放大信号的失真；被放大的各种信号之间要有隔离措施，以减免相互影响；系统工作要稳定可靠。2）视频放大及视频一次处理雷达目标回波视频处理通常可分为一次图像处理和二次图形处理。雷达信号处理视为“一次处理”，雷达数据处理称为“二次处理”。此处进行的是“一次处理”。⑴雨雪干扰抑制（FastTimeConstant,缩写FTC）因雨雪反射产生对雷达目标回波的干扰，称为“雨雪干扰”。由于雷达分辨不出相邻雨点、相邻雪片之间距，其回波视频宽度变的很宽，导致因雨雪反射波产生的在屏上显示呈棉絮状亮斑、无明显边沿干扰特征的雷达回波图像。微分电路的构成原理框图如图10-25所示，图中“微分处理及控制”的电容一般为几十至几百pf（级间耦合电容为几个f），电阻很小，可直接用下级输入电阻。微分程度按需可调，以达到“去干扰、保目标”的效果，可以通过调整微分电路的时常数来实现。但微分本身也削弱了输出的回波视频幅值，而削弱程度与其阻、容时常数有关，时常数越大，回波削弱小，但干扰又去除不净；反之亦然。因此，为妥善抑制，使用中只要注意做到晴天不用雨天用，正确控制“晴／雨”开关即可。用近量程、中量程时，需要时常数较小，能完成抑制雨雪干扰和耦合窄脉冲、中脉冲的回波视频的目的；远量程时，需要时常数较大的耦合电路，适应远量程宽回波视频需求，以利于发现远距离目标。图10-26微分电路原理框图船用雷达常用反向偏置的稳压二极管替代常规小电容，当调整其反向偏压大小，稳压二极管等效的电容也随之而变，从而可按雨雪量大小，适当调整，力求去干扰保留目标回波，显示器面板控制采用电位器旋钮。可见，微分电路可成为一种将脉宽从宽变窄的简单电路，被应用雷达抗雨雪干扰电路或即快时间常数（FastTimeConstant，简称FTC）电路，其抑制雨雪干扰原理示图如图10-26所示。图10-25利用微分电路抑制雨雪干扰原理示意图a)波形：(a)目标回波与干扰合成混合脉冲、(b)微分、(c)削波；b)海上实景与屏上显示⑵同频雷达干扰抑制（SolveCorrelationProcessing）因邻近他船同频段雷达发射的电磁波进入本船雷达天线而产生的干扰，称为“同频雷达干扰”。由于海上船舶数量不断增加，尤其在船舶交通密度较大的水域，相邻船同频段雷达之间将产生同频异步雷达之间相互干扰现象。“同频”是指雷达的工作频段相同，如同为x波段；“异步”是指发生相互干扰的雷达发射脉冲（或距离扫描）重复频率与本船雷达扫描重复频率不同（重复频率相差1Hz亦称“异步”）。由于是“异步”的，故在彼此显示屏上看到的干扰亮点与扫描是非相关的，显示具有不稳定、随机出现的特征，但本船雷达目标回波与扫描因相同周期而成强相关的，故其显示亮点示呈现具有稳定的特征。这种特征成为人们思考抗同频雷达干扰技术对策的关键依据。采用相关处理技术，经过相关处理中，相关者为目标回波，输出；非相关者为干扰，被抑制，不输出。现代船用雷达视频处理中采用16分层，可进行相关处理复杂的运算。为避免按某种相关方法设计逻辑电路。现相关电路常用可编程阵列（PGA）或EPROM来实现，因而可以在实验中随时修改相关方法。如RACAL公司的BridgeＭaster系列雷达和ARPA采用16分层的相关处理，如图10-27所示。U88U88U88U88图10-2716分层相关处理图数字回波视频依次的写入与读出由程序控制触发脉冲进行。有3个存贮器RAMA、RAMB、RAMC，视频依次写入A、B、C存贮器中，且在写入其中一个存贮器时，前2次周期所存的两个存贮器中读出，并经相关处理输出。例如从100个触发到104个触发时，脉冲读写的关系的规则如下表，不断重复上述的循环。⑶反对数放大电路（Anti-LogarithmAmplifier）现代船用雷达接收机前端均采用了微波集成电路MIC集成块，其中含微波高放、本振和混频器。如前所述，微波高放已具有20db的增益，因此，可简化接收机的构成，一般都只用线性—对数中放。设在中频放大环节的对数中放，其对数压缩作用对接收机抗过载起了很大作用，但同时目标回波信号也被压缩了。为此，在视频放大环节增加了反对数放大电路，以挽回被对数放大引起的回波信号的压缩损失，如图例10-28所示。图10-28反对数放大图例来自收发机回波视频信号输入到视频放大级之前，先通过由CR1、CR2、CR3等构成的反对数放大电路。设线性－对数中放转折点定为1.4V，当输入视频信号电压<1.4V时（CR3阴极电位<1.4V），视频信号经R3（8K）的小信号加到视放V1级，对噪声衰减较大；当输入视频信号电压>1.4V时（CR1阴极电位>1.4V），视频信号经R2（560）、CR2、CR3加到视放V1，由噪声电平及放大曲线可以看出，回波视频信号衰减小，如图10-29所示。a)b)图10-29反对数放大的噪声特性及增益曲线a)信号与噪声电平；b)增益变化曲线⑷视频展宽电路（EchoStretch）远距离目标回波弱，在屏上显示回波亮点小、不易发现。为了能增加雷达对远距离目标回波弱小的发现能力，可将其回波视频脉冲通过由积分或限幅构成视频展宽电路，使回波视频脉冲的宽度被展宽，以增大屏上显示的回波亮点尺寸，因而容易被发现。但如果量程不分，都采用这种视频展宽电路，但有缺陷，必须对其采取相应对策：回波视频在被展宽处理之前，应先经过抑制海浪、雨雪干扰处理，以免在展宽目标回波同时，也展宽了海浪、雨雪回波，影响显示效果；视频展宽电路只适用于远量程。近量程工作不宜展宽发射窄脉冲回波，否则将导致由于回波展宽而破坏了原设计的近量程距离分辨力；由于回波展宽容易造成目标误跟踪。为此，需要对来自反对数的回波视频，经过视频展宽电路后实施控制，即控制视频展宽只能用于远量程。某船用雷达视频展宽电路的这种选择控制电路，如例图10-30所示。图10-30视频展宽电路的选用控制电路图10-32中，A、B、C、D为电子开关管，G1为与非门，G2为视频放大管。不用展宽视频时，G1“1”脚正常为“0”，近量程，G1“2”脚为“0”，①点为“1”，电子开关A通B、C通，C通，使来自反对数放大的视频经C1输出至组合视频放大级；D通，A断，展宽视频不能输出。用展宽视频时，G1“1”脚为“1”，远量程，G1“2”脚为“1”，G1输出低电位，=1\*GB3①点为“0”，B断，因而D断，=4\*GB3④点为“1”，A通，展宽视频得到输出，经C2送入视放级放大后输出；C断，使来自反对数放大的回波视频不能输出。⑸视频混合放大器船用雷达显示屏幕上显示的目标回波视频信号、固定距标圈（FRM）、可移距离圈（现有双VRM）、船首标志线（H.L）、电子方位线（现有双EBL或双REBL1,2）以及雷达性能监测信号等，所有这些信号相应的脉冲加到CRT阴极（或栅极），脉冲幅度一般需要20V以上，因而都需要对各相应脉冲进行放大。为共用一个视频脉冲放大器，各路脉冲可采用二级管隔离法，尽可能减小相互影响。现代船用雷达的一种视频混合放大原理电路的内含如图10-31所示。图10-31视频混合放大原理电路输入除回波视频信号外，还有FRM、VRM、H.L、EBL刻度脉冲信号，收发及天线等雷达性能检测信号及目标跟踪中的距离区域标志信号。隔离管均为各路信号的隔离二极管，综合视频放大管由单管接成，用双管接成互补射随视频功率放大器末级，综合视频输出送至CRT阴极（或栅极）或进一步处理成综合视频数字信号加到目前多用的液晶显示管。综合视频放大管阴极装有的高频补偿电感可增大了放大管高频负载阻抗，而高频补偿电容则起到射极负反馈电阻的高频旁路作用。末级输入端装有钳位管，用作视频限幅。3）现代船用雷达原始回波视频信号的采集处理这是雷达目标回波原始模拟信号的前端处理，处理内容含模拟信号的A／D转换处理，并受核心控制件FPGA＋DSP控制，DSP起到进一步处理的作用，然后送至上位机进行显示。采用现有高速数据采集处理系统均采用的FPGA＋DSP协同控制来构建处理系统的基本结构，是考虑在高速数据采集方面，FPGA具有DSP难以比拟的优势，诸如：FPGA的时钟频率高，其内部的时延小，全部控制逻辑均可由硬件完成。硬件电路的基本框架如图10-32所示。图10-32硬件电路的基本框架如图图中的FPGA在用作控制器的同时也用作数据通道，可对数据进行进行分配、预处理、扮演协处理的角色。且其集成高、体积小、功耗低，可以集采集控制、缓冲、处理、传输与一个芯片内，编程配置灵活，开发轴端，系统简单，易一直到雷达系统，使成本大为减低。因此，近年国外出现的新型船用雷达几乎均采用FPGA构建回波信号各种处理模块，如：用于信号处理单元的“SPUFPGA”,用于回波处理的“EchoFPGA”,及用于回波图像处理、绘图、显示等控制的“DRWFPGA”等。在时钟控制，经DVI驱动器送到液晶显示器LCD.。4）图像存储器图像存储器的性能优劣将直接影响图像显示质量，目前几乎均采用数字式图像存储器，具有主要优点如下：在其中的每个存储单元本身性能均完全均匀，不论一个数据存在哪个单元，读出来的仍是那一个数据；该存储器可以随意设计成和传感器分辨率有同样高的存储单元数，确保图像分辨率足够；该存储器可按所需的亮度等级或颜色种类来存储图像信息，故可以提供图像细节的显示；该存储器所存数据，不会因时间的推移或环境变化而衰减或消失；该存储器所存信息，能以高信噪比方式读出，故不会因读出而影响图像的忖度；该存储器的控制比较灵活，可以很方便地实现多画面的显示，因而可扩大显示功能，并可为各种新式传感器和工作方式提供发展潜力。图像存储器所存信息、数据可以按需而变，足见图像存储器是个大容量的随机读写的RAM，其地址数和屏幕画面的像素两相等，称“一址一像素”，在存储PPI图像时，写入地址来自坐标变换器X、Y的计数器提供，写入的信息来自数字化后的目标回波的数据；读出来自光栅扫描产生器，按光栅扫描要求顺序读出所存数据，其读出地址则由光栅扫描X和Y提供。在图10—33中的扫描变换器构成原理图中包含图像存储器，一种独立的图像存储器组成原理框图如图10-33所示。图10-33一种独立的图像存储器组成原理框图由图可见，图像存储器由RAM、地址选择、输入控制、输出控制以及时序控制等。其工作过程简述如下：写入操作时，时序控制器“开”输入；“断”输出：其一，发出控制信息，接通输入控制电路，断开输出控制电路，将量化目标回波数据加到存储体的数据输入端上；其二，发出信号可能告知地址选择器，选通写地址计数器的数据作为存储地址，然后再发出控制存储体写入的信号，将量化目标回波数据写在选定的地址上。读出操作时，时序控制器“断”输入；“开”输出：在地址选择器上将选通地址计数器的数据作为存储地址。在读操作脉冲控制下即可将存在该地址上的数据地址，并在辉亮控制系统上变成相应的模拟量，再控制显像管的调制电极。10.3.2定圈式平面显示器定圈式平面位置显示器与动圈式平面位置显示器的显示画面相同，二者组成都有距离扫描、方位扫描、距离和方位等各种刻度标志、回波及辉亮信号等。定圈式PPI和动圈式PPI的最大区别是形成方位扫描的方法不同。因此，本节不再重复在动圈式PPI中介绍过的各种刻度标志的形成及回波视频一次处理等内容，主要讨论的是定圈式PPI方位扫描的形成原理与方法，在此基础上，进行两种PPI性能的比较。从动圈式PPI已经了解到，形成扫描线随天线同步旋转的原因是偏转线圈随天线同步旋转，从而使偏转磁场随天线同步旋转。但在定圈式PPI中，绕在CRT管颈上的偏转线圈是固定的，又怎么形成随天线同步旋转的偏转磁场呢？这是定圈式PPI形成方位扫描的关键技术。1.方位扫描的基本原理在定圈式PPI中，固定套在CRT管颈上的两对相互垂直放置（或三对，在空间上差120度放置），扫描线的转动是靠x和y偏转线圈（以两对为例）产生旋转式扫描磁场来实现的。如图10-34所示。图中，合成磁场H＝KHt，是任意方向线性变化的磁场，该磁场能使电子束在与其垂直的方向进行扫描，从而形成径向（距离）扫描线。式（10—10）式中，为偏转磁场变化率；为合成磁场偏转角。图10-34磁场的分解与合成同理，若令x、y偏转线圈分别产生式（10—11）所示的两个磁场，则其空间合成的便是方向的磁场H，而扫描线将出现在（）方向，若令合成磁场H的偏角等于天线转角，则扫描线便与天线同步旋转。为了产生式（10—10）磁场，可分别在x、y偏转线圈中加入电流ix、iy，即式（10–11）亦即，锯齿扫描电流ix、iy的振幅受天线转角的正弦和余弦函数的调制，其波形如图10-35所示。图10-35产生径向圆扫描所需的水平和垂直磁场可见，在线性增长磁场（H＝KHt）作用下，电子束作直线等速运动，形成距离扫描；让＝，即磁场方向与天线同步旋转，实现了方位扫描。此即定圈式PPI径向圆扫描的基本原理。实际上，由于距离扫描的重复周期比天线旋转的周期小得多，例，，，，则天线转一周，距离扫描线达1200次之多。故对于一次距离扫描，天线可视为在一个方向固定不动，人眼在屏上看到的是一条径向距离扫描线，而这条直线则随天线而同步旋转。可见，如果说形成天线同步旋转的磁场是定圈式PPI形成方位扫描的技术关键，那么如何产生随天线同步旋转的正弦、余弦调幅的锯齿电流则是形成方位扫描技术关键的要点。2.正弦、余弦调幅扫描电流的形成定圈式PPI可分为先分解法和后分解法两种方法。先分解法，即先产生与天线转角成正弦和余弦关系的电压，然后再将其分别调制锯齿扫描波产生器，使锯齿扫描波的振幅随天线转角的正弦和余弦函数变化。实现这种方法较复杂，目前使用较少。后分解法，即先产生一串等幅锯齿电流波（或梯形电压波），然后分解成幅度与及成正比的分量，最后形成相应的锯齿扫描电流。此法实现较容易，长期被船用雷达所采用。下面主要讨论后分解式扫描电路及相关问题。1）后分解式扫描电路组成及工作波形后分解式扫描电路组图如图及波形如图10–36所示。 a)b)图10-36后分解式方位扫描电路框图a）组成框图；b）扫描波形由图可见，先由触发脉冲控制产生扫描方波，方波控制产生锯齿电压波，再经功率大成周期性等幅锯齿电压波，波形如图10—36b）中之=1\*GB3①；等幅锯齿波加到分解器（可用旋转变压器、正余弦电容器和正余弦电位器三种），此处选用船用雷达中广泛应用的旋转变压器，由于旋转变压器输入绕组随天线同步旋转，于是在其相互垂直的两个次级输出为正余弦调幅锯齿波，波形如图10–36b）中之=2\*GB3②、=3\*GB3③，因为旋转变压器不能传送直流，故称=2\*GB3②、=3\*GB3③为钳位前的波形；正余弦调幅锯齿波经锯齿电流放大，并经双向钳位，形成加到x、y两相偏转线圈，其波形经双向钳位后的，如图10–36b）中之=4\*GB3④、=5\*GB3⑤为“钳位后”的波形。此时，屏上扫描线才能从中心开始。如同动圈式PPI扫描系统，这里也需要有辉亮正方波加CRT栅极，以使扫描线发亮。分解器上面已提及的在后分解法定圈方位扫描系统中，可用三种分解器，而其中旋转变压器在船用雷达中得到广泛应用。旋转变压器是一种微型电机，共有三个绕组，其中两个定子绕组在空间位置互成90，另一绕组为转子，处在两定子绕组中央，可由天线带动旋转。如图10–37所示。图10–37旋转变压器示意图转子随天线转动时，转子与定子之间的互感是转子转角的函数。若转子绕组加上电压e(t)＝Kt，则两定子绕组感应的电动势为式（10–12）旋转变压器用作分解器的突出优点是：=1\*GB3①可以变压；=2\*GB3②传输效率高；=3\*GB3③可放在天线底座内，让天线带着其转子转动，从而可免装显示器内的机械式方位角传动装置。由于旋转变压器不能传输锯齿波中的直流分量（旋转电容器分解器亦同），因而在其定子两绕组（次级）输出的调幅锯齿波中的每一个锯齿波均非从零开始，再将它经电流放大后加到偏转线圈，为此，还需要爱哦加上双向钳位电路。3.定圈式PPI的组成原理及特点图10–38式的PPI组成框图，如图10–38所示。图10–38采用后分解的定圈式PPI组成框图在触发脉冲控制下，产生周期性方波脉冲。方波脉冲有六路输出：一是加到梯形电压产生器，产生的锯齿电压波加到经功率放大，在旋转变压器转子绕组“1”中形成周期性等幅锯齿电流波，于是在空间位置相互垂直的两相定子绕组“2”和“3”中，由于转角与天线同步旋转，故两相定子绕组产生已调锯齿波，经双向钳位，加到x、y偏转线圈，使扫描线与天线同步旋转；二是加到两个双向钳位电路，使已调锯齿波恢复直流电位；三是经辉亮电路加到CRT控制栅极，辉亮屏上扫描线；四是加到固定距标电路，产生固定距标脉冲（FRM）加到视频混合放大器；五是加到可移距标电路，产生可移距标脉冲（VRM）加到视频混合放大器，与前所述的船首标志脉冲（H.L）与电子方位线（EBL）以及目标回波视频经放大与抗干扰处理后也加至视频混合放大器，经放大后送入CRT阴极，屏上显示回波及各种刻度标志。综上可见，和动圈式PPI相比，定圈式PPI有下列特点：⑴采用两相（或三相）固定不动的偏转线圈。免去了动圈式PPI方位扫描所需的复杂的各种支架和齿轮装置，维护简单、可靠。⑵增加双向钳位电路。恢复锯齿波经旋转变压器传输后失去的直流成份，电路复杂、制造工艺较困难。⑶省去“中心偏移线圈”。有了固定偏转线圈，实现偏心显示或真运动显示无需另外增加偏移线圈，适用于多个显示器。中得到广泛的应用。综上可见，和动圈式PPI相比，定圈式PPI有下列特点：⑴采用两相（或三相）固定不动的偏转线圈。免去了动圈式PPI方位扫描所需的复杂的各种支架和齿轮装置，维护简单、可靠；⑵增加双向钳位电路；恢复锯齿波经旋转变压器传输后失去的直流成份，电路复杂、制造工艺较困难；⑶省去“中心偏移线圈”。用固定式偏转线圈，可实现偏心显示或真运动显示，适用于多个显示器；⑷可采用间扫技术。可实现各种字符显示及产生电子方位线。正是定圈式PPI的上述的诸多特点，导致至今仍在船用雷达模拟视频显示的设备中得到广泛的应用。10.3.3视频再定时显示1．实时扫描显示方式存在的缺陷按照描述视频显示与天线口发射的时间关系的不同，雷达回波视频的显示方式可分为实时显示方式和非实时显示方式。回波视频显示与天线口发射是同步的、实时的、称实时显示方式，如在此前所述的时间波形关系；回波视频显存后显示，并与天线口发射是不同步、不同时的称非实时显示方式，稍后介绍。在实时显示方式中，雷达发射与扫描均用触发脉冲同步，更换量程是靠改变锯齿波上升速率及扫描持续期来实现，如图10-39所示。这种传统的实时显示方式存在以下缺陷：1）难以实现高亮度显示。在屏直径，或即扫描线长一定时，改变量程就需要改变扫描速率和持续期。近量程的扫描持续时间短，扫描速率快，扫描线上单位长度的电荷积累少，回波图像暗，尤其弱小目标不容易发现；白天无遮光罩时，只能一人观测，降低使用效率，若采用全遮光观测，内外环境亮度变化大，容易造成人眼短时间“失明”现象，感觉不适。尽管人们对此问题采取了技术措施，即让CRT的控制栅极加的负极性偏压，幅值随量程而变，但效果欠佳。当从近量程到远量程逐一变换时，会发现扫描线及回波视频图像等的显示亮度从较暗到很亮，往往还需要人工再调整屏幕亮度钮。2）显示器可靠性欠高。由于近量程扫描速率快，当扫描结束时，在偏转线圈中产生的反电动势大。为保证末级工作电压满足要求，采取了末级电源电压随近、中、远不同量程而变的措施，近量程末级电源电压很高，造成显示器可靠性下降；量程改变时，扫描方波、梯形电压波、锯齿波、固定距标电路的元件参数及扫描末级管电源电压、CRT栅极负偏压等，均须用机械式多刀、多位波段开关，此类器件日久易坏，导致显示器可靠性下降。如何克服上述实时扫描显示方式存在的缺陷？人们曾做过很多努力。在显示器设计过程中，已经充分考虑影响CRT阴极发射电子束强度的诸多因素，包括在阳极特高压、阴极发射面积、聚焦性能及视频幅度等方面；并在屏照射时间长短方面，力求降低扫描速率；增加回波积累数，采用视频展宽技术等等。这些改进设计也产生一定的效果，但仍然不尽如人意。传统的实时扫描显示的亮度已无潜力可挖，要想提高显示亮度，只能从显示体制上寻找出路。2．视频再定时非实时扫描显示的原理及特点回波视频显示与天线口发射不同步、二者不同时称非实时扫描显示方式，其回波视频信号经视频处理子系统时有较长时间的延时，如图10-39所示时间波形关系。图10-39非实时扫描显示方式的时间波形图从10—39波形图可见非实时扫描显示方式与传统实时扫描显示方式的区别在于：同步信号=1\*GB3①送到显示器经定时子系统（用于产生视频、扫描、刻度等各子系统所需的各种定时控制信号）稍加延时后产生的不是扫描方波而是写门信号=3\*GB3③，写门宽度由量程开关决定。在写门宽度期间，回波视频信号②经量化处理后用合适的时钟频率（由量程而定）快速实时地写入RAM，写入与发射同步。当写门结束时，读门=4\*GB3④开始，数字回波视频信号=5\*GB3⑤以固定时钟从RAM读出，读出与扫描同步，并经D/A变换后送入CRT阴极。在数字回波视频信号读出同时，扫描锯齿波⑻、辉亮方波⑦及固定距标=9\*GB3⑨等刻度信号在与读门同步地在扫描门=6\*GB3⑥控制下同步工作。可见，在视频读出期间产生的扫描门、扫描持续期、扫描速率及刻度标志是固定不变的，例如，通常选用6nm量程对应时间。更换量程只需改变写入时钟频率、写门宽度，而不改变扫描持续期及扫描速率。总之，快速写入与天线同步，而慢速读出、回波显示、扫描等不和天线同步，此即称其为“非实时”的缘由。综上，可归纳出非实时扫描显示方式具有下列特点：量程变换，只改变写门宽度与写时钟频率，而不改变扫描速率，因此，扫描线亮度均匀，可实现高亮度显示；选用中程量程，扫描速率固定，不存在扫描末级用的电压很高导致的问题，提高显示器可靠性；量程变换，读门宽度、扫描速率、读时钟频率固定，只需一种无须用机械多刀多位开关，也提高了显示器工作可靠性。3．视频再定时处理从RAM中读出视频的速率可以比写入速率低或高，视频读出速率比写入速率低，称“视频扩展”，反之，则称“视频压缩”。上述非实时扫描显示是快速写入，慢速读出，因此属视频扩展。雷达高亮度显示的关键和难点在近量程。只要将显示近量程目标回波的扫描时间与上述慢速读出的视频回波同步展宽，便可提高显示器的亮度。1)写/读时钟频率计算上述快写慢读都靠写门和读门内时钟来实现，故需要分别进行合理的时钟频率计算。⑴写频率计算回波视频写入RAM过程由写门宽度和写入时钟控制，并决定量程。写时钟频率fW取决于每档量程上距离单元数N与量程所对应的写入时间TW（实为写门宽度），写入与发射同步，则式（10—13）例如：程距离；写入时间，考虑到偏心及留余量，取；距离单元数；则：。⑵读频率计算读出与扫描同步，各量程档均相同。式中，fR为读时钟频率；TR为对应量程的读出时间，对12nmile并考虑留余量，固定为158.2s。例如：，，，则。实际应用中，在保证固定比例关系的前提下，RAM写入、读出的fCP以及存贮器，亦即量程距离单元数可互相配合，随量程变换作适当改变。以D-ARPA为例，如表10－4所示。2)处理实例设量程：RD＝1、2、4、8、16、32、64nmile；显示扫描速率：固定选为中间量程8nmile100（实为98.4）；距离量化单元：共100，对应1。选100个存贮单元与RAM相对应，将每个内的回波视频经量化后存入相应的存贮单元内，如图10-40所示。图10—40量程扫描线与存储单元关系设选量程为RD＝8nm，对应扫描线长为LS，若在4nmile处有一回波，考察用不同量程时的工作情况及写、读频率。⑴8nm量程（100）发射后产生目标回波，控制RAM写入时钟频率fC＝1MHZ，于是4nmile（相应50s）处回波存入RAM第50个存贮单元。写门结束，读门开始，控制RAM读出的时钟频率仍为fCP＝1MHZ。于是处的目标回波显示在LS/2处。⑵16nm量程（200）回波写入时钟频率，处的目标回波存入RAM第25个存贮单元。写终读始，读出时钟频率fCP仍为1，故处的目标回波显示在LS/4处。⑶32nm量程（400）回波写入时钟频率，其中。写终读始，读出时钟频率仍为，故（对应）处的目标回波显示在处。……综上，以随量程而变的写时钟频率在写门内，将目标回波与发射同步地写入RAM；写终读始或在适当时候，以相同的读出频率，与扫描同步的从RAM读出目标回波并显示。由于显示器扫描量程是选定不变的，因此，可达到不变速率，只变回波视频写入的时钟频率，达到实现变换量程的目的，从而实现高亮度显示。3)视频再定时处理显示的优点：可实现雷达高亮度显示；便于采用解相关处理技术抗干扰；显示器具有独立性，便于与不同产品的收发机配套使用；提高显示器工作可靠性。故上述多项优点，在船用雷达广泛采用光栅扫描之前的雷达／ARPA中曾被普遍采用。10.4光栅扫描显示系统10.4.1概述船用雷达自40年代中期出现之后，一直采用长余辉阴极射线管﹙CRT﹚作为显像管来显示雷达回波图像。由于CRT的长余辉时间是固定的，限制了所显示回波图像的质量。20世纪60年代出现了模拟式扫描转换器，后者将雷达图像转换成电视格式显示，但因其结构复杂、可靠性差等原因，而被迅速发展的数字技术所替代。70年代，出现了以数字式扫描转换和CRT为核心的多传感融入的显示系统呈现出实用的价值，同期出现了自动雷达标绘仪ARPA﹙AutomaticRaderPilotingAids﹚。80年代中期，由于光栅扫描显示器所需的各种固态显示器关键器件，诸如液晶板、超级图形芯片、高速大容量存储器、高速多功能彩色查找表等超大规模集成电路芯片，均得到突破性进展促使光栅扫描显示器在速度、分辨力及即图形加工能力均达到一个可能空前的水平。1986年，公司又先后推出、图形芯片。光栅扫描显示技术最早在电视显示中应用。1984年出现第一台符合IMO