自动雷达标绘仪(ARPA)

第二篇自动雷达标绘仪(ARPA)内容提要第一章绪论第二章ARPA的基本工作原理第三章ARPA的操作使用第四章船用雷达与ARPA新技术教学目的要求1、充分认识普通船用雷达用于船舶避碰的局限性2、了解ARPA的发展概况和基本类型3、掌握ARPA系统的组成及各部分作用4、了解ARPA的性能标准5、理解ARPA的基本原理及误差分析6、掌握ARPA的基本功能、基本操作方法及局限性7、熟练掌握、正确使用ARPA进行避让操船第一章绪论第一章绪论1-1普通船用雷达用于船舶避碰的局限性1-2ARPA系统的组成及各部分作用1-3ARPA系统的分类第一章教学目的要求1、掌握普通船用雷达用于船舶避碰的方法2、充分认识普通船用雷达用于船舶避碰的局限性3、了解ARPA的发展概况和基本类型4、掌握ARPA系统的组成及各部分作用5、知道ARPA有哪些输入输出信息第一章绪论1-1普通船用雷达用于船舶避碰的局限性一、普通船用雷达在船舶避碰中的应用◆船舶避碰包含“预测”和“避让”两个涵义。预测:预测本船与相遇船在何时（何处）会存在碰撞危险。避让:本船对危险船采取的避让机动。问题：单纯依靠船用雷达提供的信息能否协助船舶避碰？1、相对运动人工标绘避碰法图2-1-1人工标绘图O(本船)SHMA(目标）BDCPACPARVCD0VTV两船保速保向时预计的视运动图2-1-1人工标绘图O(本船)SHMA(目标）BDCPACPARVCD0VTV两船保速保向时预计的视运动人工标绘进行避碰的步骤1、选择要进行标绘的相遇船回波（A）2、监视该目标回波的移动3、隔一定时间间隔（6min）标出B点4、作图并求碰撞及航行参数①碰撞参数：DCPA:最接近会遇距离TCPA：到达最接近点的时间②航行参数：◆目标船相对速度（RELSPD）、相对航向（RELCRS）、真速度（TRUESPD）和真航向（TRUECRS）5、CPATCPA安全界限值（MINCPA、MINTCPA）①MINCPA（CPA安全界限值）允许目标安全通过本船所需要求的最小会遇距②MINTCPA（TCPA的安全界限值）允许目标到达CPA点的最小时间6、在ARPA中，MINCPA、MINTCPA由驾驶员来设定（输入）7、设置MINCPA、MINTCPA应考虑的因素1）本船大小、速度、操纵性能（若船大（速度↑）→MINCPA大）2）水域宽阔程度，船舶密度（若窄密↑——MINCPA小）3）气象条件（风浪、雾、雪）（若风浪大、雾大——NINCPA大）CPAMINCPA当则判断为安全船，无碰撞危险TCPAMINTCPACPA=MINCPA当危险船但尚不紧迫，本船应考虑避让措施TCPAMINTCPACPA=MINCPA当非常危险船，本船应立即采取避让措施0TCPA=MINTCPA8、判断碰撞危险6、采取避让措施图2-1-2本船保速改向时避让人工标绘SHMMINCPA圆OA转向方向O1O2A2SHM图2-1-3本船保向减速时避让人工标绘MINCPA圆SHMRVOWO1AO2RV0VA2图2-1-4相对运动雷达人工标绘避碰流程图雷达传感器在CRT上观测目标检测目标目标录取选择避让目标确定目标初始位置数据人工标绘避碰作图按规定的时间间隔观测目标位置数据，并标绘计算目标的航向、航速、方位、距离、CPA、TCPA分析每个目标速度三角形及避碰三角形，计算目标参数人工设定MINCPA、MINTCPA设置安全判据危险船？NO保向、保速YES避碰规则，本船操纵性能，操船经验权利船或义务船权利船保向保速加强了望改向或减速改向改向指令减速减速指令义务船人工标绘的局限性1）费时（3——7分钟）、麻烦2）不直观、不准确3）难以应付复杂局面2、真运动雷达用于船舶避碰二、普通船用雷达用于船舶避碰的局限性1、低亮度显示，影响相遇船回波的识别2、只能显示目标的瞬时位置，难以判断危险船3、需通过人工标绘获得目标碰撞及航行参数，但人工标绘存在局限性4、验证避让效果仍须重新进行人工标绘三、名称：自动雷达标绘仪——AutomaticRadarPlottingAids简称ARPA中文译音“阿帕”。四、发展简况1、雷达作用→特别能见度低劣↑，但随船（速度↑、体积↑、密度↑）→避碰事件不断发生→改革（很多措施）→但只有与计算机结合→（自动化、智能化）→ARPA2、ARPA起源，美国，1976年秋天，连续发生油轮事故→提出要求→IMO→1981制定ARPA标准。3、目前已经在远洋船上安装ARPA。学习重要性，正确使用APPA→大大减轻负担1-2ARPA系统的组成及各部分作用图2-1-5基本ARPA系统组成框图X/S波段雷达陀螺罗经计程仪外存器传感器预处理触发脉冲天线位置及船首信号本船航向本船航速输入|输出接口目标检测跟踪器目标数据计算机布置命令触发脉冲PPI综合显示器数据显示器回波原始视频ARPA控制台操作命令操船命令报警ARPA电源ARPA1、传感器：由它们提供必要的信息供标绘用1）X/S波段高质量雷达提供:①触发脉冲（trigger）②视频脉冲（Video）③天线角位置信号及船首标志信号2）陀螺罗经:提供本船航向信号3）船舶计程仪:提供本船航速信号（对水、对地）4）外存器:磁盘或光盘，提供视频地图或电子海图。2、ARPA部分1）预处理：◆对原始视频杂波处理及模数转换2）目标检测：◆对预处理后的回波信号自动检测，满足存在目标条件者输出发现目标的数字信号。3）目标录取（人工/自动录取）◆将已检测到的目标的初始位置送入跟踪器。4）跟踪器：对已被录取的目标进行自动跟踪并建立目标的运动轨迹5）电子计算机：自动录取、跟踪和计算目标的航行和碰撞参数、自动判断有无碰撞危险、完成自动标绘的任务。PPI综合图形显示器：数据显示器：显示本船及目标航行与碰撞数据。7）控制台：PPI及数据显示器的控制器8）接口电路：将各种传感模拟信号变换成计算机可接受的数字信号9）电源：6）显示器：图2-1-6ARPA系统自动标绘避碰流程图计程仪雷达陀螺罗经传感器信号预处理与目标检测录取超过规定数量溢出报警录取目标逐个/全部清除跟踪器连续跟踪已录取目标计算航行及避碰数据分解每个速度三角形及避碰三角形设置MINCPAMINTCPA危险船？设置安全判裾碰撞危险判断NO保向、保速YES试操船报警（声光）改向或变速报警解除试操船航向、航速避碰规则改向指令改向变速指令1-3ARPA系统的分类一、按系统组合方式不同分类1、分立式ARPA系统2、组合式ARPA系统二、按显示目标动态方式分类1、矢量型ARPA2、图示型ARPA三、按显示扫描方式不同分类1、径向圆扫描式2、电视光栅扫描式序号分类方式类型特点优点缺点1按系统组合方式分①分立式主雷达显示器与ARPA显示分开两者图象可比较设备多、价格高②组合式主雷达显示器与ARPA显示合二为一设备少、价格低一旦出现故障影响雷达2按显示目标动态方式不同分①矢量型目标动态矢量显示精度高、画面清晰不如PAD直观②图示型（PAD型）目标动态用PAD显示直观方便精度差、图象画面差3按扫描方式分①径向园扫描②电视光栅光标ARPA系统的分类及特点复习思考题：1、普通船用雷达用于船舶避碰时有哪些局限性？2、如何利用人工标绘求相遇船的碰撞参数？3、画出ARPA系统的简框并简要说明其工作概况。4、ARPA有哪些输入输出信息？第二章ARPA的基本工作原理2-1各种传感信号的预处理2-2目标自动检测、录取和跟踪2-3目标参数的自动计算及碰撞危险判断2-4显示方式及选用2-5自动报警与系统测试2-6试操船2-7ARPA的外围设备及要求2-8附加功能2-9ARPA的优点及局限性《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理2-1各种传感信号的预处理一、预处理的内容、必要性1、必要性5种传感器信号——模拟→数字雷达回波处理：杂波抑制、检测判断等。2、内容原始视频雷达信号的杂波处理及方位、距离信号的量化处理；陀螺罗经航向信号和计程仪航速信号的量化处理。《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch1绪论◆作用：◇杂波处理：①CFAR；②解相关处理（同于同频异步干扰处理）◇量化处理（包括：目标回波、距离和方位的量化）1、雷达回波原始视频信号的杂波处理二、雷达信号的预处理《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理2、量化处理◆把模拟信号变成数字信号的过程1）方位量化对天线波束的角位置进行量化，即将3600等份成若干个方位量化单元。如分为4096量化单元：《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理0120088.02360如采用专用同步机加A/D转换器例：输出12位二进制码为：10100010100011800145018.20005.22817.0《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理模拟信号输入数字信号输出2）距离量化(△R)时间量化(△t)◆以把距离扫描全程→分为若干个时间量化单元△t◆一般取△t≈（0.1-1）τ如△t=0.5τ→△R=75m《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理△t3）原始视频信号的数字化V0《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理幅度量化时间量化数字信号V0为第一门限电平※也有采用多分层（4、8、16等），优点：有利于提高抗干扰和检测性能等2-2目标自动检测、录取和跟踪一、数字式目标自动检测的简单原理——在杂波干扰背景中识别判断目标的存在——在杂波干扰背景中自动判断目标的存在◆“雷达目标检测”◆“自动目标检测”《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理···Δt(1)(N)(2)采用方法：M/N准则，即MOUTOFN简称MOON准则◆准则：连续N次探测中，若某量化单元累积出现的回波“1”的次数大于等于M，则判断该单元内发现了目标，输出“1”；否则判断为无目标，输出“0”◆M/N值大小对ARPA自动检测性能的影响：◆N大，目标不易丢失◆M大，不易发生误将干扰为目标的错误◆反之？◆试比较M/N=6/8和M/N=2/3对应ARPA的检测性能。《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理目标录取概念：①含义——跟踪目标的选择及其跟踪的开始；②任务：把所要跟踪目标的初始位置距离、方位数据，告知跟踪器（计算机）；③目录录取方式：1）人工录取；2）自动录取。二、目标录取的方法及特点《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理1、人工录取（ManualAcquistion）1）方法：②按下录取开关按下录取开关●超过规定录取数量，如何处理？◆人工清除（Cancel）①通过操纵杆（Joystick)或跟踪球(Trackball)把录取标志符号“□”（或“○”、“◇”、“·”、“+”等）套在欲录取目标回波亮点上；2）人工录取的一般原则船首→右舷→近程的相遇船。录取数量：10个*新标准《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理3）人工录取优缺点：◆优点：目的性明确。运用观测经验，较容易在干扰背景中识别和录取目标。◆缺点：①速度慢；②观测疏忽，可能漏掉危险目标；③驾驶员负担较重。《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理2、自动录取（Auto-Acquisition)从发现目标到各个目标位置数据送入计算机的整个录取过程，按一定录取原则由ARPA自动完成。《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理IMO:20个*新标准接收机输出杂波处理与信号检测目标发现距离编码距离时钟同步信号方位编码时间编码方位脉冲“0”方位脉冲时钟脉冲排队控制缓冲器至计算机图2-2-5自动录取设备其他特征参数《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理◆排队控制：①使已录取的各目标坐标有次序地送入计算机；②提高自动录取的目的性；③提高录取速度。《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理◆ARPA常用的几种辅助控制方法：1）设置优先区《航海雷达与ARPA〉第二篇Ch2ARPA基本原理2）设置