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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,上海海事大學(xué),Shanghai Maritime University,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,上海海事大學(xué),Shanghai Maritime University,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,航海雷達(dá)新技術(shù),06 十一月 2024,1,上海海事大學(xué),應(yīng)士君,一、,引言,航海雷達(dá)一直是用戶群最大的

2、雷達(dá)市場(chǎng)，目前，據(jù)不完全估計(jì)，安裝航海雷達(dá)的各類船舶超過,300,萬(wàn)艘，其中約有,5,萬(wàn)余艘是屬于,SOLAS,公約船，中國(guó)約有,3,千余艘；,航海雷達(dá)分為兩類：用于船艦導(dǎo)航的船用雷達(dá)和用于港口和海岸事務(wù)的港口雷達(dá)；,2004,年,IMO,發(fā)布的雷達(dá)性能指標(biāo)保留了,X,波段雷達(dá)對(duì)雷達(dá)信標(biāo)和搜救應(yīng)答器的兼容，但,IMO,鼓勵(lì)使用相參雷達(dá)來提高在嚴(yán)重的海雜波條件下對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)，在不超過航海雷達(dá)頻譜限制的情況下，允許發(fā)射,3GHz,的任意波形。這些技術(shù)得到了國(guó)際電信聯(lián)盟,ITU,的同意,。,大型船舶配備的綜合船橋系統(tǒng),IBS,對(duì)航海雷達(dá)提出了更高的要求。,2,3,二、,SOLAS,公約的要求,300

3、,總噸及以上和全部客船，需裝備：,1,臺(tái),9GHz,雷達(dá)或其他裝置，用于確定和顯示雷達(dá)應(yīng)答器、其他水上船舶、障礙物、浮標(biāo)、海岸線和航標(biāo)的距離和方位，借以助航和避碰；,一套電子標(biāo)繪裝置（,EPA,）或其他裝置，用電子方式標(biāo)繪目標(biāo)的距離和方位，以便確定碰撞危險(xiǎn)；,600,總噸及以上的雷達(dá)需配備自動(dòng)跟蹤（,ATA,）裝置；,所有,3000,總噸及以上船舶，需,:,再配置,1,臺(tái),3GHz,雷達(dá)，或第,2,臺(tái),9GHz,雷達(dá)，或其他裝置，用于確定和顯示其他水上船舶、障礙物、浮標(biāo)、海岸線和航標(biāo)的距離和方位，借以助航和避碰，并與另一臺(tái)雷達(dá)在功能上是獨(dú)立的。,第二臺(tái)自動(dòng)跟蹤儀（,ATA),，或其他裝置，用于

4、自動(dòng)標(biāo)繪其他目標(biāo)的距離和方位，以確定碰撞危險(xiǎn)。并且兩臺(tái)系統(tǒng)在功能上是獨(dú)立的。,所有,10 000,總噸及以上船舶，需配置：,1,臺(tái)自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀或其他裝置，與,1,臺(tái)指示相對(duì)于水的速度和航程的裝置相連，用于自動(dòng)標(biāo)繪至少,20,個(gè)其他目標(biāo)的距離和方位，以確定碰撞危險(xiǎn)和模擬試驗(yàn)性操縱。,注：此為,SOLAS2002,年修改版。,船舶級(jí)別和顯示器尺寸的要求：,4,二、,SOLAS,公約的要求,船舶級(jí)別,小于,500,總噸,50010000,總噸,10000,總噸以上,最小操作區(qū)域直徑,180mm,250mm,320mm,最小顯示區(qū)域,195*195mm,270*270mm,340*340mm,自動(dòng)錄

5、取目標(biāo),-,-,是,最小錄取目標(biāo)數(shù),20,30,40,最小顯示激活的,AIS,目標(biāo)數(shù),20,30,40,最小顯示睡眠的,AIS,目標(biāo)數(shù),100,150,200,試操船,-,-,是,5,三、,航海雷達(dá)面臨挑戰(zhàn),1,、環(huán)境：航海雷達(dá)需要在極端的環(huán)境條件下工作：,在超常的溫度下工作，世界上有些地方的溫度會(huì)低于,-40C,；,在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)沖擊工作；,需要在強(qiáng)降雨、鹽水噴淋下工作；,必須經(jīng)受巨大的溫差變化,-15+55C,；,極大的動(dòng)態(tài)范圍，必須探測(cè)回波截面積從小于,1m,2,到數(shù)萬(wàn),m,2,的目標(biāo)；,跟蹤目標(biāo)的速度能從,0,到,100kn,，在高速船上需要更大的相對(duì)速度；,安裝在既不固定也不穩(wěn)定

6、的平臺(tái)上。,6,2,、探測(cè)性能：,2004,年,IMO,修改了雷達(dá)的性能指標(biāo)，已于,2008,年,7,月,1,日實(shí)施，,IMO,規(guī)定的探測(cè)概率為,80%,，虛警概率是,10,-4,；,三、,航海雷達(dá)面臨挑戰(zhàn),目標(biāo)特點(diǎn),探測(cè)距離（海里）,目標(biāo)描述,海岸線,海岸線,海岸線,SOLAS,船,5000gt,SOLAS,船,500gt,海況（米）,上至,60,上至,6,上至,3,10,5.0,9GHz,20,8,（,7,）,6,11,（,7,）,8,3GHz,20,8,（,7,）,6,11,（,7,）,8,目標(biāo)類型,分布的,分布的,分布的,復(fù)雜的,復(fù)雜的,配備雷達(dá)發(fā)射器的小型船舶,4.0,5.0,3.7

7、,點(diǎn)目標(biāo),無(wú)反射器小于,10m,的小型船舶,2.0,3.4,3.0,復(fù)雜的,典型的導(dǎo)航浮標(biāo),帶角形發(fā)射器的浮標(biāo),典型的水道標(biāo)識(shí)器,3.5,3.5,1.0,4.6,（,2,）,4.9,（,3,）,2.0,3.0,（,2,）,3.6,（,3,）,1.0,點(diǎn)目標(biāo),點(diǎn)目標(biāo),點(diǎn)目標(biāo),7,3,、雨雪和海浪雜波的影響：,三、,航海雷達(dá)面臨挑戰(zhàn),雨雪雜波：,圓極化天線；,FTC,；,3G,波段的雷達(dá)；,海雜波：,STC,；相關(guān)處理技術(shù)；高速天線（,500r/min,）和頻率分集技術(shù)；,垂直波束分裂：,由于海面發(fā)射，會(huì)造成垂直波束的分裂，產(chǎn)生棘手的零位問題；,4,、移動(dòng)的平臺(tái)：,船舶的六自由度運(yùn)動(dòng)增加了船舶在航

8、向和速度上的誤差；雷達(dá)取得的數(shù)據(jù)精度將受到影響。,8,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),1,、天線：,天線旁瓣性能要求：,雷達(dá)類別,最大旁瓣電平（,dB,）,10,以內(nèi),10,以外,SOLAS,-23,-30,非,SOLAS A,類,-20,-23,非,SOLAS B+C,類,-18,-19,9,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),2,、倒余割平方天線：,垂直波束為倒余割平方形。,特點(diǎn),：天線水平方向以上空中輻射??；,雷達(dá)最小作用距離（近距盲區(qū)）小；對(duì)遠(yuǎn)近距離目標(biāo)照射較均勻。適用于岸用雷達(dá)和大型船舶,。,10,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),3,、大口徑天線：,口徑垂直邊尺寸,620mm,。特點(diǎn)：天線垂直波束窄（,4

9、,），增益大（,42dB,）,11,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),4,、頻率分集,應(yīng)用目的,抑制雜波干擾，增加雷達(dá)作用距離。,基本原理,多部發(fā)射機(jī)通過同一天線同時(shí)或交替發(fā)射不同載頻、但脈沖寬度和重復(fù)頻率完全相同的信號(hào)。,回波信號(hào)經(jīng)多路相應(yīng)頻率的接收機(jī)處理后疊加，再送到顯示器。,多種頻率信號(hào)疊加可提高信噪比，降低目標(biāo)回波起伏，增加雷達(dá)最大作用距離，提高雷達(dá)的測(cè)量精度、抗干擾能力和可靠性。,12,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),13,開縫波導(dǎo)天線的水平波束最大輻射方向一般與波導(dǎo)面的法線方向有一小夾角，稱之為斜視角。,斜視角（,Squint,）：,斜視角大小與頻率有關(guān)，相應(yīng)于頻率分集的兩個(gè)不同頻率，斜視角分別

10、為,F1,和,F2,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),斜視角分離性能帶來了一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)：,不同載頻輻射的脈沖因斜視角分離使其輻射方向有一差別，對(duì)于旋轉(zhuǎn)的天線來說，相當(dāng)于對(duì)同一方向的輻射延時(shí)，兩波束之間,延時(shí)的典型值是,20,40ms,，,一般海雜波發(fā)生變化的時(shí)間（特別在大風(fēng)浪時(shí)）比此大得多。利用回波進(jìn)行積累時(shí)，不僅提供了頻率分集，而且提供了時(shí)間分集。,14,分集優(yōu)點(diǎn),總輻射功率是非相干集成的兩個(gè)脈沖功率的總和。,目標(biāo)回波（相關(guān)性強(qiáng)）將相加，散射干擾源回波即雜 波（相關(guān)性弱）將被平均而非相加。綜合效果是減弱干擾，增強(qiáng)目標(biāo)的信雜比。,實(shí)測(cè)結(jié)果,：比單頻收發(fā)機(jī)工作,雜波減弱,5,6dB,，靈敏度自動(dòng)增加,5

11、dB,；帶給小起伏目標(biāo)的收益典型值為,6dB,，總性能改善可達(dá),10,12 dB,。,來自許多獨(dú)立脈沖的信號(hào)積累后，目標(biāo)的起伏性減弱。,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),15,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),5,、固態(tài)雷達(dá),鑒于傳統(tǒng)的航海雷達(dá)（非相參單脈沖機(jī)制）無(wú)法在抑制干擾探測(cè)小目標(biāo)方面取得根本性的突破。,ITU,推薦采用脈沖壓縮機(jī)制或,WIMAX,技術(shù)來解決海雜波背景中檢測(cè)小目標(biāo)的難題；,航海雷達(dá)制造商把最初為寬帶通信鏈路研制的氮化鎵以及其他微波功率半導(dǎo)體應(yīng)用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)以取代磁控管；,移動(dòng)通信的需求不斷對(duì),ITU,確定的航海雷達(dá)頻譜限制施加了壓力，而固態(tài)雷達(dá)的峰值功率（,200W,左右）與傳統(tǒng)的雷達(dá)（

12、,30Kw,左右）相比，頻譜干擾電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低了。,英國(guó)的,Kelvin Hughes,的,SharpEye,TM,是固態(tài)相參雷達(dá)的一個(gè)成功例子，它是第一個(gè)符合,IMO,要求的系統(tǒng)。峰值功率,170W,，占空比,10%,。,16,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),6,、,SharpEye,TM,全固態(tài)雷達(dá),發(fā)射機(jī)：沒有磁控管了！,接收機(jī),17,全固態(tài),脈沖壓縮,脈沖,多普勒,功率,合成,恒虛警,雜波圖,連續(xù)動(dòng),目標(biāo)檢測(cè),提高動(dòng)態(tài)范圍、距離分辨率,增強(qiáng)了雷達(dá)的干擾抑制性能,用脈沖壓縮技術(shù)，全固態(tài)雷達(dá)的距離分辨率可以達(dá)到,15m,（所有量程）。圖中的大船與小船均可清晰顯示，而磁控管雷達(dá)無(wú)法達(dá)到這樣高的分辨率

13、。,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),18,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),窄脈沖,30,000W,19,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)的長(zhǎng)脈沖,170W,20,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),全固態(tài),脈沖壓縮,脈沖,多普勒,功率,合成,恒虛警,雜波圖,連續(xù)動(dòng),目標(biāo)檢測(cè),大幅提高雨霧和海雜波環(huán)境,下目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤的性能,21,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),目標(biāo),雨雪,陸地,海面,0,-10,-20,-30,-6,0,6,12,18,24,功率,(db),速度,(m/s),22,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),目標(biāo)船舶高度,:2m,傳統(tǒng),X,波段雷達(dá),發(fā)現(xiàn)概率,距離,(nm),1.0,0.5,10,5,23,三、

14、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),目標(biāo)船舶高度,:2m,固態(tài)雷達(dá),發(fā)現(xiàn)概率,距離,(nm),1.0,0.5,10,5,24,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),在,80%,發(fā)現(xiàn)概率，和恒虛警,10,-4,的情況下，傳統(tǒng),S,波段雷達(dá)最遠(yuǎn)檢測(cè)目標(biāo)至,2nm,，而固態(tài),S,波段雷達(dá)可以檢測(cè)到最遠(yuǎn),5.5nm,的小目標(biāo)（,0.5m,2,，高雜波環(huán)境下）。,25,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),在,80%,發(fā)現(xiàn)概率，和恒虛警,10,-4,的情況下，傳統(tǒng),X,波段雷達(dá)難以檢測(cè)到小目標(biāo)，而銳眼,X,波段固態(tài)雷達(dá)可以檢測(cè)到最遠(yuǎn),7nm,的小目標(biāo)（,0.5m,2,，高雜波環(huán)境下）。,26,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),全固態(tài),脈沖壓縮,脈沖

15、,多普勒,功率,合成,恒虛警,雜波圖,連續(xù)動(dòng),目標(biāo)檢測(cè),S,波段與,X,波段收發(fā)機(jī)均可達(dá)到,MTBF,超過,50000,小時(shí),X&S,二合一全固態(tài)雷達(dá)系統(tǒng)可用率超過,99.9%,X,波段全固態(tài)雷達(dá)擁有,13,級(jí)全固態(tài)功率放大器，銳眼,S,波段全固態(tài)雷達(dá)擁有,2,級(jí)全固態(tài)功率放大器,更好的海雜波抑制效果和目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤跟蹤效果,銳眼雷達(dá)是全固態(tài)脈沖多普勒雷達(dá)，因此與傳統(tǒng)雷達(dá)相比具有很低的射頻脈沖發(fā)射功率，通常在占空比為,10%,的情況下峰值功率為,170w,，這樣高的負(fù)荷比，來源于發(fā)射機(jī)的新型設(shè)計(jì)和脈沖壓縮技術(shù)，因此在接收機(jī)接收時(shí)，假定脈沖壓縮比,1000,：,1,的情況下，就可以獲得,170k

16、w,峰值發(fā)射功率的同等接收性能效果。,27,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),檢測(cè)性能：,28,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),29,當(dāng),三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),30,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),31,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),JRC,固態(tài)雷達(dá)：,32,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),33,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),34,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),35,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),36,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),100mW,超低發(fā)射功率，微波輻射量,小于移動(dòng)電話的輻射量,海浪,/,雨雪抑制優(yōu)于磁控管常規(guī)脈沖雷達(dá)五倍以上,畫面清晰，近距避碰無(wú)盲區(qū)和失真圖像,按鍵即可發(fā)射，省去磁控管常規(guī)脈沖雷達(dá)預(yù)熱時(shí)間,近距目標(biāo)分辨率高（超過一般,X-,波段雷達(dá)）,全自動(dòng)設(shè)置無(wú)須人工調(diào)諧,BR24,型近距防碰固態(tài)雷達(dá),37,三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),Broadband,雷達(dá),17W,4KW,脈沖雷達(dá),三、,航海雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),7,、硬件和操作系統(tǒng),采用圖形工作站的硬件平臺(tái)漸漸成為主流方式，采用成熟的工控硬件平臺(tái)可以大大縮短新技術(shù)雷達(dá)硬件的開發(fā)時(shí)間；,ARM+DSP+GSP,在小型雷達(dá)研發(fā)上具有廣闊的前景；,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（,Qn