海上动态船舶雷达回波信号研究

严志文

[摘要]根据船舶的自身属性和运动特征,从多角度分析海上动态船舶的雷达回波信号的影响因素,进而提出提高导航雷达使用效能的建议,以应用于海上船舶导航雷达的信号处理工作。

[关键词]导航技术 航海 雷达 回波信号

中图分类号:TN95文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910009-01

一、船舶导航雷达工作原理

对于船舶导航雷达,雷达回波信号进入接收机,经过高频设备、中频设备处理,在视频检波模块输出的是视频包络信号国。目标模型包括船舶的距离、船舶回波幅度、幅度起伏等。

假设雷达回波信号由三部分构成:目标回波信号、噪声信号和杂波信号。因此,雷达回波可理想化地描述为以下形式:

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

式中:S(t)表示目标回波信号;N(t)表示噪声信号;C(t)表示杂波信号。目标是雷达检测的物体,或者是所感兴趣的对象,杂波和噪声一般来说是无用的信息(也有例外)。

二、船舶导航雷达回波信号分析

(一)导航雷达回波信号表示。一般说来,目标船回波可用船舶的距离、方位等基本特征来描述。在雷达接收机显示器上,目标的位置通常是以极坐标方式来确定的,即目标回波用矢量的方法来表示。矢量包括距离和方位角这两个要素。因为运动或是静止中的船舶在地理空间中的位置是确定的,也就是说目标船舶与雷达的距离和方位关系是可以测定出来的,所以目标船回波位置模型属于确定性模型,可以直接使用确定的数值来描述目标的距离和方位。

目标的位置是用矢量来描述,即用距离和方位角这两个要素来确定。目标距离需要根据目标运动的速度和方向以及雷达工作时间的变化计算产生。雷达测距原理是模拟生成雷达目标距离这一要素的理论根据。雷达电磁波定向原理则是模拟生成雷达目标方位角的理论依据。目标船的回波幅度应由船舶的雷达截面积来决定,而雷达截面积可在实验中测量得到确定的数值,因此幅度模型也属于确定性的模型。

(二)影响导航雷达回波信号的因素。在实际应用中,一般认为回波幅度主要由目标的雷达截面积来确定。船舶的回波强度取决于船舶的视角、形状、大小及暴露于雷达波束照射范围内的结构和材料。一般来说,正横方向的回波强度大于首尾方向的,大船的回波强度大于小船的,空载时大于满载时的,钢铁结构的大于木质结构的。

雷达回波存在各种各样的假回波和杂波,一般应该结合对船舶周围的环境实际的瞭望和对雷达图像的综合分析,理论联系实际,积极思考、观察和比较,准确和迅速的作出正确的判断哪些是假回波,哪些是杂波而哪些是真正有用的雷达回波。

雷达假回波有:间接反射假回波、多次反射回波、二次扫描回波;雷达干扰杂波有:海浪干扰杂波、雨雪干扰杂波、同频雷达干扰、电火花干扰、明暗扇形干扰等。

还应注意雷达扇形阴影区,一般阴影区的形成是由于本船烟囱或船上高大建筑物遮挡了雷达的扫描波,从而在雷达图像上本船尾部一定扇形区域内形成了一个没有任何回波的区域,处在这个区域中较为接近本船和净空高度比较低的船舶在雷达图像上将没有任何回波。作为一名合格的驾驶员,应该十分清楚上述杂波、假回波以及雷达扇形阴影区生成的原因和并能够准确的识别这些干扰的回波和雷达阴影区域,并且结合谨慎安全的瞭望经过认真的分析,这样才能准确的分析出雷达图像所传递出给我们的信息。

(三)导航雷达回波信号的识别。关于雷达干扰杂波的识别,在雷达观测中是很重要的。在多年的航海实践中笔者总结了一个比较有效的识别方法与航海者共享,在观测雷达波的五次扫描中,如果雷达回波有三次或三次以上比较稳定的出现在合理的位置,就要十分警惕,并结合望远镜或肉眼在相应的方位上认真瞭望,当在夜间可能是没有点灯的小船或是能见度不良水域或是风浪较大雷达杂波较多时,应反复数观测三个五次雷达波判断其回波是否继续出现上次情形,用以确定是否为物标回波或是杂波,如果有怀疑,应该假设其船舶的存在,采取相应的行动。

物标在雷达上的回波的大小和强弱受物标的质料、高度、形状和与本船的相对位置的影响。钢铁制、净空高、棱角分明并与本船航向相对垂直的船舶其回波最为明显。同时雷达物标扫描存在方位误差,距离误差,但是方位误差更大,雷达测出的距离比较准确,理解了这一点就明确了用交角的两距离定位就比其两方位定位来得准确。还要明白因为方位和距离误差的存在,有时两个较近的物标在雷达图像上只有一个回波,所以一定要注意到这一点。有时船舶以为已经让过一条船,结果在其后紧跟着一条船,如果这紧跟在其后的船舶采取与本船不协调的避让措施,而你在雷达上误认为此回波为一条船根本没有预计到与其会遇,则很可能因为双方的不协调行动导致碰撞。

三、提高导航雷达使用效能的建议

影响导航雷达使用效能的因素很多,除海洋环境外,雷达还受如脉冲宽度、天线波束宽度、天线极化方式、天线增益等雷达本身技术参数的影响。要更好的发挥雷达在航海中的优势,应考虑以下几点:1.雷达长期工作在磁场中,其屏幕因为磁场的影响会发生色变,严重时会影响雷达的观测,应该定时和及时用雷达消磁器对其进行消磁,保持雷达屏幕的色调纯正清晰,便于观测。2.船舶航行中雷达中速度的数据是来自相对计程仪的相对水速度,用以计算船舶间相对于水面的相对运动态势,以利于正确采取避让措施。3.必须深入研究雷达受本身性能和外部环境的影响原理,以引进先进技术来改进、提高雷达性能。4.使用导航雷达应考虑到大气环境对雷达作用距离和探测性能的影响,合理使用雷达,正确判别目标。5.注意总结海洋环境对导航雷达的影响规律,最大限度发挥雷达的使用效能。

四、结束语

海上动态船舶雷达回波信号处理是航海导航研究的关键,目前船用雷达已经综合GPS、ARPA、AIS、ECDIS和简单人工智能系统等,如果信息更加完备,智能更加成熟,综合导航雷达将会具备有效的自动避碰、自动气象识别与避离、自动安全航线的选择等。随着计算机技术、控制技术、人工智能、通讯技术等的不断的发展,相信智能型的船舶将会安全的航行在世界的各个角落。

参考文献:

[1]盛文、焦晓丽,雷达系统建模与仿真导论,北京:国防工业出版社,2006.

[2]王世远,航海雷达与ARPA,大连:大连海事大学出版社,2006.