國(guó)外航海雷達(dá)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)*

張 楊，曾 浩，察 豪，羅 軍

(1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，武漢430033;2.海軍裝備研究院，北京100161)

航海雷達(dá)主要用于船舶航行過(guò)程以及出入港口、狹水道等區(qū)域的導(dǎo)航和避碰，用以保證船舶的航行安全，是船舶必備的電子設(shè)備，也稱導(dǎo)航雷達(dá)。航海雷達(dá)性能的好壞，與船舶的安全航行息息相關(guān)。

隨著水上交通的不斷發(fā)展，航海雷達(dá)使用范圍逐漸擴(kuò)大，使用環(huán)境日益復(fù)雜，要求航海雷達(dá)需不斷增強(qiáng)功能，提高使用性能。

本文分析了航海雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)，介紹了國(guó)外航海雷達(dá)波段、體制、功能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)等現(xiàn)狀，分析了國(guó)外航海雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)等發(fā)展趨勢(shì)，以期為我國(guó)航海雷達(dá)發(fā)展啟迪一些新的思路。

1 航海雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 使用環(huán)境日趨惡劣

航海雷達(dá)需要在惡劣氣象條件下使用，合理使用與性能的正常發(fā)揮對(duì)于保障航行安全等具有重要的意義。海上常伴隨著多變的海洋氣象環(huán)境，雷達(dá)探測(cè)效果會(huì)受到嚴(yán)重影響。另外，海面目標(biāo)數(shù)量大幅度增加，密集程度日益加大，雷達(dá)探測(cè)難度不斷增大。

1.2 主要探測(cè)對(duì)象特征多樣

隨著世界海洋經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，主要航道、近岸海域中，海面目標(biāo)種類大幅度增加，航海雷達(dá)面臨的探測(cè)目標(biāo)變化多樣(目標(biāo)RCS從小于1 m2到大于上萬(wàn)平米)、快慢不一，包括固定目標(biāo)(海岸、小冰山、養(yǎng)殖箱、海上浮標(biāo)等)、慢速目標(biāo)(蛙人、舢板、各類船舶等)以及高機(jī)動(dòng)目標(biāo)(快艇等)，增大了雷達(dá)檢測(cè)和處理的難度。

1.3 強(qiáng)雨雪、海雜波環(huán)境小目標(biāo)探測(cè)要求高

水面船舶在進(jìn)出港及狹水道航行時(shí)，海上小目標(biāo)經(jīng)常會(huì)是嚴(yán)重的威脅或是重點(diǎn)搜尋的對(duì)象。海面小目標(biāo)對(duì)船舶安全的威脅越來(lái)越大，尤其是在惡劣海況和復(fù)雜氣象環(huán)境條件下，難以保證船舶及人員安全。因此，確保雷達(dá)在惡劣海況、復(fù)雜氣象、本船及目標(biāo)機(jī)動(dòng)等情況下的目標(biāo)檢測(cè)及雜波抑制能力是決定船舶航海雷達(dá)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

1.4 長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的連續(xù)使用

隨著國(guó)際航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，船舶遠(yuǎn)洋需求不斷增加，近岸航行強(qiáng)度也越來(lái)越大。船舶出航時(shí)，航海雷達(dá)需長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)開(kāi)機(jī)。高強(qiáng)度的使用，要求航海雷達(dá)具有高的可用性，對(duì)航海雷達(dá)可靠性、維修性和測(cè)試性提出了較高的要求。板的數(shù)量急劇減少，整機(jī)可靠性加強(qiáng)。凱文休斯公司于2006年推出第一部S頻段固態(tài)發(fā)射機(jī)脈沖多普勒雷達(dá)SharpEye，該雷達(dá)采用固態(tài)發(fā)射、頻率分集、相參收發(fā)、脈沖壓縮、數(shù)字信號(hào)處理、干擾抑制和低壓工作等一系列新技術(shù)，具有高系統(tǒng)可靠性，在強(qiáng)雜波下小目標(biāo)的探測(cè)能力等重要性能明顯提升。圖1是S頻段SharpEye固態(tài)發(fā)射機(jī)照片。

2 國(guó)外航海雷達(dá)現(xiàn)狀

航海雷達(dá)目前主要呈現(xiàn)出多頻段、多體制、多功能化以及多結(jié)構(gòu)并存等特點(diǎn)。

2.1 多頻段配合使用

目前航海雷達(dá)主要還是厘米波雷達(dá)，工作頻率主要為 X、S、C、Ka頻段[1]。中型以上船同時(shí)裝有雙頻段雷達(dá)，X和S頻段配合使用居多。X頻段雷達(dá)具有天線尺寸小、方位分辨力好、海雜波下目標(biāo)檢測(cè)性能較好的優(yōu)勢(shì)，成為了應(yīng)用最為廣泛的船載雷達(dá)頻段。S和C頻段在雨霧中衰減少，海面反射小，適宜在惡劣氣候和海情下探測(cè)目標(biāo)。毫米波雷達(dá)天線尺寸小巧，分辨率高，但存在大氣、雨雪時(shí)衰減大的缺點(diǎn)，更適宜于江河、湖泊，或者近海岸等航道狹小、船舶密集的水道導(dǎo)航。

目前，市場(chǎng)上高端航海雷達(dá)產(chǎn)品往往配置成X、S雙頻段，如美國(guó)諾斯羅普·格魯曼公司的Bridge-Master E340雷達(dá)系統(tǒng)、凱文體斯公司的SharpEye系列雷達(dá)系統(tǒng)、丹麥的Scanter雷達(dá)、日本無(wú)線公司的JMA－9100和 JMA－9900系列、德國(guó) Atlas 9500－9800ARPA系列[1]，均大量裝配大型游船及貨輪。

2.2 非相參與相參體制并存

目前航海雷達(dá)還是以磁控管非相參體制為主，并逐漸出現(xiàn)了固態(tài)相參脈沖體制和連續(xù)波體制雷達(dá)。非相參脈沖體制雷達(dá)已較成熟，可靠性較高，但存在工作電壓高、穩(wěn)定性較差、發(fā)射脈寬精度受限、無(wú)法同時(shí)兼顧作用距離及距離分辨力、磁控管維護(hù)受限等問(wèn)題。固態(tài)收發(fā)機(jī)能夠采用全相參體制，同步提升信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理能力，可有效提升設(shè)備整體探測(cè)性能。固態(tài)收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，普遍采用可編程器件以及信號(hào)處理專用芯片，集成度大為提高，元器件和電路繼S頻段SharpEye在民用航海雷達(dá)獲得成功后，凱文休斯公司又于2008年推出了X頻段Sharp-Eye雷達(dá)，該雷達(dá)憑借適中的天線尺寸及較高的分辨能力一舉占據(jù)了民用固態(tài)雷達(dá)市場(chǎng)。JRC公司也于2011年推出了S頻段固態(tài)脈沖導(dǎo)航雷達(dá)產(chǎn)品JMA－9172－SA。圖2所示是X頻段SharpEye固態(tài)脈沖雷達(dá)與傳統(tǒng)磁控管體制航海雷達(dá)在5級(jí)海況下對(duì)10 m2反射體探測(cè)能力的對(duì)比，可以看到，采用脈沖壓縮技術(shù)和頻率分集技術(shù)后雷達(dá)在高海情下對(duì)小目標(biāo)的探測(cè)距離有了明顯提升。

圖1 S頻段SharpEye固態(tài)發(fā)射機(jī)Fig.1 Photo of S－band SharpEye solid－state transmitter

圖2 X頻段SharpEye雷達(dá)與傳統(tǒng)磁控管雷達(dá)在五級(jí)海況下10 m2目標(biāo)探測(cè)性能對(duì)比Fig.2 Comparison of target detection performance between the X－band SharpEye radar and conventional marine radar in the 5－level sea condition

相比磁控管及固態(tài)脈沖體制雷達(dá)，固態(tài)連續(xù)波雷達(dá)的超低發(fā)射功率使得其對(duì)艇員不會(huì)造成任何的身體傷害，充分體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計(jì)理念。連續(xù)波體制雷達(dá)的近距離探測(cè)盲區(qū)很小，配合大帶寬信號(hào)所獲得的較高的距離分辨力，能夠在艦艇進(jìn)出港口或狹水道航行時(shí)，清晰分辨近距離的船只或障礙物，保障艦艇航行安全。

2.3 多功能化

隨著雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)外航海雷達(dá)都具有自動(dòng)標(biāo)繪(ARPA)功能，完成艦船導(dǎo)航避碰，同時(shí)能夠完成直升機(jī)引導(dǎo)、海圖疊加顯示、AIS目標(biāo)融合、光電信息顯示、專家系統(tǒng)、多雷達(dá)組網(wǎng)等功能。德國(guó)研制的Atlas9600M雷達(dá)為全集成多功能系統(tǒng)，既可以提供完整的雷達(dá)、ARPA和導(dǎo)航顯示功能，適用于獨(dú)立或指揮和控制系統(tǒng)應(yīng)用，還具有航線計(jì)劃編制、盲目領(lǐng)航、跟蹤控制、扇區(qū)篩選、電子海圖實(shí)時(shí)疊加顯示等。英國(guó)凱文休斯公司的KH2007型雷達(dá)，能夠把來(lái)自雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航與光電傳感器多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)融合顯示。JMA－9900系列雷達(dá)集成了ARPA和AIS、ECDIS等信息。

2.4 多種結(jié)構(gòu)形式并存

航海雷達(dá)目前有三單元和二單元兩種結(jié)構(gòu)形式，由天線、收發(fā)機(jī)、顯示終端組成的通常稱為三單元雷達(dá)，由天線收發(fā)單元及顯示終端兩部分組成的通常稱為二單元雷達(dá)。三單元雷達(dá)維修方便，可實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)不同單元間的信息切換(實(shí)現(xiàn)天線與收發(fā)機(jī)間、收發(fā)機(jī)與顯控終端之間的硬切換)，由于有波導(dǎo)損耗，探測(cè)作用距離較二單元雷達(dá)近。二單元雷達(dá)適裝性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)天線收發(fā)單元與顯示終端間的硬切換，無(wú)波導(dǎo)損耗，探測(cè)作用距離較三單元雷達(dá)遠(yuǎn)。三單元與二單元雷達(dá)都可實(shí)現(xiàn)多部雷達(dá)組網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)顯控終端間的信息交換。

2.5 性能指標(biāo)的增長(zhǎng)

當(dāng)今最先進(jìn)的航海雷達(dá)同20世紀(jì)40年代初的雷達(dá)相比，導(dǎo)航功能及一般性能水平都有較大提高:對(duì)中型船舶的最大作用距離由8～10 n mile提高到視距;最小作用距離由70～100 m提高到幾米(連續(xù)波體制雷達(dá));天線轉(zhuǎn)數(shù)由7～9 r/min提高到48 r/min;距離分辨力由50 ～90 m 提高到9.1 m(脈沖寬度為0.05 μs);方位分辨力由1.2°～2°提高到0.65°(天線水平口徑寬3.6 m);測(cè)距精度由量程的1% ～3%提高到量程的0.25%(此時(shí)精度為9.1 m);方位精度由1.2°～1.5°提高到±0.5°;最小/最大標(biāo)稱量程由1.5 n mile/24 n mile提高到0.125 n mile/120 n mile?？煽啃杂刹坏?00 h提高到每年幾乎免維修。典型固態(tài)航海雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 固態(tài)航海雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)Table1 Specification of typical solid－state marine radars

3 航海雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)

航海雷達(dá)主要表現(xiàn)出X和S頻段配合使用，固態(tài)收發(fā)、脈沖壓縮等技術(shù)普遍應(yīng)用，增加多種輔助導(dǎo)航功能，具有通用化、系列化、模塊化等的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 X和S作為主要探測(cè)頻段配合使用

國(guó)際海事組織規(guī)定了X頻段和S頻段航海雷達(dá)性能要求，小型船航海雷達(dá)以X頻段為主，大、中型船通常以X和S頻段配合使用為主[2－4]。X頻段基于通常氣候條件下使用，兼容雷達(dá)信標(biāo)、搜救雷達(dá)應(yīng)答器和雷達(dá)目標(biāo)增強(qiáng)器。X頻段航海雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于其分辨力高、天線尺寸小、重量輕。S頻段雷達(dá)則更適合在惡劣氣象條件下使用。S頻段的優(yōu)勢(shì)在于探測(cè)距離遠(yuǎn)，更適合遠(yuǎn)程導(dǎo)航，同時(shí)，S頻段的海雜波和氣象雜波較弱，相同功率的條件下，大雨情況時(shí)，S頻段比X頻段探測(cè)性能好30% ～60%[2]。

航海雷達(dá)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC－62388針對(duì)S頻段和X頻段航海雷達(dá)，在虛警概率為10－4的條件下，對(duì)不同反射截面積的小目標(biāo)在0.7 n mile處的發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行了仿真[2]，圖3和圖4所描繪的分別是S頻段和X頻段的檢測(cè)概率。從圖中不難看出，S頻段航海雷達(dá)在強(qiáng)海雜波條件下的小目標(biāo)發(fā)現(xiàn)能力要強(qiáng)于X頻段航海雷達(dá)。

圖3 S頻段航海雷達(dá)在0.7 n mile處小目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率Fig.3 The detection probability of the S－band navigation radar for small targets at 0.7 n mile

圖4 X頻段航海雷達(dá)在0.7 n mile處小目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率Fig.The detection probability of the X－band navigation radar for small targets at 0.7 n mile

從以上的分析可以看出，采用X與S雙頻段配置，結(jié)合頻率分集技術(shù)，有利于海雜波去相關(guān)處理，消除小目標(biāo)起伏，減小多徑效應(yīng)影響，提高對(duì)小目標(biāo)的檢測(cè)能力。綜合雙頻段的優(yōu)勢(shì)，可以提升航海雷達(dá)在強(qiáng)雨雪雜波、海雜波下的小目標(biāo)檢測(cè)能力。

3.2 固態(tài)收發(fā)機(jī)、脈沖壓縮等技術(shù)普遍應(yīng)用

航海雷達(dá)在進(jìn)一步發(fā)展中，將受到普通脈沖制式的限制，雷達(dá)指標(biāo)的重大進(jìn)展必然依賴于雷達(dá)信號(hào)制式的等的技術(shù)變革[4]。

(1)航海雷達(dá)由單一的非相參脈沖體制向相參脈沖體制、調(diào)頻連續(xù)波、脈沖壓縮體制并存發(fā)展是必然的。2004年，IMO鼓勵(lì)使用固態(tài)相參雷達(dá)來(lái)提高在嚴(yán)重海雜波條件下對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力，相參體制航海雷達(dá)逐漸替代非相參磁控管體制雷達(dá)走上歷史舞臺(tái)[5]。

(2)采用脈沖壓縮技術(shù)可以有效提高強(qiáng)雜波下小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力[6－7]。

(3)采用連續(xù)波技術(shù)具有低的發(fā)射功率，保障船員身體不受輻射危害。

(4)利用DDS技術(shù)產(chǎn)生發(fā)射波形，采用頻率分集、頻率捷變、雜波圖等技術(shù)抑制雜波干擾。

(5)利用多普勒處理機(jī)制，在探測(cè)目標(biāo)位置同時(shí)獲得目標(biāo)速度，可有效區(qū)分雜波和目標(biāo)，提高小目標(biāo)探測(cè)能力。

(6)數(shù)據(jù)處理將繼續(xù)朝多處理機(jī)并行處理方向發(fā)展，并采用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各處理器間信息的快速交換。

(7)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟蹤、信息融合等新技術(shù)有可能在跟蹤算法中得到應(yīng)用。

(8)加強(qiáng)機(jī)內(nèi)自檢功能，廣泛采用可更換標(biāo)準(zhǔn)組件，提高系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間，提高設(shè)備可靠性，縮短平均修理時(shí)間，提高故障檢測(cè)率。

3.3 增加多種輔助功能保障航行安全

由于航行環(huán)境日趨復(fù)雜，航行輔助手段日益多樣，航海雷達(dá)急需運(yùn)用多種輔助手段保障航行安全，在復(fù)雜海況下增強(qiáng)導(dǎo)航、避碰以及目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別能力，更好地保障船舶安全航行[8]。航海雷達(dá)將通過(guò)增加三維顯示及多雷達(dá)組網(wǎng)補(bǔ)盲，拓展回波的顯示方式及覆蓋范圍;通過(guò)引入AIS、海圖、光電等信息與回波的疊加顯示，從多角度、多傳感器獲取目標(biāo)信息，輔助決策判斷[9];通過(guò)增加海面狀態(tài)測(cè)量、數(shù)據(jù)記錄與回放等功能，更好地滿足船舶導(dǎo)航避碰的需求。航海雷達(dá)正呈現(xiàn)出多任務(wù)、多功能的發(fā)展趨勢(shì)，提高在復(fù)雜海況下導(dǎo)航、避碰以及目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別能力，保障船舶安全航行。

3.4 通用化、系列化、模塊化發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及核心處理芯片能力的提升，雷達(dá)系統(tǒng)硬件的集成度大大提高，可重構(gòu)的軟件化雷達(dá)與通用化、系列化、模塊化的設(shè)計(jì)思想是航海雷達(dá)必然的發(fā)展方向。航海雷達(dá)采用通用化、系列化與模塊化發(fā)展的思路，具有靈活性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、集成度高的特點(diǎn)。按照功能屬性可將雷達(dá)分為若干模塊，各模塊具有通用的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以相互順暢連接;另外，使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)化和靈活，節(jié)省重復(fù)設(shè)計(jì)的工作量，縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本，方便雷達(dá)維修和升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

航海雷達(dá)性能的優(yōu)劣是影響船舶航行安全的重要因素之一。長(zhǎng)期以來(lái)，航海雷達(dá)長(zhǎng)期的發(fā)展中不斷有新技術(shù)引入、創(chuàng)新和完善。了解國(guó)外航海雷達(dá)的發(fā)展水平和技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)發(fā)展我國(guó)的航海雷達(dá)具有重要的借鑒意義。我國(guó)航海雷達(dá)發(fā)展還需在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，積極探索、穩(wěn)步前進(jìn)，需拓展頻段、發(fā)展新體制，另外在惡劣海況和復(fù)雜氣象條件下小目標(biāo)探測(cè)、跟蹤穩(wěn)定性、可靠性以及維修性等方面關(guān)鍵技術(shù)還需不斷提高。相信在今后，經(jīng)過(guò)廣大航海雷達(dá)科研人員的努力，我國(guó)航海雷達(dá)也將逐漸成熟和完善，會(huì)有性能更強(qiáng)、可靠性更高、效費(fèi)比更高的航海雷達(dá)活躍在各國(guó)海域。

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