专利名称：船用导航雷达系统和船用导航的方法
技术领域：
本发明涉及船用雷达技术，特别地涉及一种船用导航雷达系统和船用导航的方法。
背景技术：
我国船用导航雷达总体技术水平低，自主研发能力弱。长期以来，由于政府和企业 在船用导航雷达设备领域的科研开发、技术引进、技术改造投入严重不足且不连续，多数企 业未对改革开放初期引进的技术进行消化吸收和再创新或未进行跟踪技术引进，生产企业 远未成为船用导航设备技术创新的主体，军工科研院所的科研与生产脱节等诸多方面的原 因，我国船用导航雷达设备产品总体技术水平远远落后于国际先进水平。船用导航雷达系 统不能独立自主，直接影响到我国船舶工业的基础稳固。在世界船用设备技术飞速发展形 势下，我国船用导航雷达设备技术与国际先进水平的差距还会拉大，技术跨越式跟进成为 我国船用导航雷达发展的关键。在现有技术中，雷达采集的视频信号中不包含海图基本信息，例如岸线、碍航物、 浮标和水上物标等，这样雷达的导航效果不够理想。

发明内容
本发明的主要目的是提出一种船用导航雷达系统和船用导航的方法，以解决现有 技术中雷达的导航效果不够理想的问题。为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了 一种船用导航雷达系统。本发明的船用导航雷达系统包括模数转换模块，用于将雷达采集的模拟量的视 频信号转换为数字量的雷达图像信号；坐标变换模块，用于将所述数字量的雷达图像信号 进行坐标变换得到平面直角坐标系中的雷达图像的信号；叠加输出模块，用于将所述平面 直角坐标系中的雷达图像的信号与电子海图的信息叠加然后输出。进一步地，所述模数转换模块包括采样单元，用于对所述模拟量的视频信号进行 采样；缓存单元，用于缓存采样之后的信号然后输出；转换单元，用于将缓存单元输出的信 号进行模数转换。进一步地，所述采样单元为模数转换器(ADC)。进一步地，所述缓存单元为现场可编程门阵列(FPGA)。进一步地，所述转换单元为数字信号处理器(DSP)。进一步地，还包括解码模块，用于将自动雷达标绘仪(ARPA)输出的数字信号解 码；所述坐标变换模块还用于将所述解码模块解码得到的信号进行坐标变换得到平面直角 坐标系中的视频信号；所述叠加输出模块还用于将所述平面直角坐标系中的雷达图像的信 号、所述平面直角坐标系中的视频信号以及电子海图的信息进行叠加然后输出。进一步地，所述叠加输出模块还用于将雷达光标和电子距离方位线叠加到电子海 图上然后输出。
为实现上述目的，根据本发明的另一方面，提出了一种船用导航的方法。本发明的船用导航的方法包括将雷达采集的模拟量的视频信号转换为数字量的 雷达图像信号；将所述数字量的雷达图像信号进行坐标变换得到平面直角坐标系中的雷达 图像的信号；将所述平面直角坐标系中的雷达图像的信号与电子海图的信息叠加然后输
出ο进一步地，将雷达采集的模拟量的视频信号转换为数字量的雷达图像信号包括 对雷达采集的模拟量的视频信号进行采样；缓存采样之后的信号然后输出；将缓存后输出 的信号进行模数转换。根据本发明的技术方案，将雷达信号以及其他信号与电子海图叠加输出，有助于 迅速判断目标类型并且对其定位，有助于提高驾驶人员的“位置感”，从而提高了雷达的导 航效果。


此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1是根据本发明实施例的船用导航雷达系统的基本结构的示意图；图2是根据本发明实施例中的船用导航的方法的示意图；以及图3是根据本发明实施例的雷达系统的构成的示意图。
具体实施例方式下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。图1是根据本发明实施例的船用导航雷达系统的基本结构的示意图。如图1所示， 本发明实施例的船用导航雷达系统10包括模数转换模块11，用于将雷达采集的模拟量的视频信号转换为数字量的雷达图像 信号；坐标变换模块12，用于将所述数字量的雷达图像信号进行坐标变换得到平面直角坐 标系中的雷达图像的信号；叠加输出模块13，用于将所述平面直角坐标系中的雷达图像的 信号与电子海图的信息叠加然后输出。具体地，模数转换模块的基本结构可以是包括采样单元、缓存单元和转换单元。其 中采样单元用于对所述模拟量的视频信号进行采样，可以采用模数转换器(ADC)来实现。 缓存单元用于缓存采样之后的信号然后输出，可以采用现场可编程门阵列(FPGA)来实现。 转换单元用于将缓存单元输出的信号进行模数转换，可以采用数字信号处理器(DSP)来实 现。图1所示的船用导航雷达系统10还可以包括解码模块(图中未示出)，解码模块 用于将自动雷达标绘仪(ARPA)输出的数字信号解码。这样坐标变换模块12还可用于将 解码模块解码得到的信号进行坐标变换得到平面直角坐标系中的视频信号；叠加输出模块 13还可用于将所述平面直角坐标系中的雷达图像的信号、所述平面直角坐标系中的视频信 号以及电子海图的信息进行叠加然后输出。另外，叠加输出模块13还可用于将雷达光标和 电子距离方位线叠加到电子海图上然后输出。图2是根据本发明实施例中的船用导航的方法的示意图。如图2所示，本发明实
4施例中的船用导航的方法主要包括如下步骤步骤S21 将雷达采集的模拟量的视频信号转换为数字量的雷达图像信号。步骤S22 将所述数字量的雷达图像信号进行坐标变换得到平面直角坐标系中的 雷达图像的信号。步骤S23 将所述平面直角坐标系中的雷达图像的信号与电子海图的信息叠加然 后输出。对于上述的步骤S21，具体可以是先对雷达采集的模拟量的视频信号进行采样； 然后缓存采样之后的信号然后输出；再将缓存后输出的信号进行模数转换。本发明实施例的雷达系统的构成如图3所示。图3是根据本发明实施例的雷达系 统的构成的示意图。在图3中，31表示天线罩，32表示波导裂缝天线，33表示极化滤波器， 34表示接收前端，35表示中频信号，36表示磁控管，37表示环行器。雷达主要由天线与收发单元、数字信号处理单元和显示单元组成，以下进行详细 说明。雷达收发单元包括发射机和接收机两大部分。雷达发射机的任务是为雷达提供一 个载波受到调制的大功率射频信号，经收发开关和馈线送至天线辐射出去。雷达接收机的 任务是将天线所收到的微弱高频回波信号从噪声和干扰电波中选择出来，经过放大和解调 后，传输至显示器或计算机数据处理等终端设备。控制和显示单元包括信号处理单元、控制电路、计算机、彩色显示器、通信接口、键 盘等，完成发射机和接收机的控制，视频回波信号的数字化，以及信号抗干扰处理和目标检 测和识别，从而显示图形、数字和其他船载电子设备通信等。信号处理的目的是消除不需要的信号，如杂波及干扰(雨雪干扰、同频雷达干扰 等)，而加强由目标产生的回波信号。信号处理是在做出检测判决之前完成的，它通常包括 动目标显示和脉冲多普勒雷达中的多普勒滤波器，也包括复杂信号的脉冲压缩处理。主要 的数据处理包括自动跟踪、目标识别等。雷达在信号处理中削去了不需要的杂波和干扰，自 动跟踪处理检测到的目标回波。雨雪抑制下雨下雪时，从雨雪反射的电磁波在荧光屏上产生大块的辉亮斑点，容 易把斑点区域内的弱目标图像淹没，需要采取抑制雨雪干扰的措施。其原理是对视频信号 进行微分，宽脉冲经过微分后变成窄脉冲，这样在荧光屏上物标回波变细变亮，而雨雪干扰 经微分后减轻或消失。因干扰信号的相关性比目标回波的信号要差的多，视频信号进行相关运算，则可 消除或减弱同频干扰和杂波干扰。本发明实施例中采用ADC+FPGA+DSP的系统结构来完成对模拟信号的数字化处 理。收发单元天线采集到的回波经过接收单元进行中频变换为视频信号后，由ADC进行采 样，然后经过FPGA缓存后输入到DSP中进行信号处理。控制单元控制电机的转动、天线收发转换、磁控管的调谐、脉冲调制的宽度和重复 频率、中频放大的增益控制等。控制单元主要有D/A转换器、单片机、FPGA、放大电路等组 成。采用嵌入式单片机和FPGA共同完成本部分电路的控制功能，而不占用DSP的时间和资 源。主要控制信号有调制脉冲，调制发射频率、调谐电压、调谐反馈信号和码盘零位信号、增益控制、海浪抑制、码盘角度脉冲、电源控制、脉宽调制、AGC开关等。
PC机选用高可靠性的计算机标准板卡，操作系统选用Windows操作系统，上 层应用程序采用C语言等。计算机带有与其他船用电子设备连接的多种标准通信接口 (AIS\ARPA\GPS\EOTIS等)和计算机网络接口，采用高分辨率的彩色CRT显示器或彩色液晶 (LCD)显示器。使用带多种接口的计算机和高分辨率的彩色显示器后，可使显示的方式和内容更 多、测量的参数更准确和更多，显示更清晰，并且操作更方便和容易。随着信息技术和导航技术的发展，海图和雷达信息数字化后，两者间的数据传输 成为可能，电子海图与雷达图像/自动雷达标绘仪(ARPA)数据信息的叠加显示成为可能和 必然，任何一方的“图像”可以被叠加到另一方的图像上。导航雷达是在二维极坐标系中测量背景信息，测出的背景信息量是方位角和距 离，且大部分为模拟量，方位可以是数字量，距离是模拟量一宽脉冲；而电子海图显示用的 是平面直角坐标系，且需要数字量，这就必须进行模拟/数字变换和坐标变换。雷达原始视 频信号经过雷达接口装置实现雷达信号的高速采集和坐标变换，然后将变换后的直角坐标 信息送给E⑶IS，再与电子海图叠加显示；将ARPA输出的数字信号解码送入E⑶IS，通过坐 标变换显示在电子海图上。使雷达图像、ARPA数据和GPS船位与电子海图的信息重叠显示 雷达图像和电子海图的所有数据叠加显示，有助于安全航行。图像叠加的最大优势是将海 图的基本信息，如岸线、碍航物、浮标和水上物标等，与实际雷达回波参照，对于判断目标回 波很方便。浮标图形的显示可以使驾驶人员方便地区别浮标回波和目标回波，例如在长江 雾中航行时，使用雷达捕捉灯浮，通过电子海图上显示的ARPA数据和叠加的雷达回波以及 海图信息比较，可迅速判别灯浮和定位，效果非常明显。如果电子海图显示的岸线与雷达岸 线图像重合，可迅速判断出本船和其它所有目标的相对位置，有助于提高驾驶人员的“位置 感”。禁航区和孤立危险物的显示能使驾驶员在制订航线时考虑避开，防止航行事故。大量 触礁或搁浅等事故是由于值班人员过度依赖雷达进行避碰航行所致，在雷达上并不能显示 暗礁、浅滩、禁航区等海图要素；而电子海图上能同时显示暗礁、浅滩、禁航区、分道航行区、 锚区、捕鱼区、海产养殖区等危险区域，将利于减少由于避免碰撞事故而导致的另一事故。在电子海图上叠加显示ARPA数据有助于船舶避碰如果雷达图像的杂波太多，成 海图信息的显示被掩盖或难以区分，可把叠加图像调淡或关闭，只在电子海图上叠加显示 ARPA数据。经ARPA雷达录取的所有目标船回波信号及目标船矢量可叠加显示于电子海图 上，能立刻判断出移动目标、浮标和其它静止物标。当在电子海图上看到一个移动目标时， 其进一步的动态可以相当精确地预测和判断出来，例如某个移动目标在分道通航制区域内 航行接近分道通航转向点时，或驶向引航员登船区域或锚地时，或驶向碍航物需要转向时 等。这些雷达图像显示在电子海图上，驾驶人员就能相当准确地预测目标的动态。两者信 息的组合使船舶在避碰或狭水道航行时能及时掌握周围的可航水域，迅速决定规避航线， 不至于使船舶因避碰而驶向碍航物或浅滩。其它雷达信息在电子海图上叠加显示有助于导航定位雷达光标和电子距离方位 线可以选择在电子海图上叠加显示，当在雷达上选择物标进行方位距离定位时，雷达电子 距离方位线会同时在电子海图上确定物标，帮助判明灯浮的编号或物标的属性，防止认错 物标。在船舶驶向锚地抛锚时，用雷达预先确定锚地内船舶的位置，使用雷达光标读出的锚
6泊船的经纬度，然后在纸海图上定位，在实践中会发现定位误差较大，不能准确反应锚地内 船舶的位置，原因是量程较大且雷达图像是极坐标。这种情况可以使用显示在电子海图上 的雷达光标，在电子海图上定位或读取数据，消除误差。显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成 的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在 存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出 或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步 骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种船用导航雷达系统，其特征在于，包括模数转换模块，用于将雷达采集的模拟量的视频信号转换为数字量的雷达图像信号；坐标变换模块，用于将所述数字量的雷达图像信号进行坐标变换得到平面直角坐标系中的雷达图像的信号；叠加输出模块，用于将所述平面直角坐标系中的雷达图像的信号与电子海图的信息叠加然后输出。
2.根据权利要求1所述的船用导航雷达系统，其特征在于，所述模数转换模块包括 采样单元，用于对所述模拟量的视频信号进行采样； 缓存单元，用于缓存采样之后的信号然后输出； 转换单元，用于将缓存单元输出的信号进行模数转换。
3.根据权利要求2所述的船用导航雷达系统，其特征在于，所述采样单元为模数转换 器(ADC)。
4.根据权利要求2所述的船用导航雷达系统，其特征在于，所述缓存单元为现场可编 程门阵列(FPGA)。
5.根据权利要求2所述的船用导航雷达系统，其特征在于，所述转换单元为数字信号 处理器(DSP)。
6.根据权利要求1所述的船用导航雷达系统，其特征在于，还包括解码模块，用于将自动雷达标绘仪(ARPA)输出的数字信号解码； 所述坐标变换模块还用于将所述解码模块解码得到的信号进行坐标变换得到平面直 角坐标系中的视频信号；所述叠加输出模块还用于将所述平面直角坐标系中的雷达图像的信号、所述平面直角 坐标系中的视频信号以及电子海图的信息进行叠加然后输出。
7.根据权利要求1所述的船用导航雷达系统，其特征在于，所述叠加输出模块还用于 将雷达光标和电子距离方位线叠加到电子海图上然后输出。
8.一种船用导航的方法，其特征在于，包括将雷达采集的模拟量的视频信号转换为数字量的雷达图像信号；将所述数字量的雷达图像信号进行坐标变换得到平面直角坐标系中的雷达图像的信号；将所述平面直角坐标系中的雷达图像的信号与电子海图的信息叠加然后输出。
9.根据权利要求8所述的船用导航的方法，其特征在于，将雷达采集的模拟量的视频 信号转换为数字量的雷达图像信号包括对雷达采集的模拟量的视频信号进行采样； 缓存采样之后的信号然后输出； 将缓存后输出的信号进行模数转换。
全文摘要
本发明公开了一种船用导航雷达系统和船用导航的方法，以解决现有技术中雷达的导航效果不够理想的问题。本发明的船用导航雷达系统包括模数转换模块，用于将雷达采集的模拟量的视频信号转换为数字量的雷达图像信号；坐标变换模块，用于将所述数字量的雷达图像信号进行坐标变换得到平面直角坐标系中的雷达图像的信号；叠加输出模块，用于将所述平面直角坐标系中的雷达图像的信号与电子海图的信息叠加然后输出。
文档编号G01S13/06GK101937081SQ20101025391
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者高俊峰 申请人:北京海兰信数据科技股份有限公司