海上動態(tài)船舶雷達回波信號研究

嚴志文

[摘要]根據(jù)船舶的自身屬性和運動特征,從多角度分析海上動態(tài)船舶的雷達回波信號的影響因素,進而提出提高導航雷達使用效能的建議,以應用于海上船舶導航雷達的信號處理工作。

[關鍵詞]導航技術 航海 雷達 回波信號

中圖分類號:TN95文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910009-01

一、船舶導航雷達工作原理

對于船舶導航雷達,雷達回波信號進入接收機,經(jīng)過高頻設備、中頻設備處理,在視頻檢波模塊輸出的是視頻包絡信號國。目標模型包括船舶的距離、船舶回波幅度、幅度起伏等。

假設雷達回波信號由三部分構成:目標回波信號、噪聲信號和雜波信號。因此,雷達回波可理想化地描述為以下形式:

X(t)=S(t)+N(t)+C(t)

式中:S(t)表示目標回波信號;N(t)表示噪聲信號;C(t)表示雜波信號。目標是雷達檢測的物體,或者是所感興趣的對象,雜波和噪聲一般來說是無用的信息(也有例外)。

二、船舶導航雷達回波信號分析

(一)導航雷達回波信號表示。一般說來,目標船回波可用船舶的距離、方位等基本特征來描述。在雷達接收機顯示器上,目標的位置通常是以極坐標方式來確定的,即目標回波用矢量的方法來表示。矢量包括距離和方位角這兩個要素。因為運動或是靜止中的船舶在地理空間中的位置是確定的,也就是說目標船舶與雷達的距離和方位關系是可以測定出來的,所以目標船回波位置模型屬于確定性模型,可以直接使用確定的數(shù)值來描述目標的距離和方位。

目標的位置是用矢量來描述,即用距離和方位角這兩個要素來確定。目標距離需要根據(jù)目標運動的速度和方向以及雷達工作時間的變化計算產(chǎn)生。雷達測距原理是模擬生成雷達目標距離這一要素的理論根據(jù)。雷達電磁波定向原理則是模擬生成雷達目標方位角的理論依據(jù)。目標船的回波幅度應由船舶的雷達截面積來決定,而雷達截面積可在實驗中測量得到確定的數(shù)值,因此幅度模型也屬于確定性的模型。

(二)影響導航雷達回波信號的因素。在實際應用中,一般認為回波幅度主要由目標的雷達截面積來確定。船舶的回波強度取決于船舶的視角、形狀、大小及暴露于雷達波束照射范圍內(nèi)的結構和材料。一般來說,正橫方向的回波強度大于首尾方向的,大船的回波強度大于小船的,空載時大于滿載時的,鋼鐵結構的大于木質(zhì)結構的。

雷達回波存在各種各樣的假回波和雜波,一般應該結合對船舶周圍的環(huán)境實際的瞭望和對雷達圖像的綜合分析,理論聯(lián)系實際,積極思考、觀察和比較,準確和迅速的作出正確的判斷哪些是假回波,哪些是雜波而哪些是真正有用的雷達回波。

雷達假回波有:間接反射假回波、多次反射回波、二次掃描回波;雷達干擾雜波有:海浪干擾雜波、雨雪干擾雜波、同頻雷達干擾、電火花干擾、明暗扇形干擾等。

還應注意雷達扇形陰影區(qū),一般陰影區(qū)的形成是由于本船煙囪或船上高大建筑物遮擋了雷達的掃描波,從而在雷達圖像上本船尾部一定扇形區(qū)域內(nèi)形成了一個沒有任何回波的區(qū)域,處在這個區(qū)域中較為接近本船和凈空高度比較低的船舶在雷達圖像上將沒有任何回波。作為一名合格的駕駛員,應該十分清楚上述雜波、假回波以及雷達扇形陰影區(qū)生成的原因和并能夠準確的識別這些干擾的回波和雷達陰影區(qū)域,并且結合謹慎安全的瞭望經(jīng)過認真的分析,這樣才能準確的分析出雷達圖像所傳遞出給我們的信息。

(三)導航雷達回波信號的識別。關于雷達干擾雜波的識別,在雷達觀測中是很重要的。在多年的航海實踐中筆者總結了一個比較有效的識別方法與航海者共享,在觀測雷達波的五次掃描中,如果雷達回波有三次或三次以上比較穩(wěn)定的出現(xiàn)在合理的位置,就要十分警惕,并結合望遠鏡或肉眼在相應的方位上認真瞭望,當在夜間可能是沒有點燈的小船或是能見度不良水域或是風浪較大雷達雜波較多時,應反復數(shù)觀測三個五次雷達波判斷其回波是否繼續(xù)出現(xiàn)上次情形,用以確定是否為物標回波或是雜波,如果有懷疑,應該假設其船舶的存在,采取相應的行動。

物標在雷達上的回波的大小和強弱受物標的質(zhì)料、高度、形狀和與本船的相對位置的影響。鋼鐵制、凈空高、棱角分明并與本船航向相對垂直的船舶其回波最為明顯。同時雷達物標掃描存在方位誤差,距離誤差,但是方位誤差更大,雷達測出的距離比較準確,理解了這一點就明確了用交角的兩距離定位就比其兩方位定位來得準確。還要明白因為方位和距離誤差的存在,有時兩個較近的物標在雷達圖像上只有一個回波,所以一定要注意到這一點。有時船舶以為已經(jīng)讓過一條船,結果在其后緊跟著一條船,如果這緊跟在其后的船舶采取與本船不協(xié)調(diào)的避讓措施,而你在雷達上誤認為此回波為一條船根本沒有預計到與其會遇,則很可能因為雙方的不協(xié)調(diào)行動導致碰撞。

三、提高導航雷達使用效能的建議

影響導航雷達使用效能的因素很多,除海洋環(huán)境外,雷達還受如脈沖寬度、天線波束寬度、天線極化方式、天線增益等雷達本身技術參數(shù)的影響。要更好的發(fā)揮雷達在航海中的優(yōu)勢,應考慮以下幾點:1.雷達長期工作在磁場中,其屏幕因為磁場的影響會發(fā)生色變,嚴重時會影響雷達的觀測,應該定時和及時用雷達消磁器對其進行消磁,保持雷達屏幕的色調(diào)純正清晰,便于觀測。2.船舶航行中雷達中速度的數(shù)據(jù)是來自相對計程儀的相對水速度,用以計算船舶間相對于水面的相對運動態(tài)勢,以利于正確采取避讓措施。3.必須深入研究雷達受本身性能和外部環(huán)境的影響原理,以引進先進技術來改進、提高雷達性能。4.使用導航雷達應考慮到大氣環(huán)境對雷達作用距離和探測性能的影響,合理使用雷達,正確判別目標。5.注意總結海洋環(huán)境對導航雷達的影響規(guī)律,最大限度發(fā)揮雷達的使用效能。

四、結束語

海上動態(tài)船舶雷達回波信號處理是航海導航研究的關鍵,目前船用雷達已經(jīng)綜合GPS、ARPA、AIS、ECDIS和簡單人工智能系統(tǒng)等,如果信息更加完備,智能更加成熟,綜合導航雷達將會具備有效的自動避碰、自動氣象識別與避離、自動安全航線的選擇等。隨著計算機技術、控制技術、人工智能、通訊技術等的不斷的發(fā)展,相信智能型的船舶將會安全的航行在世界的各個角落。

參考文獻:

[1]盛文、焦曉麗,雷達系統(tǒng)建模與仿真導論,北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2]王世遠,航海雷達與ARPA,大連:大連海事大學出版社,2006.