船舶導(dǎo)航雷達天線布置設(shè)計要點

郝紹瑞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

船用雷達是船舶的重要助航、導(dǎo)航設(shè)備，是保持正規(guī)暸望、避免船舶間發(fā)生碰撞的一種有效手段，尤其是在狹水道路、進出港及夜間、霧天等惡劣氣象條件下，更顯出雷達的優(yōu)越性。

雷達觀測盲區(qū)簡稱雷達盲區(qū)，是雷達波的最小作用距離以內(nèi)的區(qū)域（見圖1）。雷達盲區(qū)是雷達重要的技術(shù)參數(shù)，主要取決于雷達的性能和雷達天線的高度及布置位置［1］。盲區(qū)的大小直接影響船舶霧航、夜航及狹水道中的航行安全。

圖1 雷達最小作用距離

1 船用雷達的種類

1.1 導(dǎo)航雷達的種類

目前船舶上使用的導(dǎo)航雷達按波段可分為X波段（探測信號波長3 cm）導(dǎo)航雷達和S波段（探測信號波長10 cm）導(dǎo)航雷達，按發(fā)射功率可分為中型導(dǎo)航雷達（發(fā)射功率大于25 kW）和小型導(dǎo)航雷達（發(fā)射功率小于10 kW）［2］。

在性能方面，一般從船舶的具體需要出發(fā)，對航行于近海或江河的船舶，主要考慮近距離物標(biāo)的分辨率和圖像的清晰度，其有效觀測距離只要能達到30～40 n mile就已足夠，因此選用波長較短、脈沖寬度較小、水平波束較窄以及近距離盲區(qū)較小的雷達。為保證船舶在惡劣海況中航行安全，大型船舶廣泛采用雙雷達配置方案，即10 cm（S波段）和3 cm（X波段）兩部雷達。在正常情況下，使用X波段雷達工作，探測精度高，顯示畫面清晰，但在惡劣氣候海況下，雷達受雨雪干擾大，使用性能較差，而S波段雷達受雨雪干擾較小，抑制海浪干擾能力強。

1.2 無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)

勞蘭、臺卡、奧米加、衛(wèi)星導(dǎo)航及全球定位系統(tǒng)等屬于無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，均能測定船位，保證船舶海上航行，只不過其工作方式，作用范圍及定位精度不同。為提高定位精度，更準確地按預(yù)定的計劃航線航行的大型船舶，尤其科考船、布纜船、測量船等對動力定位要求較高的特種船，多采用全球定位系統(tǒng)（Global positioning system，縮寫為 GPS），并配備高精度定位的差分GPS，其定位精度可達5 m之內(nèi)。

2 雷達天線布置設(shè)計要點

2.1 導(dǎo)航雷達天線布置設(shè)計

在進行導(dǎo)航雷達天線布置設(shè)計時，應(yīng)注意以下事項：

（1）確保雷達具有良好的測距性能。由于雷達的電磁波是直線傳播，因此雷達天線越高所能觀測到的目標(biāo)距離就越大，但實際上天線的高度不能無限制地增加。一方面，如果天線的高度過大，近距離“盲區(qū)”的范圍將要擴大（見圖1）；另一方面，天線的高度增大使得波導(dǎo)的長度也隨之增加，加大了電磁波傳播的損耗。此外，雷達天線加高導(dǎo)致桅主體加高，使得桅在波浪中橫搖和縱搖兩種情況下產(chǎn)生的搖擺力矩加大，桅體與甲板連接處應(yīng)力比較集中，這些都是不利的。

（2）確保雷達具有良好的近距離性能，即在天線周圍雷達視場沒有遮擋。由于艏樓或裝載較高的貨物（如集裝箱等）對雷達波束造成阻擋而產(chǎn)生雷達盲區(qū)，如圖2所示。

（3）應(yīng)考慮船舶首尾吃水差對雷達盲區(qū)的影響，見圖3。

圖2 甲板貨高度對雷達盲區(qū)的影響

圖3 船舶首尾吃水差對雷達盲區(qū)的影響

（4）避免弧形盲區(qū)和假目標(biāo)。船上桅桿、煙囪、吊桿柱和桅頂橫桁等會影響雷達電磁波的傳播，產(chǎn)生假目標(biāo)，雷達布置時應(yīng)盡可能避免。如果雷達天線前方（船首尾線上）煙囪或起貨桿高于雷達天線，在天線無論安裝于左側(cè)或右側(cè)都不可避免出現(xiàn)較大死角的情況下，為航行安全，應(yīng)把雷達天線布置安裝在船的右側(cè)。這是因為按照海上避碰規(guī)則，船舶的右舷是綠燈，各船均有對右舷航道來船主動避讓的責(zé)任。因此，看清本船右舷航道的情況相對左舷航道更為重要。

（5）便于維修，特別是要保證天線頂蓋可以完全打開，周圍還要有足夠的維修空間。

（6）波導(dǎo)饋線應(yīng)盡量短，盡量少用接頭、彎波導(dǎo)和扭波導(dǎo)。因此，雷達天線應(yīng)盡可能安裝在收發(fā)機上方。

（7）若船舶安裝兩部雷達，其天線的高度必須有所區(qū)別，否則，一部雷達的發(fā)射機工作時，功率強大的幅射波將進入另一部雷達的天線，并沿著波導(dǎo)傳輸?shù)交祛l晶體而把晶體燒毀。在一般情況下，兩部雷達天線如上下排列布置在同一桅桿上，兩者的高度差應(yīng)保持在1 m以上（見圖4）；若兩部雷達的天線分別布置于桅桿的左右兩側(cè)，則二者的高度差應(yīng)不少于2 m，具體應(yīng)根據(jù)雷達天線說明書提供的雷達電磁波束垂直寬度β（通常為20°以上）作圖確定（見圖5）。

圖4 兩部雷達上下排列在同一桅桿上典型布置

圖5 兩部雷達的天線安裝于桅桿的左、右兩側(cè)典型布置

同樣，還應(yīng)避免雷達天線主波束落入諸如衛(wèi)星電視天線等其他天線設(shè)備的工作波瓣內(nèi)。

（8）配備S波段和X波段雙雷達時，S波段雷達天線（或功率較大的一臺）應(yīng)高于X波段雷達天線（或功率較小的一臺）。

（9）雷達天線收發(fā)器的磁控管具有較強的磁場，對磁羅經(jīng)會產(chǎn)生較大的影響。各種型號雷達的收發(fā)器通常會注明安裝時距磁羅經(jīng)的最小安全距離，一般應(yīng)不小于3 m。

（10）現(xiàn)代船舶對導(dǎo)航、定位等有多方位要求，船上各種天線林立，有的用于發(fā)射，有的用于接收，有的兼具發(fā)射、接收功能；如果設(shè)計不合理，發(fā)射天線會有過多的能量耦合到接收天線，導(dǎo)致連接該天線的系統(tǒng)不能正常工作；所以應(yīng)在有限的空間合理優(yōu)化天線的布局，解決并改善各雷達、天線的電磁兼容性。

（11）煙囪后面的桅桿應(yīng)與煙囪間隔一定距離，以防止排煙嚴重污染桅桿及雷達天線。

2.2 全球定位系統(tǒng)（GPS）布置

在進行全球定位系統(tǒng)（GPS）布置設(shè)計時，應(yīng)注意以下事項：

（1）天線要盡量裝得高些，避免周圍有障礙物阻擋接收，避免濺到海水。

（2）天線不可過高，避免因船舶的搖晃導(dǎo)致測位精度下降。

這兩點看似矛盾，其實是一個綜合平衡的問題。

2.3 IMO有關(guān)規(guī)定

按 IMO《Guidelines for the installation of shipborne radar equipment》［3］，為盡量減少雷達盲區(qū)、雷達顯示器上的雜波干擾、假目標(biāo)回波信號，正確布置雷達天線是影響雷達系統(tǒng)性能的重要因素，天線的布置安裝應(yīng)滿足以下條件：

（1）雷達天線應(yīng)安全地遠離高功率源設(shè)備和其他無線電接收發(fā)射天線。

（2）雷達天線的下緣至少應(yīng)高于欄桿扶手500 mm。

（3）在不同裝載縱傾狀態(tài)下，雷達天線的最小作用距離不大于500 m或2倍船長（取小值），參見圖1。

（4）雷達盲區(qū)應(yīng)保持最小，并不應(yīng)進入自船的正前方到每一舷正橫后的22.5°范圍內(nèi)（注：任意兩個盲區(qū)間小于3°，則應(yīng)視作一個盲區(qū)）。

（5）第（4）條提到的區(qū)域之外的范圍內(nèi)，每一單個盲區(qū)的角度不能超過5°，所有盲區(qū)的總角度不能超過20°。

3 雷達桅的適應(yīng)性

為保證雷達正常工作，安裝雷達天線的桅桿，其高度、結(jié)構(gòu)強度和振動特性應(yīng)與天線的安裝要求相適應(yīng)。桅桿的布置應(yīng)注意利用船舶主體結(jié)構(gòu)，固定在主橫艙壁、強橫梁、縱艙壁、縱桁等較強的結(jié)構(gòu)上。在進行桅桿設(shè)計時，通常應(yīng)對首制船的雷達桅主體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和振動特性進行校核計算。

可根據(jù)GJB/Z 119-99［4］提供的方法，進行桅桿的強度與剛度分析，也可用有限元法直接計算，計算載荷主要為慣性力、風(fēng)壓力和重力。

首制船還應(yīng)進行桅的自由振動計算，并應(yīng)計算桅的縱向、橫向以及扭轉(zhuǎn)振動的第一諧調(diào)固定頻率［5］。桅的縱向、橫向以及扭轉(zhuǎn)振動的第一諧調(diào)固有頻率值應(yīng)當(dāng)避開主機和螺旋槳激振頻率以及船體固有頻率。

進行有限元直接計算時，可采用MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN等軟件完成結(jié)構(gòu)計算分析。

4 結(jié) 論

綜上所述，為保證航行安全，并實現(xiàn)雷達天線系統(tǒng)的高性能、高可靠性和多功能等方面的導(dǎo)航、定位要求，除了不斷提高雷達系統(tǒng)自身性能和技術(shù)水平外，雷達天線在船上的布置安裝起著非常重要的作用。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代大、中型船舶尤其是一些特種用途的船舶已成為擁有大量天線和設(shè)備的龐然大物，船的上層建筑密密麻麻地安裝著各種裝置，船舶上的物理空間和電磁場空間都十分擁擠。為保證雷達天線正常工作并盡可能發(fā)揮其效能，要求船舶設(shè)計師必須進行良好的頂層設(shè)計，綜合平衡好天線的布局，建立安全可靠的雷達天線安裝平臺。

［1］ 趙懷森.對雷達盲區(qū)的研究［J］.天津航海，2005（3）：3-4.

［2］ 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊：電氣分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［3］ IMO.Guidelines for the Installation of Shipborne Radar Equipment［S］.SN.1/Circ.271，2008.

［4］ 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準，GJB/Z 119-99，水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法［S］.2007.

［5］ 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準，GJB 4000-2000，艦船通用規(guī)范［S］.2000.