船舶交通管理系统VTS3(130823).ppt

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1、船舶交通管理电子系统(第3章)2021/9/241第第3章章 雷达子系统雷达子系统3.1 3.1 交管雷达的功能与组成一、基本功能与特点一、基本功能与特点1、主要用途、主要用途（1）监视）监视 监视管理水域内的船舶航行及违章行为，监视航路标志及锚泊状况；（2）导航）导航 引导船舶进出港及锚泊，保证船舶雾航、夜航安全，提高船舶营运效率；（3）提供信息）提供信息 以信号、图像等形式提供有关船舶航行的信息（包括船舶位置、船舶分布、以及船舶的运动信息等）。2021/9/2422、基本功能、基本功能 （1）探测 （2）定位 （3）显示 （4）信息源 3、主要特点、主要特点 （1）较高的定位精度和分辨力；

2、（2）低噪声、大动态范围的接收性能；（3）较强的杂波抑制能力；（4）高可靠性；（5）较高的自检和自控能力等。2021/9/2434、导航雷达基本原理、导航雷达基本原理1）雷达的基本概念）雷达的基本概念雷达：雷达：利用电磁波的二次辐射、转发或固有辐射来探测目标，获取目标空间坐标、速度、特征等信息的一种无线电装置。雷达目标雷达目标（target）：形成对雷达电波反射并在接收机产生回波信号的物体。2021/9/2442 2）雷达探测目标的方法雷达探测目标的方法（1 1）利用目标的电磁波二次辐射现象探测目标）利用目标的电磁波二次辐射现象探测目标 电磁波在介质中传播，遇到任何电性能与传播介质有差异的物体

3、都会产生二次辐射现象。目标各点产生的二次辐射电磁波与原来的电磁波相互干涉叠加，产生反射、散射、绕射三种情况。反射反射如果目标受到照射部分的尺寸远大于电磁波波长，且其表面非常平滑，电磁波传播方向改变，入射角等于反射角。2021/9/245 散射散射如果目标尺寸远大于电磁波波长，但其表面粗糙，各单元的二次辐射指向不同，强度与分布又极不均匀，具有随机性质。绕射绕射如果目标尺寸远小于电磁波波长，使电磁波连续弯折绕过目标，朝其背后继续传播。谐振谐振当目标尺寸与电磁波波长相比拟时，特别是当目标是一个导体，其指向与电磁波的电场矢量相平行，相当一个电偶极子在电磁波强迫振动下产生的二次辐射，形成特殊的天线效应。

4、2021/9/246 对一个复杂目标来说，反射、散射、绕射、“谐振”二次辐射可能同时发生，但有主次之分。对大量目标来说，往往散射是主要的。除了完全绕射情况之外，反射、散射、“谐振”二次辐射都可以用来发现目标。主动雷达主动雷达（active radar）：雷达向空间发射无线电波，利用后向散射探测目标，也称为有源雷达有源雷达。2021/9/2472 2）雷达测量目标距离的方法雷达测量目标距离的方法（1）基本原理）基本原理目标的距离目标的距离R为：式中，tR为电磁波往返传播引起的时延；C为电磁波在自由空间中传播的速度，数值为3108m/s；1s相当于150m。R目标雷达2021/9/248（2）脉冲

5、法测距）脉冲法测距幅度调制幅度调制原理图示：发射脉冲接收反射脉冲目标2目标1目标1目标2收发共用天线TF2021/9/249电磁波在均匀介质中的等速直线传播特性；天线的定向辐射与接收。雷达测角有振幅法和相位法。3 3）雷达测量目标角度的方法雷达测量目标角度的方法雷达的方向性图为尖锐的瓣形。由天线扫描机构将波束旋转至目标方向，使接收的目标回波达到最大值，则此刻天线波束的指向即为目标方向。目标的角坐标数据即可由天线旋转角确定。零度起点可规定为真北向或船首向等。2021/9/2410二、基本组成基本组成 雷达子系统组成框图控制单元收发机A收发机B显示器信息传输或数据处理子系统波导转换开关雷达天线20

6、21/9/2411三、使用性能三、使用性能1、探测范围、探测范围（1）方位范围：视管理水域环境条件及投资而定；（2）距离范围港外搜索和监视雷达：4050Nmile；航道监视雷达：10-20 Nmile；港区泊位和船舶动态监视：5-6Nmile（浓雾，中型浮标，Pd95%）;8-10Nmile（浓雾，10m长小 船，Pd95%）;14Nmile（浓雾，中型船舶，Pd95%）;2021/9/2413ho（2）最小作用距离）最小作用距离Rmin 表示雷达观测近距离小目标的能力。Rmin=(hA-ho)ctg(kA)内内在在因因素素：脉冲宽度、接收机灵敏度恢复时间、天线架设高度、天线垂直波束宽度；外在

7、因素：外在因素：目标高度。hohARminA2021/9/24143、测距离和测方位误差、测距离和测方位误差（1）测距误差）测距误差包括：同步误差、计时误差、量化误差和测读误差。（见教材3.7.4）雷达测距误差：其中，为电波传播速度平均值的误差；为测量目标回波延时值的误差。2021/9/24153、测距离和测方位误差、测距离和测方位误差（1）测距误差）测距误差雷达测距误差：误差范围：两目标间的测读误差量程的5%；偏离航道中心的测距误差10-20m；雷达与目标间的测距误差5米。o.95o.25 0.43A2.4m9.5m5.4mLA2021/9/24452)垂直波束垂直波束 天线垂直波束为：5

8、15的扇形波束实现容易，余割平方波束实现困难，但可实现近视的余割平方波束。2021/9/24463、极化形式、极化形式 一般为水平极化或垂直极化，也可在喇叭口加置45金属斜板的方法得到圆极化波。4、特点、特点1）容易实现理想的振幅分布，方向性图较 好（旁瓣可达-30dB）；2）频带较宽，风阻较小，转速均匀，驱动 功率低；2021/9/24473）天线长度LA受到波导中脉冲信号过渡特性的 限制；（24）Tr=(24)LA/Vg ：脉冲宽度；Tr：隙缝波导天线渡越时间；Vg：波导中能量的传播速度（群速）。4）在结构上实现极化转换困难。2021/9/2448二、方位信号二、方位信号1、信号形式增量脉

9、冲和指北脉冲N。2、方位信号的产生方位信号的产生IPNIsIcZ差接与放大整形方位码盘2021/9/2449IsIcZIpN2021/9/24503.3 发射机发射机 目前交管雷达发射机普遍沿用脉冲调制、磁控管震荡直接输出的单单级级振振荡荡型型发发射射机机。近期又出现了脉内线性调频和连续波调频体制的主振放大式主振放大式雷达。雷达。一、磁控管单级振荡型一、磁控管单级振荡型1.1.基本结构基本结构 调制器触发脉冲发射脉冲磁控管2021/9/2451调制器结构框图调制器结构框图限制器储能元件磁控管触发脉冲高压电源调制器脉冲变压器2021/9/24522021/9/24532021/9/24542.技

10、术水平技术水平波段：X(3cm)，S(10cm)，Ku(2.5cm)，Ka(0.8cm)输出峰值功率：20-100KW；脉宽：0.05-2us；可靠性：同轴型磁控管：MTBF10000h;固态调制器：MTBF20000h；发射机整机：MTBF6000h;2021/9/24553.主要特点主要特点优点：结构简单，成本低，可靠性高；缺点：脉冲宽度不能做的很小，一般0.02us。由于B1，提高测距精度和距离分辨率与利用频移特性测速相矛盾。2021/9/2456二、脉内线型调频主振放大型二、脉内线型调频主振放大型1.基本结构基本结构 压控振荡器2021/9/2457模拟式线性调频脉冲压缩雷达构成框图高

11、频功放混频整形边带倒置Sinc包络窄脉冲产生收发开关本振高放混频中放压缩网络包络检波限宽网络加权网络SAWH(t)SAWH(t)W(t)输出2021/9/24582021/9/24592021/9/24602.技术水平技术水平工作波长：X（9.29.5GHz）或S（2.93.1GHz）；输出峰值功率：峰值功率170W；脉冲压缩比：660：1脉冲宽度：0.1100s；调制形式：脉内非线性调频；可靠性措施：低功率发射（170W）整机可靠性：MTBF50000小时 2021/9/24612021/9/24623.主要特点主要特点1）由于B1，在改善测距精度和距离分辨力的同时，又能以较低的发射脉冲功率

12、实现较远的探测距离。2）由于B1，在改善测距精度和距离分辨力的同时，又能获得较高的速度分辨率，因此，具有较高的杂波抑制能力。2021/9/24633）由于采用数字中频技术和具有较强的杂波抑制能力，因此，具有较大的动态范围。4）由于采用全固态技术和低发射功率，因此，系统可靠性高；5）电路较复杂，成本高。2021/9/2464利用多普勒频移获取目标和杂波的速度2021/9/2465 在80%发现概率情况下，传统X波段雷达难以检测小目标，而X波段脉冲压缩雷达可以检测到最远7nm的小目标（0.5m2，高杂波环境下）。2021/9/24663.4 接收机组成和工作原理接收机组成和工作原理 收发开关高 放

13、发射机 混频器 中频 放大器本振源BITE电路检波器 视频 放大器AFCSTC强度控制雷达回波视频输出FTC强度控制收发开关2021/9/2467射频滤波器射频放大器射频STCSTC控制中频放大与限幅器PIN限幅器镜像抑制带通滤波器混频器去雷达天线去 雷达 收发机BSTC波形产生定时脉冲前置中放带宽变换对数中放视频放大带宽控制视频输出隔离器调谐指示AFC数字控制电路鉴频器发射机波 导-微 带转换AFC混频器本振接收机BITE电路功率分配器自动/手控STC强度控制去监控机柜射频功率监视射频单元中频单元包络检波视频单元2021/9/24681）射频单元）射频单元 高频设备是指从雷达射频馈线到中频放

14、大器之间的所有接收机部件，其中包括接收分支馈线、天线收发开关、射频放大器、混频器和本机振荡器。目前许多雷达都把射频放大器、混频器和本机振荡器做在结构一体化的射频组件内（简称MIC）。对射频设备的主要要求是：对射频设备的主要要求是：噪声系数要尽量小；天线收发开关与中频放大器输入电路的通频带要足够宽；通过收发开关漏入的发射脉冲功率必须尽量小；高频设备各部分的调谐应足够稳定。2021/9/24692）中频单元）中频单元 交管雷达接收机目前大都采用一次变频电路。可实现80100dB的增益要求。主中频放大器采用对数放大，对数主中频放大器能够增加接收机的动态范围，以防止接收机由于强信号输入而产生饱和或过载

15、现象，同时也可以在一定程度上提高接收机抗干扰的能力。自动频率控制（AFC）电路在发射信号频率或本振频率变化而引起实际中频偏离额定中频时，能产生控制电压加到本振上，使本振频率作相应的变化，以使实际中频和额定中频的差值减小到保证稳定接收所允许的范围内。2021/9/2470对中频单元的主要要求是：中频放大器应满足低噪声、高增益与工作稳定的要求；为防止强回波输入信号造成接收机过载，通常设置中放增益控制电路。为使雷达能同时满足远量程高灵敏度与近量程高分辨率的不同使用要求，通常在远量程时，用宽脉冲发射，窄通带接收；近量程时，用窄脉冲发射，宽通带接收；根据海浪干扰回波强度具有随距离的增加近似呈指数规律下降

16、的特点，在传统的雷达接收机中，均采用在触发脉冲作用下产生按指数规律变化的脉冲电压加到前置中放一级或两级偏置电路中，对中放进行灵敏度时间控制STC（sensitivity time control）的办法来抑制海浪干扰。2021/9/24713）视频单元）视频单元 视频单元的作用：完成脉冲检波和视频放大。视频单元通常包括包络检波器、前置视频放大器和雨雪干扰抑制电路。雨雪干扰抑制电路通常采用微分电路，利用其对输入信号的微分作用，能够去除雨雪的宽干扰脉冲，使目标回波能够正常显示；同时还可以提高目标的距离分辨率，使回波图象清晰。2021/9/24724 4）机内检测单元（）机内检测单元（BITEBIT

17、E）该单元对接收机各单元的工作状态进行监该单元对接收机各单元的工作状态进行监测。测。2021/9/24733.5 雷达显示器雷达显示器一、作用 用于显示雷达的原始视频图像，观察监视水域内的船舶，进行定位测量。在VTS中，一般用作维修监视器。在有的系统中，雷达显示器还显示电子海图、跟踪视频和标绘视频及字母文字数字等，被作为维修显示器或系统备用显示器。2021/9/2474二、电路构成和工作原理 目前雷达显示器均采用TV形式的高亮度显示器。1、雷达视频信号数字化处理器；2、坐标变换器；3、图像存储器；4、显示控制器；5、辉亮形成电路。2021/9/24752021/9/2476三角函数存储器矢量产

18、生器定时器显示处理器混合级辉亮形成时间逻辑控制电路标尺产生器数字化处理电路坐标变换器天线方位信号雷达同步脉冲图像存储器RAM光栅产生器显示控制器字符产生器其他数据信息D/A多路开关到X、Y偏转线圈I/O控制到栅极定位和代码雷达视频信号2021/9/2477坐标变换电路单位矢量存储器Y地址sincos方位数据X地址RY高速乘法器X高速乘法器2021/9/2478输入控制存储器（RAM）雷达坐标变换器的X、Y雷达数据视频输出控制至辉亮控制系统（亮度或颜色数据）时序控制器地址选择写地址（自坐标变换器）读地址（自光栅扫描产生器）其他视频数据图像存储器构成框图2021/9/2479帧正程帧逆程2021/

19、9/24802021/9/2481三、主要性能指标1、显示器屏幕尺寸:21 或 292、显示点阵数 10241024；12801600；128019603、显示形式：彩色 4、偏心能力：连续偏心，最大3个半径。5、显示内容 雷达原始视频；电子海图/视频地图；数据；标辉视频等。2021/9/24823.6 监控系统监控系统监控系统分为两部分：位于雷达站的监控机和位于VTC的操作台。一、监控机1、基本功能2、电路组成二、监控台1、基本功能2、电路组成 3、雷达操作台的发展 与信息综合显示器显示界面集成在一起，有菜单选择控制。2021/9/24831、基本功能1）操作模式选择 本地控制、有线遥控和无

20、线遥控三种工作模式。2）收发机在线/离线切换 有人工切换和自动切换两种方式。3）工作状态查询 包括：雷达启动前查询、切换前查询、备用机查询、本机维护性查询。4）系统定时 监控机定时信号产生器产生雷达系统定时信号。一、监控机2021/9/24842、电路组成定时信号产生信道码形成视频压缩与合成收发机 A视频选择主控微机参数巡检输入/输出收发机 B同步触发操作台视频处理操作台操作命令方位码处理波导开关极化转换天线启动电源执行电路控制逻辑面板指示操作面板打印输出控制方式选择遥控命令输入铁氧体开关控制视频A视频B原始视频同步脉冲方位信号雷达合成视频本机命令2021/9/24852021/9/2486二

21、、监控台1、基本功能2、电路组成 3、雷达操作台的发展 与信息综合显示器显示界面集成在一起，由菜单选择控制。2021/9/2487第三章思考题第三章思考题1.简述交管雷达的基本功能、组成和特点。2.交管雷达的主要使用性能有那些？简述对不同任务的雷达，这些性能指标的选择范围。3.交管雷达的主要技术性能指标有那些？与使用性能指标有何关系？如何根据数用性能指标确定技术性能指标？4.交管雷达天线主要采用那些形式？说明波导隙缝天线的基本结构和特性。雷达方位增量脉冲信号的形式和方位量化精度与那些因素有关。5目前交管雷达发射机由那些类型？图形和文字说明雷达发射机结构和工作原理。2021/9/24886.画出交管雷达收发机的构成框图，简述其工作原理和各单元的作用和要求。7.交管雷达显示器的基本构成和工作原理。简述各部分的作用。8.交管雷达监控系统的作用和构成，简述其工作原理。2021/9/2489