第二章++船用雷达设备(天线)
船舶导航雷达天线布置设计要点
船舶导航雷达天线布置设计要点郝绍瑞【摘要】船用雷达是船舶的重要助航、导航设备。
为确保航行安全，实现雷达天线系统的高性能、高可靠性和多功能等方面的导航、定位要求，雷达天线的高度及布置位置必须认真选取，否则将给雷达天线系统的工作造成一些不良后果。
文中所述有关雷达天线的布置设计要点以及雷达桅的适应性问题，可为相关设计人员提供参考。
%Marine radar is the important auxiliary and navigation equipment for ships. It is necessary to select the height and the location of radar antenna carefully in order to ensure the navigation safety and meet the requirements of navigation and positioning including the high performance, the high reliability and the multi-function of radar antenna system, otherwise the operation of radar antenna would result in adverse consequences. This paper discusses the key points of the arrangement of radar antenna and adaptitude issue of radar mast, which can provide references for the relevant designers.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】4页(P89-92)【关键词】船舶导航雷达;X波段导航雷达;S波段导航雷达;卫星导航系统;雷达盲区【作者】郝绍瑞【作者单位】中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011【正文语种】中文【中图分类】U666.1引言船用雷达是船舶的重要助航、导航设备，是保持正规暸望、避免船舶间发生碰撞的一种有效手段，尤其是在狭水道路、进出港及夜间、雾天等恶劣气象条件下，更显出雷达的优越性。
MARK-2船用雷达设备讲解
华盟HM-2032 MARK-2船用 雷达设计的目标回波最小显 示距离是15米。
最小作用距离示意图
《船舶通信导航设备运行与维护》课程讲义1
船用雷达多半用近距离档和远距离档以改换发射电磁波的脉冲宽度。用
近距离档时，脉冲宽度是0.1~0.25微秒，用距离表示则脉冲的长度为 30~75米。如果天线到物标的距离在脉冲宽度的二分之一以内时，则如图 1.2所示，目标反射脉冲波的前端已经到达天线，而脉冲的后尾还没有离 开天线（即处于发射中）。由于同一天线不能同时既发射又接收，所以 接收成为不可能了。而且天线在大功率辐射之后要调整到接收状态还需 要稍有恢复时间。所以实际最小作用距离要比脉冲宽度的二分之一长度 更长。 另外，影响最小作用距离的因素还 有天线安装高度和垂直波束宽度产 生的盲区，如左图所示。当船体倾 斜和摇摆剧烈时，必须注意盲区范 围还会增大，或者引起探测上的差
◆ 目标航迹的标绘，使驾驶员可以提前采取避碰措施。
◆ 工作电压：10.2至40.0VDC，设有反极性保护装置。 ◆ 6NM以下量程可选择高转速，方便快速航行船只使用。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
《船舶通信导航设备运行与维护》课程讲义1
华盟HM-2032 MARK2船用雷达 使用性能的认知与归纳
雷达使用性能是雷达能力的标志，是使用者所关心的指标， 是用户选购雷达的主要依据。使用者对其所使用的雷达的能力 及局限性应有充分地了解，做到心中有数。雷达使用性能也是 设计者在设计雷达时的主要依据，是设计者应保证达到的指标。
相关知识点：雷达最大作用距离（Rmax）。
雷达的最大作用距离Rmax是指在雷达显示器屏幕上目标 清晰可见的最远距离，是雷达探测远距离目标的能力。他既与 雷达的很对技术指标有关，又与目标的反射性能、电磁波的传 播条件及干扰程度有关。
船用雷达
船用雷达0引言雷达概念形成于20世纪初。
雷达是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意为无线电检测和测距的电子设备。
它是利用电磁波探测目标的电子设备。
雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方向、速度等状态参数。
雷达主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成。
船上装备雷达始自第二次世界大战期间，战后逐渐扩大到民用商船。
1雷达的基本工作原理雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传给天线。
天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。
电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。
天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。
由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。
接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等。
2船用导航雷达2.1 船用导航雷达简介船用导航雷达(marine radar )是保障船舶航行，探测周围目标位置，以实施航行避让、自身定位等用的雷达，也称航海雷达。
它特别适用于黑夜、雾天引导船只出入海湾、通过窄水道和沿海航行，主要起航行防撞作用。
2.2 船用雷达与普通雷达的区别一般雷达把自身作为不动点表示在平面位置显示器的中心。
但在航海中，船舶自身在运动，总是与固定目标或运动目标作相对运动。
适应航海环境的雷达，应是真正运动的雷达，须能自动输入船舶自身的航速和航向，数据必须相当准确。
2.3船用导航雷达的最小作用距离—盲区导航雷达是用来探测水上目标的方位和距离,它不受气候影响,可以全天候引导船舶进出港口、码头和海上安全航行。
导航雷达最大作用距离主要取决于雷达脉冲的传播天线,如雷达天线高度、目标大小、形状及反射天线等。
船用雷达 详细介绍
C: 电磁波在空间直线传播速度 C = 3×102 m/ s
如△t = 1μs，则，R = 150 m；对应于1 nm 距离， △t ＝12.35 μs
荧光屏的单位长度：在不同量程代表不同的距离
二. 雷达测方位原理
1、利用收发定向天线 ，只向一个方向发射雷达波且 只接收此方向上的目标的反射回波
第四节 雷达显示系统
2. 测方位误差的测定和校正：
1）相对方位（舷角）误差：艏线位置不正确 ①测定：用方位分罗经测物标真实相对方位（舷角），与雷达 测得的该物标的相对方位（舷角）比较 ②校正：调整艏线延时
2）船首线指零误差：扫描线与天线旋转不同步
①测定：艏向上显示，艏线未对准固定方位圈的0度， 当误差值超出1°时应进行调整
第一节 雷达发射机（Transmitter）
四、正常工作标志
通过收发箱内的表头或显示器上的磁控管电流指示判断
有——正常；无——不正常
五、性能检测
1.磁控管工作是否正常
1）查磁控管电流： 等于说明书规定值——正常 等于零——不发射 大于或小于规定值——管子衰老或高压太高或太低 电表指针抖动——管内打火
245
量程: 12 nm
Fig. 距离与方位测量
本船
目标
Δt＝123.5 μs 0 方向扫描
扫描线 HL
回波 (10 nm)
90 方位标志
EBL
180 雷达平面
固定距标圈 荧光屏边缘
第一节 雷达测距与测方位原理
一. 雷达测距原理
1、物理基础：超高频无线电波在空间直线传播 遇物标能良好反射
2、测距公式：R = 1/2·C × t
混频二极管（混频晶体）
第二章船用雷达设备显
触发脉 冲 发射脉冲 回波
锯齿波
一个又一个变 换
边缘 扫描线
7.1.3 方位显示 天线旋转, 由同步发送器传送到显示单元的同步接收器
，使偏转线圈与天线一起旋转，引起扫描线与天线一起旋 转。
当天线主波瓣指向船首 时, HDG 在荧光屏上闪烁。 这就是方位基准。
可旋转的偏转线圈
§7.2 传统 PPI 显示系统
增大的速度决定了电子束由中心扫描到边缘的时 间。例如：量程的改变。
为了避免 PPI 过亮，在改变量程前应首先减法亮 度。
阴极
电子枪 栅极
阳极 罩
偏转线圈
管脚 灯丝
管径 位移线 圈
Fig CRT
电子束 锥体
荧 光 屏
旋转
扫描线
电子束 F
7.1.2 距离显示
最大 nm 视频 = 扫描周期
零 nm 视频 = 扫描中c心enter
扼流圈
至收发机
波导馈线
辐射窗 齿轮箱 马达
性能监视器
到性能 扼流圈 监视器
扫描器
至保护 开关
至发射机 Ship’s main
性能监视器
(回波箱)
天线与扫描系统
光栅扫描
延时电路
由于微波传输线较长，在收
天线
方位与 船首线
发机间发射脉冲将消耗时间，
如显示器将这段时间包括在
收发机
内，会引起测距误差。因此， 触发脉冲
t
输出有用的目标回波。 (CFAR 视O 频).
（c）CFAR视频 CFAR 处理效果
第二章 船用雷达设备
第七节 雷达显示系统
PPI : 模拟信号处理 传统 光栅(TV) : 数字信号处理 现代
§7.1 CRT & PPI 显示器
第二章++船用雷达设备(接收机)
汇报人：
技术发展：雷达技术的不断进步使得船用雷达设备的性能不断提高
法规要求：国际海事组织对船舶安全提出了更高的要求推动了船用雷达设备的发 展
发展趋势：智能化、集成化、小型化是船用雷达设备未来的发展趋势
技术发展趋势：数字化、智能化、网络化 未来展望：更加智能化、自动化、集成化 技术挑战：提高精度、降低功耗、提高可靠性 市场前景：随着船舶自动化和智能化的发展船用雷达设备(接收机)的市场需求将持续增长。
市场竞争：全球范围内船用雷达设备(接收机)市场竞争激烈主要厂商包括Rytheon、Northrop Grummn、Thles等
发展趋势：随着技术的不断发展船用雷达设备(接收加强技术创新提高产品质量降低成本提高售后服务水平以增强市场竞 争力
定期检查：确 保设备运行正
常无故障
清洁保养：定 期清洁设备保
持清洁
更换零件：定 期更换磨损或
损坏的零件
备份数据：定 期备份设备数 据防止数据丢
失
安全性要求：符合国际海事组织 (IMO)和国际电工委员会(IEC)的相 关标准
测试项目：包括但不限于接收机的 灵敏度、抗干扰能力、稳定性等
添加标题
添加标题
,
汇报人：
01
02
03
04
05
06
定义：船用雷达设备(接收机)是一种用于船舶导航、定位和避碰的电子设备能够接收和显示雷达信号 帮助船舶驾驶员了解周围环境和航行情况。
作用：船用雷达设备(接收机)的主要作用包括： . 导航：提供船舶位置、航向和速度等信息帮助船舶 驾驶员进行航线规划和导航。 b. 定位：通过接收和显示雷达信号帮助船舶驾驶员确定船舶位置和周围 环境。 c. 避碰：通过接收和显示雷达信号帮助船舶驾驶员及时发现和避免碰撞危险。 d. 通信：通过 接收和显示雷达信号帮助船舶驾驶员进行通信和协调。
船用雷达工作原理
船用雷达工作原理雷达是利用电磁波进行遥感探测的无线电传感技术。
船用雷达利用超高频电磁波能够穿透雾、雨、霜、雪等恶劣气象环境，对水面、陆地、船只等进行探测，以实现船舶导航、安全警示和通讯等功能。
船用雷达主要由雷达天线、发射、接收、信号处理等部分组成，其工作原理为：雷达天线发出一束高功率、短脉冲的电磁波，并接收回波信号，在信号处理装置中将回波信号转换为可视化的雷达图像，以指引船只航行和避免风险。
船用雷达的发射部分包括频率发生器、高频功率放大器、脉冲调制器等。
频率发生器产生电波，高频功率放大器将电波放大，脉冲调制器将电波转换成短脉冲形式，控制发射时间和频率，从而实现雷达的发射功能。
雷达天线是船用雷达中的核心部分，用于发射和接收电磁波，在不同方向上扫描目标并接收回波信号。
雷达天线的构造形式有大臂、小臂、座式、开合式等多种，其选用应依据不同的使用场景和需求来决定。
接收部分由接收器、低噪声放大器、中频放大器、检波器、A/D转换器等组成。
接收器接收到回波信号后将其放大，并通过中频放大器将信号转换为中频信号，检波器将中频信号解调成低频信号，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，供信号处理部分进一步处理。
信号处理部分由波形处理器、滤波器、调制解调器、图像处理器等组成。
波形处理器将数字信号转换为基本波形，滤波器对信号进行滤波、降噪处理，调制解调器将信号转换成可视化图像信号，图像处理器将信号转换为雷达图像，供船员使用。
总之，船用雷达通过发射短脉冲电磁波、接收回波信号并进行处理，能够精确定位船只位置和目标方位、距离，提高船舶导航和安全性能。
在恶劣气象、强光干扰等环境中，船用雷达仍能实现高精度探测，为航行带来便利和保障。
船舶信号与系统控制教案船用天线
船舶信号与系统控制教案船用天线
这种天线与T型和Г型天线相比，其有以下优点： （1）不影响船舶装卸货，无需拆卸天线； (2) T型和Г型天线遇雨或结冰时，绝缘子附挂的 冰水将会使天线与桅杆短路，而直立天线无此问 题。 （3）可进行标准化设计，不受具体船体限制。 这种天线的缺点： （1）对底部绝缘要求高； （2）天线固定困难； （3）由于拉索的存在，天线所占面积较大。 为此，有改进型的顶馈接地桅杆式天线和立 式桅杆天线（也称自立式竖笼天线）。
4. 抛物面天线 如图所示的天线就是抛物面天线。这种天线使用聚焦
课题十九、天线系统
一、天线概述 二、船用天线系统
船舶信号与系统控制教案船用天线
一、天线概述
天线是一种变换器，它把传输线上传播的导 行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中 传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电 设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通 信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、 射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信 息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁 波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。 一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作 发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发 射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线 的互易定理。
船舶信号与系统控制教案船用天线
船舶信号与系统控制教案船用天线
船舶信号与系统控制教案船用天线
船舶信号与系统控制教案船用天线
船舶信号与系统控制教案船用天线
船舶信号与系统控制教案船用天线
船舶信号与系统控制教案船用天线
高频头
高频头：俗称调谐器，是电视高频信号 公共通道的第一部分，目前电视机使用的 高频头一般分为数字信号高频头（简称数 字高频头）和模拟信号高频头（简称模拟 高频头）。 简单的讲就是接受电视信号的 调谐及高频信号放大器。
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Circular polarizing filter Back to back mounted antenna
Back to back mounted antenna
驱动电机
作用是带动天线匀速转动，通常电机转速在 1000r/min~3000r/min
传动装置
作用是一个减速装置。 作用是一个减速装置 。 将电机转速减速保证天线以 15r/min~30r/min的速度匀速转动 的速度匀速转动
同步发送器
方位信息传送到显示器单元（同步接收器），以至 方位信息传送到显示器单元（同步接收器），以至 ）， 于扫描线准确地跟随天线旋转
极化天线
水平极化天线 垂直极化天线 圆极化天线
圆极化天线
应用: 应用 反雨雪杂波 圆极化天线 10 cm 雷达 反雨雪杂波电路 长脉冲
反雨雪杂波方法
4.5.1 10cm and 3cm 微波效果 S 波段雷达f polarization on echo return The type of polarization is determined by the vector pointing of electric field while the electromagnetic wave travelling. The wave that the electric field vibration is horizontal is called horizontal polarization. The Electric λ field wave that the electric field Magnetic vibration is vertical is called field Electric field Magnetic vertical polarization. The field wave that the electric field Travel Electric direction vibration is turned is called Magnetic field circular polarization. The field Fig. Circular polarized wave circular polarized wave can easily be divided into clockwise one or anti-clockwise one.
偏离角: 偏离角 由于设计、加工等原因， 由于设计、加工等原因，电磁波传送方 向会偏离天线窗口中点法线方向的顺时针 方向约3º~5º。 方向约 。
天线罩 偏离角 中点法线方向
隙缝波导
传输线
波导 ———X 波段 扼流圈 波导附件 旋转扼流圈 bends, elbow, pliable, resonance cavity 同轴电缆 ———S 波段
The clockwise or anti-clockwise circular polarized wave antenna can receive the same turn wave only. The symmetrical targets reflect the injection circular polarized wave to the reverse direction. Rain/snow drops are symmetrical objects, but the ships and complex targets are not. So when use circular polarized wave, rain echo must be greatly reduced while other targets echoes are reduced slightly. Two ways to achieve circular polarized wave
船艏位置信号产生器
设定方位基准 标志线宽度 0.5°↓ ° 误差 ±1° ° 调整范围 ±15° or so °
当天线主瓣指向船首时,开关接通 产生 当天线主瓣指向船首时 开关接通,产生 开关接通 一个脉冲,在显示器上出现一条亮线。 一个脉冲 在显示器上出现一条亮线。 在显示器上出现一条亮线
G = a λ 4π Ae
2
定向
全方位
λ ↑→ G ↓ a ⇒ A ↑→ G ↑ e a
波束宽度
水平波束宽度 70λ θH = L
L ↑→ θ H ↓→ 方位分辩率↑ 方位分辩率↑
一般为1 一般为1º 棒状波束
VBW HBW
垂直波束宽度θ 垂直波束宽度θ H 为防止船舶摇摆时不至丢失目标，一般 为防止船舶摇摆时不至丢失目标，一般15 º ~30 º 由增益同水平波速和垂直波速关系： 由增益同水平波速和垂直波速关系： 波束越宽，海浪杂波越强， 波束越宽，海浪杂波越强，天线增益越小。
性能监视器
作用: 作用 在难以确定雷达是否工作正常时用监 视器进行观查 (如开扩的海域附近没有任 如开扩的海域附近没有任 何可测目标 时). 性能监视器的使用 正常开机10分钟后 正常开机 分钟后 抗杂波控钮 → 最小 量程 → 较低 (根据操作手册 根据操作手册) 根据操作手册 按下“监视器”开关， 按下“监视器”开关，可见测量图像 Performance monitor Performance monitor
天线的基本参数
方向性图
L 特别对近距离目标， 特别对近距离目标 ， 可能产生 旁瓣回波 P R C B C B 半功率点
θH
A
半功率点
水平方向性图
方向性系数 天线效率 天线增益
天线功率增益（方向性系数） 天线功率增益（方向性系数）
点状天线： 点状天线：全方位 定向天线： 定向天线：固定方向 定向天线最大辐射方向的功 率与点状天线各向均匀辐射 的平均功率之比。 的平均功率之比。 表示定向天线的功率集束能力。 表示定向天线的功率集束能力。
辐射窗 齿轮箱 马达
船首标志开关 方位发送器 到方位接收器 至船首标志电路 交流电源输入 (自逆 自逆 变器.) 变器 扼流圈 至收发机
性能监视器
扼流圈
至保护 开关
到性能
监视器
扫描器
至发射机 Ship’s main
性能监视器
(回波箱 回波箱) 回波箱
天线与扫描系统
天线
作用: 定向发射/定向接收电磁波 作用 定向发射 定向接收电磁波 要求: 要求 方位分辨率↑， °左右。 方位分辨率 ， 非常窄的水平波束宽度 HBW 1°左右。 防止船舶纵摇与颠簸时丢失目标， 防止船舶纵摇与颠簸时丢失目标 ， 较宽的垂直波束宽度 VBW 20°左右 。 ° 顺时针匀速旋转 20RPM。 。 时仍能正常启动和运转。 相对风速为 100kn 时仍能正常启动和运转。 水平极化波束。 水平极化波束。
船首标志的调整
1. 方位误差的调整 (1) 测量肉眼可见小目标方位及该目标的雷达方位 (2) 调整同步发送器使两方位读数一致
2.船首标志的调整 船首标志的调整 (1) 选择船首向上（ H-up）显示方式 选择船首向上（ ） (2) 调整船首标志开关 (3) 确保标志线指向荧光屏的0°方向 确保标志线指向荧光屏的 °
第二章 船用雷达设备
第四节
天线 系统组成
雷达天线及微波传输系统
传输线
波导 x 波段 同轴电缆 s波段 波段 驱动马达：单相或三相（ 驱动马达：单相或三相（1000~3000RPM） ） 传动装置（减速齿轮） 传动装置（减速齿轮）
扫描器
方位同步发送器 船首位置开关 雷达性能监视器
隙缝波导防护罩 波导馈线