• 中文名

  航海雷達(dá)

• 外文名

  Marine radar

• 性能

  主要包括作用距離和分 辨力

• 結(jié)構(gòu)性能

  天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等

• 應(yīng)用

  用于測定船位、引航和避讓

• 又名

  船用雷達(dá)

折疊編輯本段發(fā)展簡況

1904年德國工程師胡爾斯邁耶制成能發(fā)射和接收電磁波以探測船舶航海雷達(dá)的裝置，但因作用距離不到1英里，未引起重視。

1935年法國班輪"諾曼底"號最先安裝航海雷達(dá)，其天線不能旋轉(zhuǎn)，用以探測前方冰山。

30年代末，英國和美國制成船用米波對空搜索雷達(dá)。第二次世界大戰(zhàn)期間，研制了厘米波對海雷達(dá)。

1940年英國人蘭德爾和布特制成空腔磁控管，解決了微波源問題。

1941年美國首先制成帶有平面位置顯示器的脈沖微波海面搜索雷達(dá)。這種雷達(dá)在第二次世界大戰(zhàn)的反潛艇作戰(zhàn)中發(fā)揮了重大作用，戰(zhàn)后用作商船航海雷達(dá)，以保證航海安全。

60年代末到70年代初出現(xiàn)了自動雷達(dá)標(biāo)繪儀，進(jìn)一步發(fā)揮了雷達(dá)在避碰上的作用，得到廣泛應(yīng)用。

《1972年國際海上避碰規(guī)則》規(guī)定了正確使用雷達(dá)和進(jìn)行標(biāo)繪的要求。

《1974年國際海上人命安全公約1981年修正案》規(guī)定了不同噸位船舶安裝雷達(dá)和自動雷達(dá)標(biāo)繪儀的臺數(shù)和日期。國際海事組織也先后通過航海雷達(dá)和自動雷達(dá)標(biāo)繪儀的性能標(biāo)準(zhǔn)。

折疊編輯本段結(jié)構(gòu)

通常由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、顯示器和電源5部分組成。

①天線:

航海雷達(dá)早期用拋物面反射天線，現(xiàn)已為波導(dǎo)隙縫天線取代。天線輻射以水平線性極化為主;為提高雷達(dá)在雨雪中的探測能力，有的天線裝有圓極化裝置。發(fā)射和接收一般合用一個天線，由雙工器(收發(fā)開關(guān))轉(zhuǎn)換。天線由馬達(dá)驅(qū)動，作360°連續(xù)環(huán)掃。為保證方位測量精度和方位分辨力，天線波束水平寬度要窄，很多3厘米航海雷達(dá)在1°以內(nèi)。為防止船舶搖擺時丟失目標(biāo)，波束垂直寬度較寬，約為25°。

②發(fā)射機(jī):

采用脈沖體制。脈沖寬度約為 0.05~2微秒。近距離檔用較短脈沖，以提高距離分辨力;遠(yuǎn)距離檔用較長脈沖，以增大作用距離。工作波段以X波段(9320~9500兆赫)和S波段(3000~3246兆赫)為主，這兩種波段的雷達(dá)通常分別稱為 3厘米雷達(dá)和10厘米雷達(dá)。在天線尺寸相同的情況下，前者有較高的方位分辨力，有利于近距離探測;后者受雨雪雜波和海浪雜波的干擾較小，電磁波經(jīng)過雨區(qū)的衰減也小，如果發(fā)射功率相同，遠(yuǎn)距離靈敏度較高，有利于遠(yuǎn)距離探測。雷達(dá)同時安裝這兩種波段，可取長補(bǔ)短。

③接收機(jī):

采用直接混頻超外差式，設(shè)有海浪干擾抑制電路和雨雪干擾抑制電路。為防止相同波段的雷達(dá)干擾，有的雷達(dá)設(shè)有抗同頻異步干擾電路。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組裝在同一機(jī)柜內(nèi)，合稱收發(fā)機(jī)。

④顯示器:

采用距離方位極坐標(biāo)的平面位置顯示，掃描線和天線同步旋轉(zhuǎn)，有若干檔距離量程可供選用。測距可用活動距標(biāo)或固定距標(biāo);測方位可用電子方位線或機(jī)械方位圈。70年代出現(xiàn)的高亮度顯示器，可不用遮光罩，白天在駕駛臺正常光線下供數(shù)人同時觀察。有的采用彩色顯示器，用不同顏色表示不同內(nèi)容，使屏幕畫面更醒目。

⑤電源:

早期 航海雷達(dá)用變流機(jī)，現(xiàn)已普遍采用逆變器，也有直接用船電的。

折疊編輯本段原件

航海雷達(dá)和其他電子設(shè)備一樣也經(jīng)歷了電子管、晶體管和集成電路三個

航海雷達(dá)元件階段。固態(tài)航海雷達(dá)，除發(fā)射機(jī)的磁控管和顯示器的陰極射線管外，全部采用固態(tài)元件，提高了整機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性。作為船用電子設(shè)備，為適應(yīng)海上工作條件，在結(jié)構(gòu)、電路和工藝上須考慮振動、搖擺、沖擊、電源、電壓和頻率波動、溫度、濕度、鹽污、霉菌等各種因素的影響，艙外露天部分(如天線)還要考慮水密性和抗風(fēng)強(qiáng)度。

折疊編輯本段性能

主要包括作用距離和分 航海雷達(dá)辨力。

折疊作用距離

雷達(dá)探測物標(biāo)的距離為 其中c為電磁波傳播速度;Δt為脈沖往返時間。限制航海雷達(dá)作用距離的因素包括:

①雷達(dá)地平距離。在正常天氣下，雷達(dá)波傳播所受大氣折射影響稍大于光，所以雷達(dá)最大作用距離 D(以海里計)也稍遠(yuǎn)于物標(biāo)的地理能見距離。式中h和H分別為天線和物標(biāo)的高度，以米計。

②物標(biāo)反射雷達(dá)波的能力。雷達(dá)對某物標(biāo)的最大作用距離等于它的發(fā)現(xiàn)距離，即在熒光屏上剛能從噪聲背景中檢出該物標(biāo)回波的距離。3厘米雷達(dá)天線高度為15米時，對不同物標(biāo)在正常天氣下的發(fā)現(xiàn)距離可參考下表:航海雷達(dá)

③天氣條件。在降水天和霧天，雷達(dá)波部分能量被水分吸收，物標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離可縮短15%~20%。當(dāng)冷空氣移到暖水面出現(xiàn)欠折射時，雷達(dá)波的傳播途徑翹離地面，雷達(dá)作用距離可縮短30%~40%。當(dāng)暖空氣移到冷水面出現(xiàn)過折射時，雷達(dá)波的傳播途徑彎向地面，使雷達(dá)作用距離增大;而當(dāng)形成大氣波導(dǎo)傳播時，雷達(dá)作用距離大大增加，如在阿拉伯海的干燥季節(jié)，曾探測到距離1500海里的物標(biāo)。

雷達(dá)最小作用距離主要與脈沖寬度和波束垂直寬度有關(guān)。在脈沖發(fā)射期間，雷達(dá)不能接收回波;在波束下沿外的物標(biāo)，雷達(dá)波不能射及。二者中范圍大者即為最小作用距離。

折疊分辨力

有距離分辨力和方位分辨力。雷達(dá)的距離分辨力優(yōu)于方位分辨力。

①距 航海雷達(dá)離分辨力:主要取決于脈沖寬度。當(dāng)同方位兩物標(biāo)的間距小于或等時(τ為脈沖寬度)，兩物標(biāo)回波就連在一起，無法分辨。距離分辨力還與回波光點(diǎn)的直徑有關(guān)，所以實(shí)際距離分辨力為(0.8~0.9)τ，如脈沖寬度為0.01微秒，距離分辨力約為25米。

②方位分辨力:主要取決于波束水平寬度。當(dāng)同距離兩物標(biāo)的方位差小于波束水平寬度時，兩回波就連在一起。所以方位分辨力等于波束水平寬度和光點(diǎn)直徑之和，其實(shí)際間隔則視距離遠(yuǎn)近而定。如波束水平寬度為1°，8海里處兩物標(biāo)要相隔260米左右，回波才能分開。

折疊編輯本段應(yīng)用

航海雷達(dá)用于測定船位、引航和避 航海雷達(dá)讓。

折疊定位

雷達(dá)測距比測向精度高。按照定位精度順序，雷達(dá)定位方法為:距離定位、孤立目標(biāo)的距離方位定位和方位定位。如用雷達(dá)測距和目測方位結(jié)合，定位精度更高。雷達(dá)測量距離和方位的準(zhǔn)確性受多種因素影響。按照國際海事組織1981年提出的性能標(biāo)準(zhǔn)，要求測距誤差不超過所用量程的1.5%或70米，取其大者。物標(biāo)在顯示屏邊沿的測方位誤差應(yīng)在±1°以內(nèi)。

由于雷達(dá)本身性能和物標(biāo)反射特性的影響，雷達(dá)圖象具有以下特點(diǎn)，需要 航海雷達(dá)正確辨認(rèn)。

①失真，由于波束水平寬度和光點(diǎn)直徑的影響，物標(biāo)回波往往比實(shí)物為大;觀測物標(biāo)回波邊沿的方位時，需修正半個波束水平寬度。由于雷達(dá)地平以遠(yuǎn)和受遮擋的地物無回波，所得岸線圖形往往與海圖上形狀不完全一致。

②有干擾，包括雨雪雜波、海浪雜波、同頻雜波等的干擾，輕者影響觀察，重者掩沒物標(biāo)回波。

③可能出現(xiàn)假回波，包括旁辨回波、間接回波、多次反射等。

④其他如由于船上煙囪、桅桿的遮擋，熒光屏上形成扇形陰影，超折射時出現(xiàn)第二行程回波等。

折疊引航

在較寬水道航行，最好利用雷達(dá)連續(xù)在海圖上定位進(jìn)行導(dǎo)航。在狹水道航行，須 航海雷達(dá)直接在顯示器上進(jìn)行導(dǎo)航。航海雷達(dá)有相對運(yùn)動顯示和真運(yùn)動顯示兩種方式。

相對運(yùn)動顯示方式為航海雷達(dá)的基本顯示方式。其特點(diǎn)是代表本船船位的掃描起始點(diǎn)在熒光屏上(一般在熒光屏中心)固定不動，所有物標(biāo)的運(yùn)動都表現(xiàn)為對本船的相對運(yùn)動。

相對運(yùn)動顯示方式分兩種:

①舷角顯示方式:又稱"船首向上"顯示方式。不管本船航向如何改變，船首標(biāo)志線始終指向固定方位刻度盤的正上方(零度)，便于讀取舷角。但物標(biāo)在屏幕上的位置隨本船航向改變而改變，因此在改向或船首由于風(fēng)浪而發(fā)生偏蕩時，會使圖像不穩(wěn)，且由于余輝而使圖像模糊(圖1)。

②方位顯示方式:又稱"真北向上"顯示方式。將本船陀螺羅經(jīng)(見羅經(jīng))的航向信息輸入顯示器，使船首標(biāo)志線隨本船航向而改變，其所指固定方位刻度盤讀數(shù)就是當(dāng)時本船航向，此時固定方位刻度盤正上方(零度)代表真北，本船改向時，物標(biāo)在屏幕上的位置不變，保持圖像穩(wěn)定(圖2)。船舶主要依靠浮標(biāo)航行，而且航道彎度不大，可選用舷角顯示方式;船舶航行轉(zhuǎn)向頻繁，而且需要大角度轉(zhuǎn)向時,選用方位顯示方式為宜。

真運(yùn)動顯示方式為在熒光屏上能反映船舶運(yùn)動真實(shí)情況的顯示方式。實(shí)現(xiàn)真運(yùn)動顯示，要將本船羅經(jīng)的航向和計程儀的速度信息輸入顯示器。其特點(diǎn)是代表本船船位的掃描起始點(diǎn)以相應(yīng)于本船的航向和速度在屏幕上移動，海面上的固定物標(biāo)在屏幕上則固定不動，活動物標(biāo)按其航向和航速在屏幕上作相應(yīng)移動，根據(jù)活動物標(biāo)的余輝，即能看出其真實(shí)航向和估計其速度(圖3)。真運(yùn)動顯示方式主要是便于駕駛員迅速估計周圍形勢。

折疊避讓標(biāo)繪

為了判別與會遇船有無碰撞危險，應(yīng)根據(jù)雷達(dá)觀測信息進(jìn)行標(biāo)繪作業(yè)，標(biāo)繪 航海雷達(dá)內(nèi)容通常是求最近會遇距離和來船的真航向，真航速。

人工標(biāo)繪作業(yè)可在極坐標(biāo)圖上進(jìn)行:按一定時間間隔把來船回波的相對位置移標(biāo)在圖上，其聯(lián)線就是該船的相對運(yùn)動線。它離中心的垂直距離，稱為最近會遇距離。最近會遇距離太近就是有碰撞危險。已知本船真航向、真航速，通過作矢量三角形，就能求出會遇船真航向、真航速。60年代出現(xiàn)了套在雷達(dá)顯示器屏幕上的反射作圖器，它使駕駛員能直接在屏幕上標(biāo)繪而無視差，從而提高了標(biāo)繪效率，但準(zhǔn)確性有所降低，也不能留下記錄。以后又出現(xiàn)了在屏幕上增加一些被稱為"火柴桿"的電子標(biāo)志和基于光、磁、機(jī)械等方法進(jìn)行標(biāo)繪的其他裝置。60年代末到70年代初出現(xiàn)自動雷達(dá)標(biāo)繪儀。

自動雷達(dá)標(biāo)繪儀是附屬于航海雷達(dá)的自動標(biāo)繪裝置，一般用電子計算機(jī)控制，可與雷達(dá)組裝在一起，也可以作為單獨(dú)部件。工作時，需向它輸入本船航向、速度、雷達(dá)觸發(fā)脈沖、雷達(dá)天線角位置和雷達(dá)視頻回波信號，由人工或自動錄取會遇船，然后自動跟蹤。通常用矢量線在屏幕上表示各會遇船的航向和航速，其長短可以設(shè)定。矢量線末端代表到設(shè)定的時間時各會遇船的位置，可以很容易看出有無碰撞危險(圖4)。也有用橢圓形或六角形顯示預(yù)測危險區(qū)，其大小取決于所設(shè)定的最近會遇距離。如會遇船的航向、航速和本船的航速均不變，本船航向線通過預(yù)測危險區(qū)時，即有碰撞危險(圖5)。當(dāng)電子計算機(jī)算出最近會遇距離和到最近會遇點(diǎn)時間小于所設(shè)定的允許范圍時，會自動地以各種方式(視覺和音響)報警，提醒駕駛員采取避讓措施。如果需要，可進(jìn)行模擬避讓(模擬改向、改速或倒車)，以確定所要采取的避讓措施。為準(zhǔn)確顯示各種避碰信息，如選定船舶的方位、距離、航向、航速，最近會遇距離和到最近會遇點(diǎn)時間等，標(biāo)繪儀中還有數(shù)字顯示器或字符顯示器。(

折疊見彩圖

)

折疊編輯本段歷史

第二次世界大戰(zhàn)后期至50年代初，艦艇裝備的航海雷達(dá)是相對運(yùn)動顯示雷達(dá)。1956年英國生產(chǎn)出真運(yùn)動顯示雷達(dá)。60年代后期至70年代初，一些國家陸續(xù)研制出各種與避碰裝置相結(jié)合的航海雷達(dá)，各種避碰雷達(dá)相繼問世。70年代后期以來，雷達(dá)自動標(biāo)繪儀的性能不斷改進(jìn)，對目標(biāo)的捕獲和跟蹤能力，圖像和數(shù)據(jù)顯示能力，抗雜波干擾能力，試操縱功能等大為提高，并增加了自動漂移補(bǔ)償、航道顯示和海圖顯示等功能。航海雷達(dá)還將進(jìn)一步與其他定位導(dǎo)航技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合，通過自動操舵系統(tǒng)和主機(jī)遙控系統(tǒng)，組成閉環(huán)全自動導(dǎo)航和全自動避碰系統(tǒng)。