雷达与船舶自动识别系统外文翻译资料

 2023-01-13 17:41:47

雷达与船舶自动识别系统

摘要：雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。船舶自动识别系统是一种应用于船和岸、船和船之间的海事安全与通信的新型助航系统。常由VHF通信机、GPS定位仪和与船载显示器及传感器等相连接的通信控制器组成，能自动交换船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息。装在船上的AIS在向外发送这些信息的同时，同样接收VHF覆盖范围内其他船舶的信息，从而实现了自动应答。

介绍

雷达是一种导航辅助设备，可让船舶确定移动目标和固定目标的范围和方位。雷达天线将射频能量作为波束传输，系统会适当地接收和处理波束路径中的反射物体。 显示给用户。它主要是与船舶相关的系统，因此基本雷达视图很容易与视觉场景相匹配。其基本操作不依赖于船舶外部的任何功能系统，从而极大地提高了船舶导航解决方案的完整性 。

  1. 雷达可以认为由天线（用于发送和接收），发射机，接收机，处理器和显示/控制器组成，如图所示：

1，发射器和发射信号

发射器产生天线辐射的电磁能。 传统的海上雷达使用这种能量的非常短的脉冲，可能短至50纳秒。 一纳秒是10-9秒-一秒内有十亿纳秒。 当选择远距离时（例如24 NM），发射器会产生约一微秒（百万分之一秒）的脉冲。磁控管产生这种能量，该磁控管使用非常高的电压和磁场来产生微波振荡。 发射器中的电子设备包括磁控管以及产生短脉冲以向磁控管供电所需的高电压和电流的所有必要组件。大约需要10,000伏特，因此在雷达发射时打开发射器外壳非常危险 。 NT雷达使用固态发射器-晶体管技术-而不是磁控管。

微波是波长很短的电磁能量，因此具有很高的频率。电磁波的波长和频率通过以下简单方程式关联：

频率=光速/波长

这跟说的一样：

波长=光速/频率

海上雷达使用的频率在2.9至3.1GHz频带（范围）内，而9.3至9.5GHz则代表千兆赫兹，这意味着每秒109（十亿）次振荡。这些频带通常称为3 GHz和9GHz雷达 它们分别分别称为S波段和X波段。它们分别以大约10cm和3cm的波长而著称。令人困惑的是，所有这些用于海上雷达波段的名称都在使用中。 特别是3 GHz雷达一定不能与3 cm雷达混淆！

常规船用雷达的每个脉冲都具有较高的发射功率，根据实际雷达的不同，发射功率可能为4至60 kW（1 kW为千瓦，即1,000 watt），但对于大多数系统，通常为10至25 kW 船约3,000总吨以上。 一个脉冲与另一个脉冲之间必须有一个间隙，以使发射的信号有时间在船和目标之间以最长的显示范围传播，并再次反射回雷达天线。

与脉冲的长度相比，脉冲之间的经过时间长，因此平均（平均）功率非常低。 典型的脉冲重复频率范围约为每秒350至3,000个脉冲。对于以25 kW峰值功率发射的雷达，平均功率仅约10瓦，相对较低的平均功率可以解释为什么雷达水平 除非直接站在天线前面，否则船上的能量对健康无害。应始终注意制造商关于雷达天线靠近安全距离的警告。

发射机可以安置在甲板以下，通常靠近桥梁，也可以是天线组件的一部分，随天线一起旋转;这些配置分别称为下桅杆和上桅杆安装。 相反，由于更多的设备处于难以接近的位置，因此增加了维修高度，从而增加了维修难度。

在常规的海上雷达上，同一天线用于信号的发送和接收。其目的是在水平面（方位角）上形成一束窄的电磁能束（通常为1°至2°宽），并在仰角上形成一个相对较宽的束（约20％）。轮船（基本上是电动机）使天线连续地沿方位角旋转，而轮船和天线的组合通常被称为扫描仪。理论表明，天线越宽，方位波束宽度越窄，实际上，重要的问题是天线在辐射能量的波长方面有多宽，这意味着雷达天线的工作波长为10 cm（3 GHz）。 ）的宽度大约是3厘米（9 GHz）天线的三倍，才能获得相同的方位角波束宽度。3 GHz雷达天线的较大尺寸（需要获得合理的波束宽度）将其使用范围限制到更大。船。这就是为什么在要求良好的角度辨别力（例如在引水中）时通常使用9 GHz雷达的原因。如稍后所述，由于3 GHz雷达在雾天，雨水和海浪的不利条件下的性能较好，因此优选。天线旋转的速度通常为每分钟20到30转（rpm）；在High Speed Craft上达到40 rpm或更高。旋转速度取决于两个相互矛盾的要求。第一种是具有足够低的速度，以便在每次天线扫描时，即使是很小的目标也会被几个雷达脉冲照亮。这使得雷达探测目标的可能性更大。第二个要求是连续扫描的更新率必须足够高，以使具有相对运动能力的目标仅在雷达屏幕上移动了很短的距离，这增强了识别目标实际运动的视觉和自动过程如果更新速率（即天线旋转速率）太慢，则不可能对特定移动目标保持明确的观察，特别是如果这些目标是附近的几个目标。

由于涉及的物理原理，天线永远不可能拥有完美的方位角波束，理想情况下，其在整个所需波束宽度范围内具有均匀的灵敏度，而在波束宽度范围外的角度上具有零灵敏度，典型的真实天线方向图如图2所示。

图2

垂直销售以分贝表示，它是对数刻度，因此-10，-20，-30和-40dB分别对应于十分之一，一百分之一，千分之一和千分之一的相对灵敏度。 -3dB是0 dB时灵敏度的一半。波束宽度在-3 dB级别引用，但是从图中可以清楚看出，如果在较低级别测量，波束宽度会更大。这意味着可以在引用的光束宽度之外检测到目标。同样重要的是，电平永远不会完全消失，并且在所有方位角都存在残留灵敏度。天线方向图上的这些驼峰称为旁瓣；有用光束称为主光束或主瓣。尽管旁瓣的灵敏度与远波束相比非常低，通常要低1000倍以上，但在某些情况下，雷达仍可以从旁瓣的辐射和接收中拾取目标。这些目标被错误地显示在远光灯的位置，但可以在任何方向，甚至在天线后面。在某些情况下，尤其是在目标非常大的情况下，这种效果会非常明显。

从大多数船用天线发出的电磁波具有横向于方向传播的振荡，该振荡主要沿水平方向传播。 这称为水平极化。 在一些系统上，可以设置其他极化，特别是称为圆形的极化，这是水平极化和垂直极化的特殊组合，可以在雨水杂波中提供更好的性能。如果有其他极化，则用户也可以使用 将系统设置为水平极化。这对于检测SART尤其需要（请参阅第3章）。

2，接收器

接收器的工作是放大天线收集的信号并将其转换为波动的电压，以使来自目标的反射会导致电压高，而在电压低的情况下将不存在目标。图3（ 图表的x轴是时间，它转换为天线所指向的特定方位角的距离。一个简单的平面位置指示器雷达显示器（PPI）在自己的船上位于中心，目标显示 在屏幕上作为目标范围和方位上的亮度点。这是通过使信号（如图3所示）以正确的方位在显示屏上“画图”，从而将高振幅转换为光区域而以电子方式获得的 低振幅保持黑暗。 目标以不同的亮度绘制，而暗区表示缺少目标。 当天线旋转时，屏幕上会形成完整的360°图像。

图3

但是，有几个问题阻止这种简单的方案令人满意地运行，包括：

·所需目标的接收信号强度在很大的范围内变化很大，可能超过一百万比一的电压比（功率为120dB）。人眼无法在雷达显示器上感知到这样的亮度范围。

·大信号电压也是由不想要的目标产生的，例如来自波浪和降水的反射，遮挡了真实的目标，例如小型船只和浮标。不想要的雷达回波被称为混乱，原因很简单，它们会干扰显示和隐藏 想要的目标。

·大信号可能来自干扰信号，尤其是其他雷达。

由于这些原因，必须先对信号进行处理，然后才能将其用于形成显示器。

3，雷达处理器

接收到的信号受许多模拟和数字过程的操纵。随着时间的流逝，越来越多的功能完全以数字方式执行，这仅仅是因为可负担得起的数字处理技术的功能不断增强。模拟过程是一种直接作用于波动信号的过程，例如，通常嵌入在集成电路封装（芯片）中的基于晶体管的电路可用于直接增加信号波动的大小。这称为放大或增益。对于数字过程，必须首先在很短的时间间隔（样本）内自动测量信号的电压电平，然后必须将测量的电平转换为数字格式。这就是所谓的模数转换（ADC）。随后的处理就是对数字进行计算，与台式计算机执行处理的方式相同。例如，将数字化信号“放大”十倍意味着必须将表示不同时间信号电平的一系列数字都乘以10。模拟信号处理通常是在信号的“前端”进行的。雷达。非常小的接收信号必须至少通过模拟过程进行放大，以使其足够大以被进一步的模拟和数字过程操纵。同样，通常通过模拟过程来“压缩”接收信号的巨大变化。这样可以将接收到的信号的电压变化范围从一百万减小到一，典型的范围大约在250到1。现在甚至可以以数字方式执行这种压缩。数字过程非常灵活且易于复制。现代船用雷达的良好能力几乎完全归功于这种数字技术的使用。例如，数字处理使目标在杂波和噪声中更清晰可见，消除来自其他雷达的干扰，获取并放置目标，并计算诸如最接近点以及许多其他任务之类的东西。

4，显示和用户界面

雷达的用户界面由显示器和手动控制组成，可以是独立的雷达显示器或多功能显示器（MFD），有时可以在电子海图显示和信息系统（ECDIS）上显示雷达图像。 在后面的部分中将更详细地讨论用户界面。

雷达的基本显示有时也称为计划原因指示器（PPI）。这是因为接收到的雷达反射以平面图的形式绘制，对应于以本船为中心的区域。例如，该区域可以定向为 “北上”或“平头”，表示显示的垂直轴分别代表“北”或船的航向。

二、雷达性能

雷达检测特定目标的性能取决于涉及雷达，目标和周围环境的许多方面。雷达工程师通常在计算机软件设计软件包中使用雷达方程式来确定此性能。 对于那些对细节感兴趣的人，该方程的公式包含在附录A中。但是，本节将对雷达方程的基本方面进行描述。 雷达性能通常表示为雷达在特定环境条件（例如降水和海况）下在特定范围内（仅）检测特定目标的能力，这被称为首次检测范围。

因此，例如，我们可以说某个雷达在清晰的条件下可以在5.3海里的距离处检测到一个特定的导航浮标。雷达方程以其详细形式允许计算范围，并且应与实际情况相匹配 但是，存在许多无法准确建模的实词难题，因此，雷达的规定范围可能无法准确评估其在任何特定实际条件下的能力。

三、雷达参数

雷达的发射能量与天线发散，因此目标离雷达越远，接收到的能量越少。除了在非常短的范围内（典型的船用雷达不到几百米）之外，发射能量的强度 减小为范围的平方的倒数。即1 / R2。这是众所周知的平方反比定律，它适用于所有电磁能源，例如太阳，电视台或灯泡。这意味着 2英里处的雷达传输强度是1英里处的强度的四分之一。 在3英里处，信号强度为九分之一；在4英里处，强度为十六分之一。因此，可以看出，信号强度随着距离的增加而迅速减小。

当雷达发射的微波能量撞击目标时，能量通常会在所有方向反射，尽管某些能量会被目标吸收。一部分反射能量会直接返回雷达天线。同样，平方反比生效 。考虑到发射能量和反射能量的这一定律，意味着雷达的接收能量会随着距离的变化而变化，即为倒数第四幂定律（1 / R2）。 因此，例如，雷达天线从距雷达2英里处的目标收集的能量是1英里处所测量能量的1/16； 3英里处1 / 81，4英里处l / 256。

雷达天线接收到的已反射离开目标的功率通常是确定雷达范围的所有重要因素。 显然，这受发射功率强度的影响。 由于四次幂定律相反，雷达需要具有16倍的功率才能将其测距能力提高一倍。

确定雷达范围的另一个重要因素是雷达天线在发射时将能量集中到窄波束中并在接收时收集最大能量的能力，这两者都与雷达工程师已知的参数有关，即天线。如上所述，仰角波束宽度必须至少为20°，以适应船的俯仰和横滚，因此对最小垂直波束宽度设置了限制。缩小水平波束宽度可以增加天线的增益，还可以提高雷达区分方位稍有不同的两个目标的能力。后者称为方位角分辨率或方位角判别。同样，可以使用方位角波束宽度较小的天线对目标的方位进行更精确的测量。IMO裁定，所有船载海上雷达的方位角分辨力必须优于2.5°，尽管通常系统的分辨力小于2.5°比1°。

光束更窄

·减少被照亮的海洋面积，从而减少海杂波。

·减少雨水和被照亮的其他降水量，从而减少降水混乱。

但是，较窄的方位角波束会减少每次扫描中雷达照亮目标的时间，除非天线旋转速度变慢，因此在确定雷达的有效范围时也必须考虑这一点。 天线波束宽度是要在更好的方位角精度，方位角辨别力和在杂乱的性能，增加的成本以及安装和旋转较大的天线的难度之间进行权衡的问题之间做出折衷选择，还必须考虑所需的更新速率 （旋转速率），因为这会影响确定与本船相比具有相对运动的目标的准确性。

接收天线的质量取决于其拒绝来自远光灯外方向的信号的能力。即使没有人为产生的电噪声，来自天空和地面的自然噪声源也会从各个方向到达天线。如果雷达天线在接收来自所有方向的信号方面同样有效，那么自然噪声将掩盖从目标接收到的微弱回波。雷达天线的窄波束阻止了很多自然辐射的进入，它只能通过主波束入射，并有少量来自旁瓣。在设计合理的系统上，不需要的外部噪声进入天线的程度应足以避免将最小目标的反射遮挡到最大的关注范围。

可以将天线消除这种自然产生的噪声的效率表示为一个面积，该面积通常比天线面的实际面积略小。天线的增益还与“实际上，它与增益的关系还取决于雷达信号的波长，从而引起“雷达方程中

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