船用雷达的发展历史、现状及未来展望 - 图文

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船用雷达的发展历史、现状及未来展望

摘要：船用雷达用于测定船位、引航和避让，是船长的眼睛。船用雷达的出现是航海技术发展的重大里程碑。本文主要介绍船用雷达的发展历史、现状以及未来发展趋势。 关键词：船用雷达、发展历史、现状、趋势 The development of marine radar, history, current status and future trends Abstract: Marine radar is used to determine the ship's position, the pilot and avoidance, it is the captain's eyes. The emergence of marine radar is a major milestone in the development of maritime technology. This paper describes the development of marine radar, history, current status and future trends. Key Word: marine radar, history, current status, future trends 船用雷达又称航海雷达，是装于船上用于航海活动，进行航行避让、船舶定位、狭水道引航。 船用雷达由天线、发射机、接收机、显示器和电源5部分组成。天线是用来发射、接收电磁波，现代雷达发射和接收一般合用一个天线，由收发开关转换。天线由马达驱动,作360°连续环扫。发射机，采用脉冲体制。近距离档用较短脉冲，以提高距离分辨力；远距离档用较长脉冲，以增大作用距离。工作波段以X波段和S波段为主，前者有较高的方位分辨力，有利于近距离探测；后者受雨雪杂波和海浪杂波的干扰较小，电磁波经过雨区的衰减也小，有利于远距离探测。要是雷达同时安装这两种波段，可取长补短。 接收机，用来接收被海上目标反射回来的电磁波。现代船用雷达的发射机和接收机组装在同一机柜内，合称收发机。显示器，用来显示海上目标，有的船用雷达采用彩色显示器，用不同颜色表示不同内容,使屏幕画面更醒目。 电源:，用来提供电力，现已普遍采用逆变器，也有直接用船电的。 船用雷达性能指标主要包括作用距离和分辨力。作用距离即探测距离；

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分辨力 有距离分辨力和方位分辨力，雷达的距离分辨力优于方位分辨力。船用雷达的出现和使用，使船舶在能见度不良时，为航海人员提供了必需的观察手段。它的出现对航海事业的发展起了重大作用。 1 船用雷达的发展历史 ⑴ 1904年德国工程师胡尔斯迈耶制成能发射和接收电磁波以探测船舶 航海雷达的装置，但因作用距离不到1英里,未引起重视。 ⑵ 1935年法国班轮“诺曼底”号最先安装航海雷达,其天线不能旋转,用以探测前方冰山。 ⑶ 20世纪30年代末，英国和美国制成船用米波对空搜索雷达。第二次世界大战期间，研制了厘米波对海雷达。 ⑷ 1940年英国人兰德尔和布特制成空腔磁控管，解决了微波源问题。 ⑸ 1941年美国首先制成带有平面位置显示器的脉冲微波海面搜索雷达。 ⑹ 20世纪60年代末到70年代初出现了自动雷达标绘仪,进一步发挥了雷 达在避碰上的作用,得到广泛应用。 2 船用雷达的现状 ⑴ 测定船位 雷达测距比测向精度高。按照定位精度顺序，雷达定位方法为：距离定位、孤立目标的距离方位定位和方位定位。如用雷达测距和目测方位结合，定位精度更高。雷达测量距离和方位的准确性受多种因素影响。按照国际海事组织1981年提出的性能标准，要求测距误差不超过所用量程的1.5%或70米,取其大者。物标在显示屏边沿的测方位误差应在±1°以内。 由于雷达本身性能和物标反射特性的影响，雷达图像具有以下特点,需要航海雷达正确辨认。①失真,由于波束水平宽度和光点直径的影响,物标回波往往比实物为大;观测物标回波边沿的方位时，需修正半个波束水平宽度。由于雷达地平以远和受遮挡的地物无回波，所得岸线图形往往与海图上形状不完全一致。②有干扰，包括雨雪杂波、海浪杂波、同频杂波等的干扰,轻者影响观察,重者掩没物标回波。③可能出现假回波，包括旁辨回波、间接回波、多次反射等。④其他如由于船上烟囱、桅杆的遮挡，荧光屏上形成扇形阴影，超折射时出现第二行程回波等。 ⑵ 引航 在较宽水道航行，最好利用雷达连续在海图上定位进行导航。在狭水道航行，须航海雷达直接在显示器上进行导航。航海雷达有相对运动显示和真运动显示两种方式。 相对运动显示方式为航海雷达的基本显示方式。其特点是代表本船船

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位的扫描起始点在荧光屏上（一般在荧光屏中心）固定不动，所有物标的运动都表现为对本船的相对运动。相对运动显示方式分两种。①舷角显示方式：又称“船首向上”显示方式。不管本船航向如何改变,船首标志线始终指向固定方位刻度盘的正上方(零度),便于读取舷角。但物标在屏幕上的位置随本船航向改变而改变，因此在改向或船首由于风浪而发生偏荡时，会使图像不稳,且由于余辉而使图像模糊。②方位显示方式：又称“真北向上”显示方式。将本船陀螺罗经（见罗经）的航向信息输入显示器，使船首标志线随本船航向而改变，其所指固定方位刻度盘读数就是当时本船航向，此时固定方位刻度盘正上方（零度）代表真北，本船改向时,物标在屏幕上的位置不变,保持图像稳定。船舶主要依靠浮标航行，而且航道弯度不大，可选用舷角显示方式；船舶航行转向频繁,而且需要大角度转向时,选用方位显示方式为宜。 真运动显示方式为在荧光屏上能反映船舶运动真实情况的显示方式。实现真运动显示，要将本船罗经的航向和计程仪的速度信息输入显示器。其特点是代表本船船位的扫描起始点以相应于本船的航向和速度在屏幕上移动，海面上的固定物标在屏幕上则固定不动，活动物标按其航向和航速在屏幕上作相应移动，根据活动物标的余辉,即能看出其真实航向和估计其速度。真运动显示方式主要是便于驾驶员迅速估计周围形势。 ⑶ 避让标绘 为了判别与会遇船有无碰撞危险，应根据雷达观测信息进行标绘作业，标绘航海雷达内容通常是求最近会遇距离和来船的真航向，真航速。 人工标绘作业可在极坐标图上进行：按一定时间间隔把来船回波的相对位置移标在图上，其联线就是该船的相对运动线。它离中心的垂直距离，称为最近会遇距离。最近会遇距离太近就是有碰撞危险。已知本船真航向、真航速，通过作矢量三角形，就能求出会 遇船真航向、真航速。60年代出现了套在雷达显示器屏幕上的反射作图器,它使驾驶员能直接在屏幕上标绘而无视差,从而提高了标绘效率，但准确性有所降低，也不能留下记录。以后又出现了在屏幕上增加一些被称为“火柴杆”的电子标志和基于光、磁、机械等方法进行标绘的其他装置。60年代末到70年代初出现自动雷达标绘仪。 自动雷达标绘仪是附属于航海雷达的自动标绘装置，一般用电子计算机控制，可与雷达组装在一起，也可以作为单独部件。工作时，需向它输入本船航向、速度、雷达触发脉冲、雷达天线角位置和雷达视频回波信号，由人工或自动录取会遇船，然后自动跟踪。通常用矢量线在屏幕上表示各会遇船的航向和航速，其长短可以设定。矢量线末端代表到设定的时间时各会遇船的位置,可以很容易看出有无碰撞危险。也有用椭圆形或六角形显

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示预测危险区，其大小取决于所设定的最近会遇距离。如会遇船的航向、航速和本船的航速均不变，本船航向线通过预测危险区时,即有碰撞危险。当电子计算机算出最近会遇距离和到最近会遇点时间小于所设定的允许范围时,会自动地以各种方式(视觉和音响)报警,提醒驾驶员采取避让措施。如果需要,可进行模拟避让（模拟改向、改速或倒车），以确定所要采取的避让措施。为准确显示各种避碰信息，如选定船舶的方位、距离、航向、航速，最近会遇距离和到最近会遇点时间等，标绘仪中还有数字显示器或字符显示器。 3 船用雷达的未来展望 在船用雷达更新换代之际 船商公司集过去数年的研究成果和实践提 出了一个崭新的概念 ,即：一部性能优异的ARPA雷达=普通天线收发机 +普通PC机及显示器 +船商雷达信号处理卡。船商的雷达信号处理卡（Radar Integrator Board）目前已发展到第二代 ,它可以直接插在普通PC机的PCI插槽上 ,与雷达收发天线单元相接后具有直接处理雷达视频信号、录取和跟踪移动目标、控制收发机等功能 ；安插雷达信号处理卡的计算机能将雷达图像与矢量电子海图相叠加,利用计算机连网可将雷达图像和电子海图传输到船上任一部位 ；利用船商扩展串行接口 ,计算机还能处理包括VHF 应答器（或船舶自动识别系统 –AIS）在内的所有船用传感器的信息。此外 ,计算机还能把航行过程中的信息压缩并保存在硬盘上 ,这些信息不仅包括所有目标的动态数据,而且还包括数月连续航行中雷达天线旋转每一圈所得到的整个雷达图像。 几年前，国际电工委员会(IEC)第1工作组负责制定雷达的技术标准，IEC允许在雷达屏幕上显示电子导航海图(ENC)上的一些要素，包括岸线、安全区、预警区和线条、孤立的危险物、浮标和灯塔。根据船商公司多年研制和销售电子海图的经验（船商海图数据库已包括全球海域近6000幅矢量电子海图），我们认为上述物标已占ENC数据量的70%。例如，在使用一些国家(如挪威、瑞典、芬兰等)的纸海图制作电子海图过程中我们曾遇到过数百幅海图，图上包含的上述海图要素由一百万条以上线(或点)组成；有些海图竟有11000块礁石。假如我们使用芬兰的第25号海图，用原始比例尺显示在21英寸显示器上，屏幕上将显示出840个岛屿。根据S57标准，一幅ENC海图的容量不能超过5Mb，但如果船舶航行到海图连接处将要显示四幅海图时，这意味着非常庞大的信息量。这些说明在雷达图像上显示ENC绝非易事，至今世界上还没一部雷达能同时显示ENC和雷达图像。 然而，在雷达图像上叠加显示ENC所有数据将非常有助于安全航行。例如，浮标图形的显示可以使驾驶人员方便地区别浮标回波和目标回波；如果ENC显示的岸线与雷达岸线图像重合，则整个海图要素的参照都是正确