CN201314952Y

CN201314952Y - 自动标绘及跟踪的船用航海雷达

Info

Publication number: CN201314952Y
Application number: CNU2008202104931U
Authority: CN
Inventors: 杨世光
Original assignee: SHANGHAI ZESUN MARINE ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI ZESUN MARINE ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2018-10-20

Abstract

一种自动标绘及跟踪的船用航海雷达，包括：计程仪、罗经、GPS、AIS、雷达数据采集处理卡、收发机单元、工业计算机、控制单元，其中：计程仪、罗经、雷达天线收发单元、AIS、GPS均与雷达数据采集处理卡相连，雷达数据采集处理卡插在工业计算机的PCI插槽上，负责接收计程仪、收发机单元、罗经、GPS发送的信息，将这些信息转换为数字信息，并将这些信息传输给工业计算机；工业计算机将雷达根据数据采集处理卡传输得来的雷达数字信号标示出目标，并得到目标的准确方位，并将结果送到显示器；控制单元与工业计算机相连。本实用新型成本低，系统性能稳定可靠，维护方便。

Description

自动标绘及跟踪的船用航海雷达

技术领域

本实用新型涉及一种雷达，具体是一种自动标绘及跟踪的船用航海雷达。

背景技术

传统的航海雷达主要功能就是借助雷达图像实时观测周围情况，不具备任何对目标航迹的判断能力；其后航海雷达曾采用在纸海图上靠人工将不同时刻的目标连接，向航行者提供航迹的人工标绘方式，但其靠人工标绘的方式工作量大，标绘精度低，多目标情况很难完成标绘任务，尤其是其不具备对目标的运动的预判断功能。近年来在飞速发展的电子技术支持下，航海雷达具有了自动标绘、对目标自动跟踪的功能，但其因为主要是以电子线路实现，所以成本高、维护困难、稳定性差、尤其是系统功能扩充比较困难。当今，以性价比颇高的计算机技术为平台，数字化航海雷达成为航海雷达的发展方向。

虽然雷达从实用新型至今已有近七十年的历史了，但是雷达设备大规模装备在民用船舶还是最近三十年的事。上世纪七十年代，随着世界航海业的飞速发展，航运产值的成倍增长，海难事故的发生率也居高不下，于是船舶的航行安全受到人们越来越多的重视，民用导航雷达也就是在这个特定的历史条件下大批装备应用在民用船舶上的。在这之前的国外雷达生产企业都以军用产品为基础，实施功能简化后，小批量投放民用市场，根本形不成市场规模，而且这些雷达生产企业主要是生产军用雷达，向军方供货，民用产品市场容量小、利润低，所以很少有公司专门开发民用雷达(美国、德国的雷达生产企业至今都很少涉及民用雷达领域)。

进入上世纪八十年代，由于民用雷达的作用逐步的被人们所认识，市场容量的大幅增加，于是原来的那些军用雷达生产企业也渐渐把自己的生产线的一部分转为民用产品，一些新兴的雷达制造企业也纷纷宣告成立抢占市场。在这期间一些国外的雷达生产大户主要有日本雷达公司(JRC)、美国Raytheon、英国的D.K公司和K.H公司等。这些大公司凭借着手上的技术优势和资金保障，大规模的占领市场，除了满足本国的需求外，还大批量的出口到国外市场。

我国的雷达生产一直是我们国家的一个薄弱产业，新中国成立几十年来，我们一直都没一个自己真正过硬的雷达产品，从上海无线电四厂到辽宁无线电二厂，在技术上对国外产品都有着这样或那样的依赖，这在很大程度上制约了我国雷达产业的发展，目前我国的雷达市场上90％以上都是国外的品牌。一方面被国外的产品占领了大部分的市场，另一方面由于国外产品充斥了市场，又使得我国的雷达生产企业举步维艰。

发明内容

本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种自动标绘及跟踪的船用航海雷达，使其以雷达数据采集卡为基础，将雷达信号转为计算机可以处理的数字信号，以高性价比的工业控制计算机为平台，用软件实现了自动标绘与跟踪功能，利用超高频无线电波(微波)在空间传播时具有等速、直线传播，并具有良好反射现象的原理，利用对旋转雷达天线回波信号的采集，确定本船周围的船舶及其它目标的距离、方位。并对不同时刻的数据进行综合分析处理，预测判定目标的下一步运动趋势，达到避碰目的，实现船舶综合管理。

本实用新型通过如下技术方案实现的，本实用新型包括：计程仪、罗经、GPS、AIS、雷达数据采集处理卡、收发机单元、工业计算机、控制单元，其中：

罗经其信号输出端口与雷达数据采集处理卡信号接口1相连，罗经负责采集方位信号；

GPS通过串口与雷达数据采集处理卡信号接口2相连，GPS负责定位船只的经纬度；

AIS的输出端口与与雷达数据采集处理卡的信号接口3相连；

计程仪其信号输出端口与雷达数据采集处理卡的信号接口4相连，计程仪负责采集本船的速度；

收发机单元与雷达数据采集处理卡相连；

雷达数据采集处理卡插在工业计算机的PCI插槽上，负责接收计程仪、收发机单元、罗经、AIS、GPS发送的信息，将这些信息转换为数字信息，并将这些信息传输给雷达数据处理模块；

工业计算机与显示器连接，工业计算机将雷达根据数据采集处理卡传输得来的雷达数字信号标示出目标，并得到目标的准确方位，并将结果送到显示器；

控制单元与工业计算机相连，实现用户对系统的操作与控制。

所述雷达数据采集处理卡，其设有GPS输入输出接口、电磁罗经转接卡，GPS输入输出接口和GPS相连，配合VDR使用；电磁罗经转接卡和罗经相连。

所述收发机单元，其中，雷达天线具有很强的方向性，把发射机送来的发射脉冲的能量聚成细束集中朝一个方向发射出去，同时也只接收该方向目标反射回来的的回波，送入雷达接收机，由于雷达天线处于顺时针方向匀速转动，雷达天线收发单元能够实时得到本船周围目标。

所述雷达数据采集处理卡，为DSP、FPGA等最新集成电子器件，将船用GPS、罗经、计程仪等信号统一输入或集成到采集卡上，并使用通用芯片将外接信号转换成标准的串口信号，实现将普通船用雷达的图像信号转换成普通PC机可以处理的数字信号，信号通过串口存储入内存，等待工业计算机调用，从而使雷达图像更清晰，雷达回波更饱满，ARPA跟踪目标更准确。

所述雷达数据采集处理卡，其具有采集国内外常用多种型号雷达信号的功能，实现与古野、光电、安立、JRC、雷松(美)、阿脱拉斯(德)、KH(英)等多种雷达连接，并实现上述雷达的ARPA改造及使其实现智能化，这是本系统独有的特点，国内外尚无具有此功能的同类产品。

所述工业计算机，主要包括雷达数据处理模块，雷达数据处理模块采用小波门跟踪技术解决近距离多目标的辨识问题，通过采用符合IMO标准的ARPA目标跟踪技术，在应用卡尔曼滤波算法的同时将计算机图形识别技术融进目标跟踪算法中，变目标(多点)跟踪为质点跟踪，实现了小波门跟踪技术，大大提高了目标跟踪的精度，这是传统ARPA跟踪算法做不到的。根据计算机图形学的原理，发挥计算机智能判定的功效，对近距离多目标的图形特征提取，并进行综合判定，使大多数目标可以正确分辨。基本解决了困扰雷达界多年的近距离多目标的辨识问题。

所述雷达数据处理模块，利用高精度的抑制干扰方法，高精度的抑制干扰方法实现海浪及雨雪抑制功能保持小目标图像清晰稳定，改变传统的海浪及雨雪抑制恒虚警方法，根据用户多年的航海资料及长时间采集海浪及雨雪抑制干扰的数据，计算出一套各种不同程度海浪及雨雪干扰时的特征曲线，并据此实现高精度的抑制干扰方法实现海浪及雨雪抑制功能保持小目标图像清晰稳定。

所述雷达数据处理模块，负责将雷达图像与电子海图、AIS信息进行集成叠加，可连续储存1个月以上雷达原始图像和经纬度、航向、速度等其他导航定位信息，回放检索打印方便，大容量硬盘可存储更多的数据信息。

本实用新型装置的工作过程具体如下：

1.雷达数据采集处理卡接收到来自收发机单元传输的视频信号(模拟信号)，通过模数转换将模拟的视频信号进行计算转换成数字信号，提供给工业计算机进行处理。

2.雷达数据采集处理卡在转换模拟视频信号的时候采用模糊计算的方法使得数值化的视频信号无线接近模拟的视频信号，这样使得雷达显示回波时不会出现目标变形。断裂等现象同时还能加强小目标的显示。

3.工业计算机中的雷达数据处理模块对视频信号进行保存的同时，使用保存的数据进行计算，得到一条视频强度的曲线。

4.使用这条曲线对视频信号进行对比，高于曲线的视频将直接显示；低于曲线的视频数据计算机将进行累积对比，当雷达的数值超过曲线值，雷达显示；雷达数据处理模块的累积对比可以根据使用者选择的参数不同而改变(恒虚警功能)。这样能够在雷达使用ARPA功能时的到稳定的回波图像。

5.将杂波在同一点出现的几率为基础的参数，加入到累积对比的计算公式中，似的公式具有区分目标和杂波的功能；当视频对比累积值超过曲线时，雷达能够将一些小的目标显示出来，这样能够将杂波和小目标区分开并得到稳定的目标回波。

6.接收模拟视频信号的同时工业计算机接收同步传输过来的方位信号和船首信号。

7.根据同步接收到外围设备提供的罗经、GPS信号，工业计算机将罗经信号替代方位信号得到准确、实时的方位；根据不同量程的回波信号的时间坐标计算机通过得到标准的距离值。

8.外围的GPS信号提供了本船的实时信号同时提供一个动态的船速信号，工业计算机通过已知方位和距离，加入动态的船速数据，可以计算出雷达显示圆上实时的任何一点的方位和距离以及经纬度。

在得到准确的方位、距离、经纬度的情况下，雷达的ARPA数据将更加精确和稳定。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型应用性价比很高的工业PC计算机平台实现船用导航雷达功能，所以其具有很高的价格优势，而且系统性能稳定可靠，维护方便。并且完全采用计算机软件完成自动标绘、跟踪功能，实现船舶智能化避碰。项目的核心技术为制作实时的计算机雷达数据采集卡、自动标绘和跟踪的方法及软件实现。其结果将大大降低航海雷达的成本，大幅度提高航海雷达的综合功能，并可实现对我国大量传统雷达的ARPA改造，菲常适用我国船舶导航雷达市场需要。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例的工作环境条件具体如下：

温度：—20℃～55℃；

振动：船舶运行产生的振动及冲击；

环境：在船舶中潮湿、盐雾、油雾、长霉及灰尘环境工作；

电压和频率波动及电磁兼容环境工作；

供电：220V；功耗：500W。

如图1所示，本实施例包括：计程仪、罗经、GPS、雷达数据采集处理卡、收发机单元、工业计算机、控制单元，其中：

AIS的输出端口与与雷达数据采集处理卡的信号接口3相连；

收发机单元与雷达数据采集处理卡相连，本实施例中为英国的雷松(Raymarine)雷达头；

工业计算机将雷达根据数据采集处理卡传输得来的雷达数字信号标示出目标，并得到目标的准确方位，并将结果送到显示器；

控制单元与工业计算机相连，实现用户对系统的操作与控制，控制单元包括键盘、鼠标等。

所述雷达数据采集卡，其主要技术参数具体如下：

(1)雷达视频信号采集速率80MHz—120MHz；

(2)方位量化单元数4096；

(3)距离量化单元数(每弧度)1024；

(4)输出视频信号的位数8位；

(5)目标显示灰度256级；

(6)雷达/ARPA部分符合IMO A.477(XII)标准；符合IMO A.823(19)标准；符合IEC60954标准。

所述雷达数据采集处理卡，其具有采集国内外常用多种型号雷达信号的功能，所以其可以与古野、光电、安立、JRC、雷松(美)、阿脱拉斯(德)、KH(英)等多种雷达实现连接，实现上述雷达的ARPA改造及使其实现智能化，这是本系统独有的特点，国内外尚无具有此功能的同类产品。

所述工业计算机，其主要包括雷达数据处理模块，雷达数据处理模块采用小波门跟踪技术解决近距离多目标的辨识问题，通过采用符合IMO标准的ARPA目标跟踪技术，在应用卡尔曼滤波算法的同时将计算机图形识别技术融进目标跟踪算法中，变目标(多点)跟踪为质点跟踪，实现了小波门跟踪技术，大大提高了目标跟踪的精度，这是传统ARPA跟踪算法做不到的。根据计算机图形学的原理，发挥计算机智能判定的功效，对近距离多目标的图形特征提取，并进行综合判定，使大多数目标可以正确分辨。基本解决了困扰雷达界多年的近距离多目标的辨识问题。

所述雷达数据处理模块，采用小波门跟踪技术解决近距离多目标的辨识问题，通过采用符合IMO标准的ARPA目标跟踪技术，在应用卡尔曼滤波算法的同时将计算机图形识别技术融进目标跟踪算法中，变目标(多点)跟踪为质点跟踪，实现了小波门跟踪技术，大大提高了目标跟踪的精度，这是传统ARPA跟踪算法做不到的。根据计算机图形学的原理，发挥计算机智能判定的功效，对近距离多目标的图形特征提取，并进行综合判定，使大多数目标可以正确分辨。基本解决了困扰雷达界多年的近距离多目标的辨识问题。

所述雷达数据处理模块，利用高精度的抑制干扰算法，高精度的抑制干扰算法实现海浪及雨雪抑制功能保持小目标图像清晰稳定，改变传统的海浪及雨雪抑制恒虚警算法，根据用户多年的航海资料及长时间采集海浪及雨雪抑制干扰的数据，计算出一套各种不同程度海浪及雨雪干扰时的特征曲线，并据此实现高精度的抑制干扰算法实现海浪及雨雪抑制功能保持小目标图像清晰稳定。

所述雷达天线收发单元，其技术参数具体如下：

(1)天线工作频率：941030MHZ；天线长度：4、6、9英尺(含弯波导后天线外尺寸为1.2、1.9及2.8m)；3厘米波，X频段。

(2)天线增益：大于30dB；

(3)回波损耗：>15dB；

(4)天线中间旋转关节部分按雷达天线要求进行加强，以保证在风速100kn时，良好启动和运转；

(5)馈电方式：单端馈电，用波导连接至旋转关节；

(6)驻波比：小于1.2。

本实施例中，显示效果的参数具体如下：

(1)显像屏幕有效直径：250mm(17″)、265mm(19″)、280mm(22″)、340mm(28″)；

(2)量程：0.25、0.5、0.75、1.5、3、6、12、24、48、72海里；

(3)固定距标刻度：0.5、1、2、4、8、12海里，每档有6个距标圈(3海里以内为5个距标圈)；精度0.03浬或者使用距离离档的1％；

(4)同步旋转方式：扫描分解器系统；

(5)最小作用距离：小于23米；

(6)距离分辨率：近距离小于23米，远距离小于200m；

(7)船首线：自动；

(8)游标：0-360手动；

(9)方位刻度：0-360手动；方位精度小于1；

(10)调谐：手、自动调谐；

(11)视放增益：大于25dB

(12)活动距标指示：0.08—72海里

本实施例中ARPA性能具体如下：

(1)捕捉：手动捕捉，手动去除捕捉，自动编号；

(2)跟踪：a.踪目标：20个(自动跟踪)；捕捉及跟踪距离：0.5～48海里；

(3)雷达图象：

a.图象模式：真运动(能自动的移动)；

b.方向模式：真北向、首向、航向；

c.矢量：真运动、相对运动矢量，矢量长度0～60分；可变目标运动矢量和目标状态数字同时显示。

d.显示矢量时间：1分以内；时间矢量稳定3分以内；

e.速度指示：自动指示(计程仪)；

(4)报警：

a.报警圈：一个活动报警圈；

b.设置：最大为48海里；

c.报警指示距离：最小距离(MIN、CPA)为0～9.9海里；最少时间(MIN、CPA)为0～99分钟

d.报警，见表1：

其中：危险目标(CPA/TCPA)；D为本船到目标的距离

表1 报警功能列示

e.报警显示，见表2：

表2 报警显示列示

f.丢失目标：丢失目标和矢量时声光报警

本实施例中，数据显示具体如下：

a.目标数据：显示20个目标的真矢量，相对矢量，航向、速度、方位、CPA、TCPA等参数；

b.本船数据：航向、速度等。

试操船功能：手动设置，自动复位

a.试航向：0～360；

b.试航速度：0～50节；

c.延迟时间：0～60分钟。

显示精度：符IMO技术要求。

系统故障：声光报警。

本实施例中，天线水平方向图及天线垂直方向图参数具体如下：

(1)水平波束宽度：0.9(4英尺)，0.6(6英尺)，0.4(9英尺)主要要求旁瓣低)；主瓣最大值的功率—3dB时；旁瓣电平：—25dB(4英尺)，—27dB(6英尺)，—29dB(9英尺)主瓣最大值位置10以内，以外为—30dB；

(2)垂直波束宽：221；

(3)在水平线上10内相对电平下降3dB。

本实施例雷达，与国外同类产品相比，具有较多的优势，如表3、4所示：

表3 本实用新型与英国船用公司的雷达相关性能比较

表4 本实用新型与日本(JRC)雷达相关性能比较

Claims

1、一种自动标绘及跟踪的船用航海雷达，包括：计程仪、罗经、GPS、雷达数据采集处理卡、收发机单元、工业计算机、控制单元，其中：

AIS的输出端口与与雷达数据采集处理卡的信号接口3相连；

收发机单元与雷达数据采集处理卡相连；

2、根据权利要求1所述的自动标绘及跟踪的船用航海雷达，其特征是，所述雷达数据采集处理卡，其设有GPS输入输出接口、电磁罗经转接卡，GPS输入输出接口和GPS相连，配合VDR使用；电磁罗经转接卡和罗经相连。

3、根据权利要求1所述的自动标绘及跟踪的船用航海雷达，其特征是，所述雷达数据采集处理卡，与古野、光电、安立、JRC、雷松、阿脱拉斯、KH雷达实现连接。