航海雷达与arpa

第一章 基本工作原课 第一节 测距测方位基本原理 1测距 a）利用电磁波特性： 1）.直接传播（微波波段） 2）.匀速传播（同一媒质中） 3）.反射特性（在任何两种媒质的边界面） b）计算公式: S = C( t2 - t1 ) / 2 其中：S：目标和本船距离; t1 ：发射时刻; t2 ：接收时刻 ；C：电波速度；为300000公里/秒 为准确测量( t2 - t1 ) ，发射信号包络为矩形脉冲。 2测向 天线为定向天线，只向一个方向发射，也只接收这个方向的目标回波，实现这个方向的测距。随着天波的转动，实现不同方向的测距。 第二节 基本组成及各部分作用 1）触发电路： 每隔一段时产生一个尖脉冲，同时送到发射机、接收机、显示器三部分，使它们同步工作。(触发电路决定工作开始的时间) 2）发 射 机： 触发脉冲到来后，立刻产生一个大功率，微波波段，具有一定宽度的脉冲包络射频（雷达工作频率,微波波段）的信号。 3）发收开关： 发射时；将发射机与天线接通，并将天线与接收机断开。 接收时；将发射机与天线断开，并将天线与接收机接通。 l 第二章 船用雷达设备 第一节 中频电源设备 为满足船用雷达工作、及工作环境的要求，雷达对电源的电压值、频率值及各指标的稳定性均有具体的要求，船舶上存在低频、高频电源干扰，有船电负载多变化大等等现象。采用专门的中频电源，正是为了防止这些干扰和有害的现象。目前；雷达电源有中频逆变器、中频变流机组二种。 第三节 雷达发射机 一、主要组成及各部分作用 1：触发脉冲产生器： 相当于时钟电路，使雷达各部分同步工作。 2调制器及预调制器： 触发脉冲一到，预调制器输出具有一定宽度的小功率正方波，控制预调制器产生的方波的起始时刻，预调制器产生的方波控制调制器，使调制器产生大功率负高压脉冲。有的雷达没有预调制器，预调制器的功能由调制器完成。 所以；调制器是产生高压的部件。 3： 磁控营： 在调制器输出的负高压作用下，磁控营产生矩形调制的微波振荡脉冲.实现能量转换，调制器相当于高压电源。 5.2）：磁控营基本结构及工作原理 磁控营是实现微波振荡的元件，其结构、工作原理，与实际使用中的调试、维护等等事宜有关。下面我们扼要介绍之。 A：基本结构 阴极和阳极之间的空间, 称为空腔，空腔内为真空。空腔内,有永久磁铁提供的恒定磁场，如图示。 阴极内含有灯丝，加调制器送来的负高压前，灯丝先通电3min，用于加热阴极，阴极表面有氧化物涂层，加热使其产生自由电子，能量转换是自由电子完成的，没有3min加热，磁控管不能正常工作。 B：工作原理 调制器负高压脉冲一到，阴极和阳极之间激起微波振荡。 阴极附件的自由电子，在飞向阳极过程中，由调制器提供的高压，使电子获得能量。 又在恒定磁场的作用下，把自由电子获得的能量，传给微波振荡，使原本微弱的微波振荡强大起来。 载波频率采用下列二种： S波段 （29003100）MHZ 10cm（波长） X波段 （93009500）MHZ 3cm（波长） 5.4）：工作状态判断： l 磁控管正常工作时，有稳定的阳极电流，所以；能够输出稳定的大功率微波，氖灯遇大功率微波辐射会发亮。 l 这样；我们可以采用氖灯法、电流观察法、雷达性能监视器三种方法来判断磁控管工作状态。 l 电流法： l a）：电流值为规定值，磁控管工作正常。否则为不正常。 l 氖灯法： l 氖灯放在距收发机波导口1015（cm）处，若氖灯发亮，说明正常。不发亮，管子不工作。 l 雷达性能监视器 l （后续章节介绍） 5.5）：磁控管保存及使用： 由于磁化作用，磁控管保存有如下规定： 木箱内，磁控管离铁磁体至少10cm，二个磁控管之间至少距离20cm。备用磁控管应经常轮流使用。 5.3）：老练 l “老练”是更换磁控管时，为确保设备安全，要进行的一个步骤。 l 什么是 “打火” l 磁控营空腔内为真空，如果空腔内有气体，高压会使气体电离，就会有负离子飞向阳极，形成阳极电流，这一现象称为“打火”。 l 什么是 “老练” l 气体一下子全部电离，就会有大量负离子飞向阳极，形成很大的阳极电流，会损伤阳极。 l 逐步加高压，逐步电离，慢慢去除气体，可以避免对磁控管的伤害，这一过程称为老练，步骤如下： l “老练”步骤 l a）：先加灯丝电压半小时。 l b）：再加较低的高压半小时或更长时间，之后加较高的电压。 l c）：若在某电压灯火，退回先前的电压，一段时间后，再返回该电压，若再打火，则再退回，直到不打火，这样；电压慢慢向上升，直到额定值。 l 老练前提：新管，6个月未用的旧管。 l 三特高压电源的三种开关 l 发射开并、延时开关、门开关三种开关各自有不同的用处，三种开关同时合上、高压才能加到磁控管。 1：3分钟延时开关： 保护磁控管 2：门开关： 收发机箱的盖板没有合上，门开关断开，调制器没有特高压电源供电，不能发射。这样就确保了人员的安全。 3：发射开关（雷达电源：off - Standby）： 由操作人员控制。开启雷达电源后，“预备”指示灯亮，延时开关，保证在发射开并合上3分钟后，再接通。 l 第四节 微波传输及天线系统 天线系统实现了雷达微波信号的径向发射与接收，微波传输部件实现了天线与收发机的连接。 微波传输及天线系统采用的器件是微波器件，有别于雷达的其他部分。下面我们予以介绍。 1组成及基本工作原理 天线系统由天线、驱动电机、传动装置、船首线电路、方位同步发送机、波导等组成。各部分作用如下： 1)： 驱动电机： 通过传动装置，带动天线、船首线电路及方位同步发送机转动。天线约每3秒转一圈。 2)： 方位同步发送机： 将天线的转动角信号，送去显示器，使得显示器产生的扫描线，扫描线相对于固定方位圈0°刻度方向的夹角，与天线发射方向相对于实际船首线的夹角相同，如图示。 3)： 船首线电路： 将产生的船首线信号，送到显示器，使显示器显示出船首线时，恰为天线向实际船首线方向发射的时刻。如图示。 4): 天线通过波导，与收发机相连。 l 2波导 l 雷达波导由铜制成的内部空心外形为矩形的金属管，天线由窄边开缝波导构成，微波传输也由波导完成，所以；我们首先讲解波导。 l 1）：采用波导的原因： l 天线发射与接收的信号，均为微波信号，微波信号不能用普通导线传输，这是因为微波信号频率太高的原因，下面我们分析之，并提出解决的方法。 l A: 趋肤效应： l 由电磁场理论和天线理论知： 频率f上升，导致电流集中在表面，中心无电流，相当于导电体积减少，电阻上升，电阻热损耗上升，同时；使辐射增加，这就是所谓趋肤效应。所以不能采用普通导线。 l 1：采用波导传输信号： 雷达波导由铜制成的内部空心外形为矩形的金属管，按边的尺寸分为3cm 、10cm二种。 采用波导后（见图），由电磁场理论知，电流在内表面，所以无辐射。 又由于，内表面的面积，比普通导线的面积大很多，所以电阻热损耗很小。 2： 采用波导的若干问题 2）：波导不能进水， l 否则微波加热积水，使该处发热。 l 在收发机入口处、波导接口处 l 加入防水云母片。 3）：另由电磁场理论知： l 波导尺寸与电波波长成正比，损耗与电磁波的振荡模型有关。 l 所以；3cm雷达采用波导，10cm雷达因波导太大改用同轴线。 l 4）： 收发机天线之间的波导管，总长度不宜超过20米，整个波导系统的弯头不 宜超过5个。 l 3天线的方向性 天线由窄边开缝波导构成。 这种天线，它辐射的电磁波，其空间分布是怎样的？ 下面；我们首先介绍天线方向性图这个基本概念，再介绍辐射电磁波的空间分布。 1）：天线方向性图： 天线方向性图是表示辐射方向，与该方向辐射强度关系的图形。可用场强表示，也可用功率表示。 雷达三维方向性图近似为细长的橄榄球。 场强图中，最大值的0.707们的二个线段的夹角；或功率图中，最大值的0.5倍的二个线段的夹角称半功点宽度。 方向性图可分为水平方向性图和垂直方向性图二种。 2）：水平波束宽度H l 天线俯视图中，半功点宽度称为水平波束宽度。H 船首向右舷左舷 特点：费时间，录取速度慢。 3）：自动录取 排队控制： 按目标距离，方位及发现时间,编码从而使之有序地进入计算机。 辅助控制： 在排队控制处输入辅助控制，使数据有序进入计算机（能不能进，进的先后次序） 提高录取的目的性。 l 辅助控制的几种方法： 设置优先区，如图I区II区III区 设置限制区，ARPA拒绝录取区如，陆地、岛屿 设置警戒圈，对闯入成圈的目标报警并自动录取和跟踪。 （已在圈内的目标不报警，也不录取） 自动录取的缺点：容易造成虚假录取。 IMO规定： 只有人工录取功能的ARPA，录取目标总数 10。 具有自动人工录取功能的ARPA， 录取目标总数 20。 IMO 规定；ARPA 有效距离范围至少为12海里或16 海里。 录取跟踪，受最大作用距离， 最小作用距离，最大速度限制。 4）：录取满了已后，应清除一个 不太危险的目标，才能再录取一个。 波门设置：初始录取目标时， 用大波门，初始建立跟踪后用 中波门，进入稳跟踪后用小波门。 l 5）：自动跟踪的局限性。 目标丢失： 下列情况容易目标丢失 a） 目标变弱（易于噪声混淆） b）杂波干扰（杂波目标叠合） c）目标快速机动 d）机内特大误差 连续跟踪的条件：在10 圈天线扫描中，有5 次能清楚显示目标跟踪范围： 一般为1海里至24多海里。 情况不明、或初始阶段故用大波门，以后可减小为中、小波门。 l 6）：误跟踪 二个或二个以上的目标，同时落入一个跟踪波门，从而引起跟踪错误的现象。 7）：误跟踪种类 二个同向行驶的目标逐渐靠近 二个被跟踪的目标对驶靠近 被跟踪目标靠近岸边，则误跟踪到陆地。 8）：采取的措施 a）拒绝人工录取正在逼近另一个 已被跟踪目标的目标 b）二个被跟踪目标靠近， ARPA停止跟踪，让波门滑行， 直到二者分开。 c）跟踪门波内出现2个目标， 只跟踪最接近波门中心的目标 d）缩小跟踪窗尺寸 下列情况ARPA不予跟踪计算： 1：目标的相对速度超过限定值 2：目标尽寸大于跟踪窗。 3：目标在较远的距离上占据50以上方位宽度。 9）所谓虚警是指把不存在目标判为有目标。所谓漏井是指把存在的目标判为没有目标。 ARPA造成漏警的目标可能为： 弱小物标、突然出现警戒圈以内的物标、超过录取内容量而未被录取的物标.。 10）跟踪目标超过最大跟踪距离， 手动服消，不报警。 l 第三节 碰撞危险判断 l 1） 矢量： l 相对矢量：方向表示相对航向，长度表示相对航程。 l 真矢量：方向表示真航向，长度表示航程，起点表示起始位置，终点表示预测到达位置。 l PPC： 可能碰撞点 l PAD： 危险碰撞区。 l 本船真矢量进入PAD区，并且TCPAminTCPA。ARPA发出碰撞报警。 l 或者目标相对矢量或其延长线穿过minCPA园，并且TCPAminTCPA。ARPA发出碰撞报警。 l 2）PPC在VT目标真矢量上，VR目标相对矢量上不产生PPC。 l 3） PPC；描述磁撞的可靠性差，对碰撞应以区域描述为好，PAD是在PPC基础上产生的六角形危险碰撞区。 l 所以：PAD也产生在V目标真矢量上，V目标相对矢量上不产生PAD区 l 4）PPC、PAD形成条件为： l 在本船保速改向，目标船保速保向则须三分钟后。破坏这一前提，如本船改速，或目标船改速/向，则须三分钟后出现新的PPC，PAD区。 l l 一般地：目标录取后：1分钟之后出现目标矢量，3分钟后出现PAD区IMO规定；尾迹为8分钟对应4个点。 l 矢量时间在0min99min之间可调。 l 矢量时间可调的意义在于 用真矢量时，可预测目标及本船的位置。 l 5）：关于PAD讨论： PAD=PPC+minCPA+矢量 余量与计算误