導航雷達第五章雷達觀測解析課件

1、第五章 雷達觀測第一節(jié) 雷達觀測性能與觀測技術 IMO雷達性能標準是對雷達的最低性能要求 ，IMO雷達性能標準自1971年10月首次頒布； 早期的雷達和ARPA的性能標準是分開的，2004年12月6日IMO審議通過了MSC.192（79）決議案，重新修訂雷達設備性能標準，將雷達和ARPA的性能標準合二為一，規(guī)定于2008年7月1日起裝船的雷達設備均應滿足該標準的要求。第1頁，共46頁。一、雷達目標探測范圍（一）目標最大探測距離目標最大探測距離是指在雷達顯示器上能夠辨識該目標的最遠距離，表征著雷達發(fā)現(xiàn)遠距離目標的能力。取決于：1）目標雷達探測地平 2）雷達的探測能力3）目標的反射能力 1目標雷達

2、探測地平 ）2.2（TAhh+=R max（n mile）hA為雷達天線高度，hT為目標高度。第2頁，共46頁。稱為海面雷達地平；對于海拔為0的岸線，必須距其小于該距離才能被發(fā)現(xiàn)。例如，假設雷達天線高度為hA =16 m，則海面雷達地平約為 8.8n mile。如果利用海中小島定位，1、當島嶼在8.8 n mile之內時，其岸線前沿在雷達探測地平之上，可以測量目標的前沿定位；2、若在8.8n mile之外，其岸線前沿在雷達探測地平之下，雷達不能探測到島嶼的前沿，只能通過測量目標的后沿定位。 第3頁，共46頁。2目標雷達最大作用距離在自由空間中，雷達能夠探測到目標的最遠距離稱為目標的雷達最大作用

3、距離。 式中， PT 雷達峰值功率（W）GA 天線增益 工作波長（m）Prmin 接收系統(tǒng)門限功率（W）0 目標的有效散射面積（m2） 第4頁，共46頁。3結論和IMO性能標準 目標的雷達最大探測距離取目標的雷達探測地平與目標的雷達最大作用距離中的較小者。當雷達天線高于水面15 m且海面無雜波干擾、無雨雪的正常大氣傳播條件下，性能標準要求雷達能夠發(fā)現(xiàn)典型目標的參考距離 ：第5頁，共46頁。（二）目標最小探測距離 指在雷達顯示器上能夠顯示出該目標的最近距離，表征著雷達發(fā)現(xiàn)近距離目標的能力。在這個距離之內雷達不能發(fā)現(xiàn)目標，稱為雷達的近距離盲區(qū)。 1理論最小探測距離rmin1 = ( + t r )

4、C2：雷達脈沖寬度， tr：收發(fā)開關恢復時間，通常為0.10.3 s 現(xiàn)代雷達采用固態(tài)雙工器，理論最小探測距離一般穩(wěn)定在30 m之內。第6頁，共46頁。2安裝最小觀測距離rmin2target range affected by VBWZero power lineHalf power linevrmin2 = h1ctgv23結論和IMO性能標準 目標的雷達最小探測距離，亦即雷達的近距離盲區(qū)，取目標的理論最小探測距離與安裝最小觀測距離中的較大者。 按照最新性能標準，2008年7月1日之后安裝的雷達，在晴好天氣，天線高于水面15 m且本船靜止時，雷達在不做任何其他調整僅改變量程時，能夠在40

5、m1 n mile的水平距離中連續(xù)觀測到表5-1-1中所列的典型導航浮標。 第7頁，共46頁。1.本船前方河道入口處兩側有陡山，河口寬度為300米，雷達天線水平波束寬度為1度，本船離河口海里以外時，雷達熒光屏上河口將被兩側陡山回波堵滿。 A.7.5 B.9.3 C. 10.4 D.62.本船前方同一方位有兩艘小船，相距150米，若要在雷達熒光屏上使這兩艘小船回波分開顯示，則在脈沖寬度上才行。 A.0.8微秒 B.1.2微秒 C. 1.5微秒 D.2微秒3.本船天線海面以上高度為16米，小島海面以上高為25米，在理論上該島在距本船多遠的距離才能探測得到。 A.20米 B.19.8海里 C. 20

6、千米 D.以上均不對 bab第8頁，共46頁。4.本船雷達天線海面以上高度16米，前方有半徑為2海里的圓形小島，四周低，中間為山峰，海面以上高度為49米，當本船離小島4海里時，雷達熒光屏上該島回波的內緣（離船最近處）對應于小島的 。 A.山峰 B.離船最近的岸線 C. 山峰與岸線間的某處 D.以上均不對5.遠處小島上有兩個橫向分布的陡峰，間距為1海里，海面以上高度均為36米，本船雷達天線海面以上高度為16米，本船駛近該島 海里內時，小島回波將成為一個回波。 A.6 B.8 C. 16 D.20bb第9頁，共46頁。二、雷達目標分辨能力（一）雷達距離分辨力雷達分辨相同方位相鄰兩個點目標的能力，稱

7、為距離分辨力。 1影響距離分辨力的設備因素脈沖寬度屏幕像素接收系統(tǒng)通頻帶失真第10頁，共46頁。2影響距離分辨力的氣象海況因素 惡劣氣象海況造成目標與本船之間的相對運動、涌浪顛簸 ，使得回波在屏幕上顯示的位置和回波強度不穩(wěn)定的現(xiàn)象（回波閃爍 ），引起目標前后沿位置模糊 。 光柵掃描雷達的回波閃爍較為嚴重 ，目標前后沿回波閃爍誤差通常在13個像素之內，嚴重時可以使距離分辨力降低100 m以上 。3操作技術因素為了提高所使用雷達的距離分辨力，應注意：1）盡量使用小量程，使用窄脈沖發(fā)射，2）將雷達調整在最佳工作狀態(tài)，3）并適當減小增益和屏幕亮度，不使用回波擴展。4）適當使用FTC，可以顯著提高距離分

8、辨力。 第11頁，共46頁。4結論和IMO性能標準（距離分辨力） IMO最新雷達性能標準規(guī)定，在平靜的海面使用1.5 n mile或更小的量程，在量程的50100范圍內，兩個點目標的距離分辨力應不低于40 m（此前的標準為50 m）。（二）雷達方位分辨力： 雷達分辨相同距離相鄰兩個點目標的能力稱為方位分辨力。方位分辨力以能夠分辨出兩個點目標的最小方位夾角來表示。min = H + dH：水平波束寬度；d：光點角尺寸第12頁，共46頁。（二）雷達方位分辨力：The bearing angle of same target but different range方位分辨力HH第13頁，共46頁。1

9、、影響方位分辨力的設備因素水平波束寬度屏幕像素使用量程2、影響方位分辨力的氣象海況因素 光柵掃描雷達較嚴重，橫向回波閃爍誤差通常在15個像素之內，嚴重時可以使方位分辨力降低1以上。3、影響方位分辨力操作技術因素為了提高所使用雷達的方位分辨力，應注意：1）減小天線水平波束寬度H; 2）良好聚焦,減小光點尺寸d;3）應選擇包含目標的最小的量程；4）將雷達調整在最佳工作狀態(tài)，并適當減小增益和屏幕亮度，不要使用回波擴展功能。第14頁，共46頁。4結論和IMO性能標準（方位分辨力） IMO最新雷達性能標準規(guī)定，在平靜的海面，使用1.5 n mile或更小的量程，在量程的50100的范圍內，兩個點目標的方

10、位分辨力應好于2.5。三、雷達目標測量精度可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差以及觀測者的操作誤差等三類。1系統(tǒng)誤差同步誤差統(tǒng)一公共基準點誤差像素誤差脈沖寬度誤差測量設備誤差第15頁，共46頁。2隨機誤差（對測距精度影響） 惡劣天氣及雷達設備等因素引起的回波閃爍對雷達測距誤差屬于隨機誤差。 受風浪影響隨機搖擺等原因造成回波位置不穩(wěn)定而引起回波閃爍，產(chǎn)生大約12個像素的測距誤差。 3操作誤差 （對測距精度影響）為提高雷達測距精度，操作上注意：1）測量目標前，應首先適當降低雷達掃描亮度和增益，以減少屏幕像素以及回波閃爍造成的測距誤差。2）測量目標時，VRM不應當調整過亮，3）如果目標在海面雷達地平之內，應注意

11、用VRM的內緣與目標的前沿相切，否則用外緣與目標后沿相切。4）如果船舶搖擺較大，應注意選擇船舶擺動到正平時測量。第16頁，共46頁。4IMO性能標準（測距精度） 最新IMO雷達性能標準規(guī)定，用RR或VRM測量目標距離，誤差應該不超過所用量程的1或30 m中的較大值。（二）雷達測方位精度影響雷達測方位精度的誤差因素也可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差以及觀測者的操作誤差等三類。1系統(tǒng)誤差波束寬度誤像素誤差艏線誤差羅經(jīng)指示誤差統(tǒng)一公共基準點誤差方位同步誤差及天線主瓣偏離角與波束不對稱誤差等。第17頁，共46頁。2隨機誤差 船舶運動和氣象海況的影響，引起回波閃爍，從而影響雷達的方位精度。 在船舶橫搖時，測方位

12、誤差在船舶艏艉方向最大，正橫方向最小；如果船舶縱搖，則情況相反。 3操作誤差為提高雷達測方位精度，操作上需注意：1、測量目標前，應首先適當降低雷達掃描亮度和增益；2、測量目標時，EBL不應當調整過亮； 3、對于點目標，應使EBL穿過目標中心；4、對于大目標，應該選擇位置在海面雷達地平之內的近距離目標測量， EBL始終應與目標回波 “同側外緣”相切 5、如果船舶搖擺較大，應注意選擇船舶擺動到正平時測量。第18頁，共46頁。4IMO性能標準（測方位精度） IMO最新雷達性能標準規(guī)定，測量位于雷達顯示器邊緣的目標回波方位，系統(tǒng)誤差應該在1以內，電子方法校準的艏線精度在0.1之內。 （三）雷達測量精度

13、綜合分析1、一般地，雷達測距精度高于測方位精度，2、近距離目標的測量精度高于遠距離目標的測量精度，3、目標位于屏幕半徑2/3附近時測量精度最高。4、對于PPI雷達，位于屏幕邊緣的目標測量精度并不高；而光柵掃描雷達，則目標越接近雷達圖像區(qū)域邊緣，測量精度就越高。5、目標閃爍對方位精度影響較大。6、遠距離的島嶼，無法探測到前沿岸線時，方位測量精度常常高于距離測量精度 第19頁，共46頁。第二節(jié) 目標觀測特性1-有用回波：如岸線、島嶼、船舶和浮標等，（物標）。2-雜波：海浪、雨雪和云霧等稱為雜波或干擾回波。A-真實回波 B-假回波：在屏幕上出現(xiàn)回波的位置，對應海上的實際位置卻沒有該目標 。 雷達回波

14、分類第20頁，共46頁。一、影響目標觀測特性的因素目標在雷達波束照射下的電磁響應特性稱為目標的雷達特性。 通常用目標雷達橫截面積（Radar-Cross-Section:RCS)）來表示目標反射雷達波的能力。 實際目標的RCS與目標的下列因素有關：1、材質：鋼鐵船木質的漁船玻璃鋼救生艇 2、紋理：粗糙光滑3、表面結構形狀：球形較差4、幾何尺寸：見下頁分析5、雷達視角：90較佳第21頁，共46頁。目標尺寸對觀測的影響： 如果目標迎向雷達面的面積小于輻射單元的橫截面，目標該面積增加時，則目標回波的亮度增強，大小也增加，即回波強度和大小與目標寬度和高度成正比。【如海面的船舶 、導航燈浮 】 反之，目

15、標尺寸的增加只是增加了回波的大小，但回波的亮度并不增強，即回波強度與目標寬度和高度無關?！敬竺娣e的陸地回波、近距離大型船舶和雨雪干擾雜波 】第22頁，共46頁。二、典型目標觀測特性（一）陸地回波 陸地的回波基本是一個整體，很難分辨細微的山嶺或建筑物。陸地回波最有意義的是岸線 。第23頁，共46頁。（二）島嶼 孤立的島嶼是很好的雷達觀測目標，其探測距離很接近雷達探測地平。大多數(shù)島嶼的回波與其海圖的對應都比較好。 非常適合雷達定位。 （三）導航設施港口的導航設施包括燈塔、燈船、浮標和雷達信標等。 燈塔、燈船較理想；信標最理想；浮標較差。以下結構的浮標發(fā)現(xiàn)距離由遠至近的排列是：圓柱形，球形、錐形和細

16、桅形。第24頁，共46頁。（四）船舶如果雷達天線高度15 m，則：5萬總噸以上的船舶發(fā)現(xiàn)距離可達1620 n mile以上；1萬噸左右的船舶發(fā)現(xiàn)距離通常在10 n mile以上；1 000噸左右的船舶發(fā)現(xiàn)距離在610 n mile；木質船舶雷達的發(fā)現(xiàn)距離一般在0.54 n mile左右；玻璃鋼材料的救生艇發(fā)現(xiàn)距離不足2 n mile。6 n mile以內的量程區(qū)分小型船舶與浮標回波的方法： （1）仔細研究海圖，確認浮標附近是否允許船舶航行或拋錨。（2）降低增益和雷達亮度，首先消失的回波通常是浮標。（3）通過人工標繪、尾跡顯示或目標跟蹤功能確定目標是否運動。第25頁，共46頁。（五）冰和冰山 平

17、整的大面積冰面，大片浮冰在雷達上看不到回波，但能夠看到冰與海水交界線的回波。 不平整的冰面在屏幕上較穩(wěn)定，邊界明顯 。 最危險的是融化剩余的殘碎冰山，水面以上不大，但水下的體積巨大 。（六）其他海上目標 1、跨海大橋：使通暢的水道看起來無法通行；2、橫跨水道的空中電纜 ：點目標 ；3、低空飛行的飛機 ：快速跳躍的回波 。 第26頁，共46頁。三、雷達航標從功能上分：導航雷達航標、搜救尋位雷達航標；從工作原理上分：無源雷達航標、有源雷達航標。 （一）導航雷達航標1無源雷達航標也稱雷達反射器 （Radar Reflector），包括角反射器和透鏡反射器（較少）。 （1）角反射器：安裝在浮標、小型水

18、面航行器、玻璃鋼或木質船艇上，增加其探測距離。第27頁，共46頁。2有源雷達航標（1）雷達應答信標（雷康，Racon） Racon主要用來增強導航標識的雷達識別能力，如浮標和陸標 ?，F(xiàn)代Racon在收到雷達波觸發(fā)后經(jīng)0.4 s左右延時，能在入射波頻率上發(fā)出應答識別信號，經(jīng)雷達接收處理后顯示為從Racon所在位置開始以同一方位上背向掃描中心的編碼信號，通常為莫爾斯編碼。 作用距離：1730 nm第28頁，共46頁。（2）雷達目標增強器（Radar Target Enhancer-RTE） RTE是一種接收放大并轉發(fā)船舶雷達探測脈沖的裝置 它將接收到的雷達脈沖信號直接放大并以最小的延時（幾納秒）重

19、新發(fā)射，可以有效增強浮標和小型船舶的RCS和探測能力。（3）AIS航標（AIS AtoN ）AIS真實航標：位置誤差較??；監(jiān)控仿真航標：位置誤差較??；預報仿真航標：位置誤差較大；虛擬航標 ：在雷達上只能看到圖標，沒有回波。第29頁，共46頁。（二）搜救尋位雷達航標1搜救雷達應答器（Search and Rescue Transponder-SART） 工作在X波段，雷達收到后出現(xiàn)總長8nm的12個短劃信號，遇難船位于掃描中心近端的起點，用于遇險救助。第30頁，共46頁。正確觀測SART回波的注意事項：1、可以暫時將雷達調諧調偏，凸顯SART信號。2、謹慎切換量程，量程太大，SART回波太弱甚至

20、無法探測到；量程太近，SART回波不完整，不便于識別；常用6 、12 n mile量程。3、特別需要注意的是不要使用自動雜波抑制、自動海浪抑制和自動雨雪抑制等控制。 按照IMO性能標準要求，當雷達天線高于水面15 m，且SART高于水面1 m時，其探測距離應不少于5 n mile。 第31頁，共46頁。2自動識別系統(tǒng)搜救發(fā)信器（AIS-SART） 根據(jù)SOLAS公約規(guī)定，從2010年1月1日起自動識別系統(tǒng)搜救發(fā)信器（AIS-SART）可以替代雷達SART用于搜救尋位。 AIS-SART工作時在雷達屏幕上顯示“ ”標識 。 由于AIS-SART位置更新率較低，駕駛員應以雷達回波作為遇險參考位置。

21、第32頁，共46頁。第三節(jié) 影響雷達正常觀測的因素一、大氣傳播條件（一）超折射與大氣波導1超折射：大氣出現(xiàn)“上熱下冷”和“上干下濕”的情況時，雷達波束沿地表彎曲比正常大的現(xiàn)象，稱為超折射；如：紅海地區(qū) 、亞丁灣、地中海 等地區(qū)。超折射時目標的雷達的探測地平比標準大氣折射時要遠 第33頁，共46頁。2大氣波導 當超折射現(xiàn)象特別嚴重時雷達波被大氣折射而射向海面，再由海面反射至大氣，再由大氣折射向海面，如此循環(huán)往復，稱為大氣波導現(xiàn)象。它進一步擴大了目標的雷達探測地平。（二）次折射 當大氣發(fā)生“上冷下熱”和“上濕下干”的情況時，雷達波束向空中彎曲的現(xiàn)象稱為次折射；發(fā)生嚴重次折射時，本來在海面雷達地平之

22、內的目標也可能探測不到。 第34頁，共46頁。二、雷達雜波干擾（一）海況與海浪干擾1平靜海面的反射（鏡面反射） 海面反射會引起雷達波垂直波束分裂成多個波瓣 ，有些低空目標若正好位于波瓣最小值上方，會出現(xiàn)時隱時現(xiàn)的現(xiàn)象。2海浪干擾1）海浪干擾在掃描起始點周圍形成魚鱗狀閃亮斑點，影響雷達觀測近距離目標 ；干擾范圍一般為3 n mile 6 n mile2）海浪干擾回波強度隨著距離增加按指數(shù)規(guī)律迅速減弱，密度變疏；3）弱海浪回波亮點的位置是隨機的； 4）位于船舶上風舷方向的海浪回波強，下風舷方向的海浪回波弱。第35頁，共46頁。3海浪條件下雷達觀測技術（1）海浪干擾抑制一般使用方法 當屏幕上海浪回波

23、較強影響到觀測目標時，可使用操作面板上的STC控鈕，并酌情調節(jié)降低近程增益，減弱海浪干擾，但應注意千萬不可把海浪干擾回波全部抑制掉。 （2）抑制海浪雜波其他方法自動海浪抑制：ATUO-TUNE其他輔助措施：選用窄脈沖、選用S波段雷達、選用高轉速天線等。第36頁，共46頁。（二）氣象與雨雪干擾1雷達波大氣傳播特點 雷達波在大氣傳播過程中受到大氣中的塵霾和水汽等大分子吸收或散射會引起雷達波能量的衰減。 船舶在海上航行時，雷達波傳播衰減主要來自于雨雪，與降水量成正比，并隨著波長的減小而增加。 （不良天氣用10cm較好）第37頁，共46頁。（二）氣象與雨雪干擾2雨雪干擾第38頁，共46頁。雨雪干擾特點

24、：1、回波的強度和雨雪云的降（含）水量成正比 ：較小的雨雪云的雷達回波呈現(xiàn)為無明顯邊緣的疏松棉絮狀的亮斑區(qū)；強降（含）水量的雨雪云回波會在屏幕上形成邊緣松散的連片強干擾；在熱帶大暴雨中，雷達幾乎無法正常探測到目標。 2、雷達工作波長越短，脈沖寬度越寬，天線波束越寬，則雨雪反射（干擾）越強。3雨雪條件下雷達觀測技術1）使用雷達顯示器面板上的雨雪干擾抑制（FTC）控鈕。2）也可以通過選用發(fā)射窄脈沖、圓極化天線和S波段雷達等來減弱雨雪回波。 第39頁，共46頁。（三）雷達同頻干擾駕駛員在使用同頻干擾抑制時應注意：（1）使用前應將雷達調“諧”、“增益”及“STC”等調至最佳狀態(tài)；（2）只應在同頻干擾嚴

25、重時使用；（3）為避免丟失小目標回波，通常不要與“FTC”和其他自動干擾抑制同時使用。同頻干擾抑制的其他措施：（1）選擇波段避開同頻干擾；（2）選擇量程控制同頻干擾；（3）使用掃掠相關（CORR）抑制同頻干擾。第40頁，共46頁。三、雷達假回波（一）間接反射假回波AAAIndirectechoRealechoVRMAIndirectechoAA(a) Indirect echo due to funnel reflection(b) Indirect echo due to other reflectionIndirect echoRealecho產(chǎn)生原因：船上或陸地上的強反射體做為二次輻射源， 在屏幕上形成的假回波。第41頁，共46頁。目標間接反射假回波的特點：1假回波出現(xiàn)在陰影扇形區(qū)方位。2假回波的距離、方位與目標真回波不同，其方位為障礙物方位，距離為障礙物到目標的距離與障礙物到雷達天線的距離