船用雷达终端显示系统

第10章船用雷达终端显示器10.1 概述雷达接收机将天线受到的微弱目标经高频放大、混频、中频放大、检波极信号处理后，尚需提取回波中的目标信息，再在经必要的加工后直观显示于显示器上，此过程由雷达终端来实现。

现代雷达终端显示的基本内容含：目标数据的录取、数据处理及目标航行状态的显示的典型组成框图如图10－1所示。

图10－1 船用雷达终端的典型组成简框图0－1中，“目标录取”用于实现对来自雷达录取机的雷达目标回波存在的确认，并提取目标的方位、距离、航速等信息：“数据处理”完成目标数据的关联、航迹处理、数据滤波跟踪；方位角编码完成天线瞬间方位角数据的提取机其极坐标转换成直角平面坐标，“显示系统”完成目标的位置、运动状态及其它信息的显示。

10.2 船用雷达显示器件船用雷达终端显示器采用的显示器件有两大类；磁偏转阴极射线管﹙CRT﹚和液晶显示器﹙LCD﹚,终端显示器有多种扫描方式工作：对传统船用雷达CRT显示器，常采用径向园扫描方式；对现代船用雷达LCD显示器，常采用光栅扫描显示方式。

按照需要显示的信息类型，可分为“一次信息”和“二次信息”显示。

10.2.1 阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）船用雷达要求使用具有余辉、亮度大、聚焦好、屏面尺寸大及磁偏转的CRT，以适应在宽阔海域中能得到较好的图像分辨力、清晰度及亮度画面的观测要求。

雷达显示器常用的CRT有三类：静电式：电子束聚焦，由管内极板间静电场完成电子束偏转，简言静电聚焦、静电偏转CRT，常用于军用A型显示器，也常见于实验室的普通示波管；磁式：电子束的聚焦与偏转均由装在管颈外的线圈流入电流产生的磁场完成，传统船用雷达常用；混合式：静电聚焦、磁偏转，因其具有供电方便、消耗功率小、结构简单、偏转灵敏度高等诸如优点。

船用雷达常被广泛采用的是混合式CRT。

1.CRT构成原理1）单色混合式CRT其构成如图10－2所示。

图10—2 单色混合式CRT结构图10-3 彩色CRT的结构示意图由图可见，混合式CRT由玻璃外壳、电子枪、荧光屏三大部分构成，工作时外加偏转线圈，形成偏转系统。

玻璃外壳由芯柱、玻璃管颈、玻璃锥体和屏面玻璃四部分组成；电子枪装在管颈内，包括由灯丝、阴极、控制极和第一阳极组成的电子枪发射系统，而聚焦极和第二阳极组成电子枪主聚焦系统，与管颈相连的锥形玻璃体，其内表面涂有导电的石墨层；荧光屏是圆盘形，外表面是玻璃，中间是荧光粉，里面涂有很薄的铝层（膜），起隔离散热作用，管内被抽成高度真空。

在工作时，CRT灯丝上一般加交流6.3 V，以加热阴极。

阴极为信号极，加入负极性回波视频脉冲信号和各种刻度脉冲信号。

控制栅极加可调偏压，使用时用显示器面板上的“亮度”（Brilliance；Intensity）按钮调整和正极性方波即“辉亮脉冲”，用以控制阴极只在扫描期间内发射电子。

第一阳极一般加＋500V（或＋600 V）电压，以加快电子速度。

在聚焦电极上加聚焦电压，实现电子束（静电）聚焦。

第二阳极约加＋10KV特高压，加快电子束速度，轰击荧光粉，使荧光粉发光，从而在屏上显示雷达图像。

2）彩色CRT构造原理其构成如图10－3所示。

彩色显示是基于三基色原理，并利用空间混色法来构成。

彩色显像管CRT是彩色显示器的重要器件，是显现彩色图像的关键器件。

彩色显像管有三类：三枪三束荫罩管、单枪三束三网管及自会聚管。

前二者是早期产品，现已少用。

自会聚彩色显像管是在单枪三束三网管基础上发展成的，区别在于它利用了特殊的偏转线圈，且对改进了显像管内部的电路，从而使显像管不再依赖会聚电路，也使三条电子束在整个屏幕上具有较好的会聚。

因不依赖外部会聚电路、会聚调整方便、生产维修容易等优点，故被现在几乎所有的彩色显示均采用这种显像管。

“三基色原理”是建立在人眼变色的生理事实上，理解不难，实际如同人们熟悉的彩色电视机的红、绿、蓝“三基色”按不同比例混合而构成自然界各种物体的颜色。

其基本工作原理是用灯丝加热阴极，使阴极发射发射电子，电子被加速剂加速和被聚焦极的电子透镜聚焦成很细的电子束，又受高压强电场进一步加速，以提高的速度轰击荧光屏上的荧光粉，将电能转变为光能。

电子束在射向荧光屏的途中，还受到行、场偏转线圈磁场的作用，以控制电子束作扫描运动。

加载阴极上的各种视频信号，不断改变着阴极与栅极之间的电位差，于是，图像信号的幅度变化被转换成屏上的的亮度变化，并与扫描同步，则在荧光屏上显示出图像。

为了防止误击，在荧光面内侧设有选色电极（荫罩）。

品型布置的电子枪，采用圆孔性荫罩。

玻璃壳除设有荫罩外，还设有屏蔽地磁场用的内屏蔽罩。

起作用是防止电子束手地磁场干扰发生絮乱和偏离，以防止电子束射向其它颜色的荧光体。

在玻璃壳外侧装有偏转磁轭和色纯度会聚磁铁。

偏转磁轭除了使电子束偏转扫描外，通过器磁场分布设计，通常还具有是三个电子束完全汇聚于荧光屏画面的功能。

自会聚彩色CRT，在结构上采用仅歌迷一字型排列电子枪，不会在垂直方向失会聚，只要校正水平方向的失会聚即可。

会聚校正之基本原理是利用磁场的非均匀性，对动态会聚误差自动校正。

其中，垂直偏转线圈的磁场设计成桶形分布，水平偏转线圈的磁场设计成枕型分布。

2.CRT的调制特性在船用雷达中，阴极电流的调制特性曲线如图10-4 所示，显见，调制特性曲线斜率越大，其调制作用越明显。

图10—4 CRT阴极电流调制及栅极控制特性3.CRT电子束的聚焦原理CRT电子束的聚焦目的是为了能使电子束轰击荧光粉时，只能限在很小的点上发光，以确保所要的清晰度，能使人眼容易分辨出直线和点，要求光点直径限制在0.18mm内。

电子束的聚焦可采用静电聚焦和磁聚焦，船用雷达亦即电视机及计算机均采用静电聚焦的CRT。

聚焦的电子枪，由灯丝、阴极、控制极及一个到几个对电子加速的阳极组成，如图10-5 a)所示。

图10-5 CRT 静电聚焦过程示意图a) 电极、不均匀电场及电子束形状；b)“电子﹛光学﹜透镜”聚焦示意图图中，G1和A2之间形成的电场构成“预聚焦透镜”，其作用是将阴极发射的电子进行初步聚焦，使其焦点正好落在轴线上，成第一焦点，视为电子发射点，再由A1和A2组成“主聚焦透镜”再进行主聚焦，使形成第二焦点与荧光屏面重合，如图10-5b)示。

采用三个金属圆筒组成的电子透镜，亦可完成电子束的聚焦作用，如图10-5 b)所示。

阴极、控制删极和加速阳极A1之间有高－低－高的静电场，形成一个短焦距的第一电子透镜组，称预焦透镜，使电子束会聚与加速阳极A1的管轴上。

在加速阳极A1和第二阳极之间，有较长的焦距，称主焦透镜，而构成CRT的聚焦系统，通过调整聚焦极的电压，可改变电子透镜的电场分布，从而改变焦距，达到更好的聚焦效果。

4.CRT电子束的偏转原理如果上述电子束聚焦后沿管颈轴线飞向荧光屏过程中受到外力作用，电子束运动方向会发生怎样的改变？采用的是在管颈外套上偏转线圈，并加入电流，便形成垂直于轴向的磁场B，宽度为L1，磁偏转原理示意图如图图10—6 a)、b)所示。

从偏转线圈中心位置到荧光屏屏面距离为L，电子束偏转角为 ，如图10—6a)所示,常用的半分布式空芯偏转线圈结构如图10—6b) 所示。

图10—6 磁偏转原理示意图a) 磁偏转原理；b) 半分布式空芯偏转线圈结构经分析可简化得电子束在荧光屏上的偏移量D 为1=0.3KL L D 式（10—1）式中：W 为偏转线圈的匝数；I 为偏转线圈中流入的电流；K 为比例系数；L 为偏转线圈中心只平面的距离；a u 为CRT 第二阳极。

定义由单位安匝数产生的偏移量为“偏转灵敏度”h ，即1DW I 0.3KL L =h = 式（10—2）h K = 式（10—3） 式中，1'0.3K KL ＝为由偏转线圈结构决定的系数。

5.荧光屏的余辉特性图像﹙形﹚信息是经荧光屏上的可见光信号显示出的，故荧光屏的特性将直接影响显示画面的质量。

荧光屏的各特性参数如下：1）亮度特性：亮度是衡量光电发光亮暗程度的一个指标。

亮度单位可用单位面积上发光强度来表示，常用“熙提”或“尼特”。

在美英制中常用英尺·朗伯。

它们之关系为 1熙提＝1坎德拉／平方厘米﹙cd ／cm 2﹚；1尼特＝1坎德拉／平方米＝102；1英尺·朗伯＝1／π坎德拉／英尺2＝0.00043熙提。

荧光屏上光点的亮度，正比于屏接收到的电子束能量，或即正比于电子束的电流密度、加速极上的高压和电子束在荧光屏上的持续时间。

影响亮度特性的主要因素：⑴ 荧光质的能量转换效率；⑵ 发光亮度与电子束的能量和电子束本身的电流密度有关；⑶ 发光亮度与电子束的能量积累有关。

2）余辉特性：电子束在轰击荧光屏时将立即使荧光粉发光，电子束停止轰击后，光需要经过一段时间才能消失，此段时间称为余辉时间。

工程上常将电子束停止停止轰击至亮度下降到初始值的10%所经历的时间定义为余辉时间。

如表10–1所示。

3）闪烁效应：在CRT显示图像或数据时，由于其信息量很大，电子束在荧光屏上将不断重复扫描。

当重复频率过低时，观测者看到的是一亮一暗的图像或数据，称其为闪烁效应。

对船用雷达而言，需要显示的图像能够稳定，通常采用长余辉荧光屏的CRT，其临界闪烁频率较低。

过高的重复扫描频率，对整个系统工作频率要求过高，工程上也会产生一些困难。

船用雷达实际使用的重复扫描频率为几百至几千Hz，不会出现闪烁现象。

4）光谱特性：不同荧光质在电子束轰击下发出不同颜色的光的现象，称为光谱特性。

10.2.2 液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）1．LCD的构成原理及性能特点1）概述LCD是英文Liquid Crystal Display的缩写，即液晶显示器，后者目前彩色液晶屏LCD 已成为市场主流。

船用雷达／ARPA均采用彩色薄膜晶体管液晶显示器﹙TFT-LCDThin Film Transistor—Liquid Crystal Display，本书此后简称为“LCD”﹚，亦即真彩色液晶显示屏，显示效果较好。

LCD使用于上世纪70年代初，开始作为一种显示媒体使用，应用范围被逐渐拓宽，而今，液晶显示器在船用雷达显示终端中的应用已趋普遍。

上世纪80年代，欧美提出，掌握了STN-LCD（Super Twisted Nematic-LCD）的生产技术，STN屏幕，又称为超扭曲向列型液晶显示屏幕。

在传统单色液晶显示器上加入彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，以此达到显示彩色的作用，颜色以淡绿色为和橘色为主。

STN—LCD功耗小，但在较暗的环境中清晰度较差。

1997年代后期，日本建成了一大批大基板尺寸的第三代LCD生产线。

此间，韩国和我国台湾开始介入液晶显示器生产领域，我国内地企业也引进S TN-LCD生产线，东亚地区逐渐发展成为世界液晶显示器的主要生产地。