淺析船舶導(dǎo)航雷達(dá)的發(fā)展及新技術(shù)

摘 要：船舶導(dǎo)航雷達(dá)是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的船舶導(dǎo)航和避碰設(shè)備之一，對保障船舶安全航行具有舉足輕重的意義。本文主要闡述了船舶導(dǎo)航雷達(dá)的新技術(shù)和發(fā)展情況，展望導(dǎo)航雷達(dá)未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：船舶導(dǎo)航雷達(dá)；新技術(shù)；發(fā)展

中圖分類號：TN959.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）24-0307-01

導(dǎo)航雷達(dá)主要用于船舶航行時觀測海上目標(biāo)、測量觀測物的距離，是船舶安全航行、狹水道引航、進(jìn)出港口及夜間航行時不可或缺的設(shè)備。

船舶導(dǎo)航雷達(dá)需要長期在潮濕、海雜波和電磁干擾的環(huán)境中使用，這就對船舶導(dǎo)航雷達(dá)提出了更高的技術(shù)要求。如抗海雜波能力、高可靠性、電磁兼容性和多功能化等。

1 船舶導(dǎo)航雷達(dá)的發(fā)展

1.1 發(fā)展情況

1904年德國人Chrisian Hulsmeyer申請了單站脈沖雷達(dá)專利，為導(dǎo)航雷達(dá)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。19世紀(jì)40年代出現(xiàn)了第一款商業(yè)導(dǎo)航雷達(dá)；1974年海洋安全國際會規(guī)定商船必須安裝雷達(dá)，防止船舶航行碰撞；1977年美國海岸警衛(wèi)隊明確規(guī)定，要求所有進(jìn)入美國水域的船只必須要安裝避碰功能的導(dǎo)航設(shè)備；從而推動了導(dǎo)航雷達(dá)的迅速發(fā)展。

然而，雷達(dá)的成本與性價比決定了雷達(dá)的技術(shù)含量，民用船舶安裝的導(dǎo)航雷達(dá)考慮性價比因素，導(dǎo)致功能單一，技術(shù)含量低、新技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展緩慢。直至19世紀(jì)80年代，軍事雷達(dá)技術(shù)發(fā)展尤為迅速，出現(xiàn)了脈沖多普勒、相控陣、合成孔徑成像、超視距探測技術(shù)等。該階段軍事雷達(dá)和民用雷達(dá)的差距越來越大，民用雷達(dá)除隙縫波導(dǎo)陣列天線、固態(tài)功放、連續(xù)波等技術(shù)，其余技術(shù)發(fā)展緩慢。至今，國際上的主流導(dǎo)航雷達(dá)仍然是磁控管導(dǎo)航雷達(dá)，甚至連數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用也與預(yù)期存在一定差距，這與成本有著不可分離的關(guān)系。

1.2 發(fā)展趨勢

導(dǎo)航雷達(dá)技術(shù)會逐漸朝向動態(tài)目標(biāo)檢測、中頻采樣、維向距離方向發(fā)展，這些技術(shù)在近期內(nèi)即可推廣應(yīng)用。受裝船條件以及成本的限制，新體制雷達(dá)近期內(nèi)不大可能廣泛應(yīng)用；隨著微電子技術(shù)和微波集成電路的進(jìn)步，船用導(dǎo)航雷達(dá)將繼續(xù)往標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方向發(fā)展；而從自動化技術(shù)和智能化技術(shù)角度出發(fā)，人工智能作為各行業(yè)未來的發(fā)展趨勢，也會逐步應(yīng)用到船舶導(dǎo)航雷達(dá)中，結(jié)合新型雷達(dá)控制中央系統(tǒng)和傳感器、控制器、信息接收器，從而實現(xiàn)無人駕駛形態(tài)或者遠(yuǎn)程操控形態(tài)。

2 新技術(shù)

2.1 體 制

船舶導(dǎo)航雷達(dá)出現(xiàn)后一直使用單載頻非相參脈沖、方位機(jī)械掃描體制，該體制的雷達(dá)限制了新型天線、固態(tài)發(fā)射機(jī)等新設(shè)備的應(yīng)用；在性能指標(biāo)增長上趨于飽和，發(fā)展已近極限；目前脈沖壓縮技術(shù)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)已開始應(yīng)用，脈沖多普勒體制、脈沖壓縮體制、相控陣體制、合成孔徑體制、超視距體制技術(shù)已發(fā)展成熟；正在發(fā)展中的動目標(biāo)探測體制、諧波雷達(dá)體制、無源探測體制、激光體制等都可能成為未來船舶導(dǎo)航雷達(dá)選用的對象，單獨(dú)使用任何一種體制都有缺陷，最大可能采用結(jié)合幾個體制構(gòu)成功能完善的綜合體制。

2.2 天 線

現(xiàn)今，導(dǎo)航雷達(dá)天線主要采用基于磁控管系統(tǒng)的隙縫波導(dǎo)天線，該天線主瓣窄、副瓣電平低、體積小、重量輕、易安裝，并可在一個天線上實現(xiàn)多種極化方式，技術(shù)成熟。但是，隙縫波導(dǎo)天線不能兼顧方位分辨率和距離分辨率；其角一頻率特性也限制了對信號體制的選擇，不適于普通脈沖體制之外的其他信號體制；其結(jié)構(gòu)也不易實現(xiàn)水平極化、垂直極化、固極化的電子切換，難以實現(xiàn)對雜波干擾及同頻段的有源干擾所具有的極化分集。

天線技術(shù)的發(fā)展趨勢是寬頻帶、高增益、多波束、低副瓣、多功能化。超低副瓣天線具有較強(qiáng)的抗海雜波能力，可以避免大量海雜波從副瓣進(jìn)入天線的可能性。目前，用于抑制雜波的自適應(yīng)波束形成技術(shù)已日趨成熟，正在發(fā)展中的線性陣列天線可以有效解決有源干擾，同時可以實現(xiàn)水平-垂直-固極化三種極化形式的轉(zhuǎn)換，被認(rèn)為可以取代傳統(tǒng)的隙縫波導(dǎo)天線。

2.3 算法和軟件應(yīng)用

硬件本身單獨(dú)對系統(tǒng)性能的改善較弱，它必須借助算法和軟件應(yīng)用層面上的增強(qiáng)，才能使系統(tǒng)達(dá)到所要求的性能。國際中提出了多種先進(jìn)的雜波和抗干擾算法，包括波束銳化算法、跟蹤算法等。這些新算法會在信號處理層面上發(fā)揮著極大的作用，提高雷達(dá)對小目標(biāo)的檢測能力和距離分辨率。針對大型船舶需要配備多頻段雷達(dá)、多傳感器的方法，將探測到的目標(biāo)信息通過中央計算機(jī)進(jìn)行整合，從而緩解惡劣條件下的感知能力下降問題，從而提高船舶附近的安全監(jiān)控能力。

2.4 信息融合與組合導(dǎo)航技術(shù)

在現(xiàn)代船舶中，自動識別（AIS）、全球定位（GPS或北斗）、電子海圖（ECDIS）等應(yīng)用十分廣泛。自動識別是通過船舶交通管理系統(tǒng)獲取船舶信息，所獲得的目標(biāo)位置信息完全獨(dú)立于雷達(dá)，并且不會受到大型船舶或島嶼的干擾。GPS與“北斗”可以判定船舶的位置信息，同時也能夠得出精準(zhǔn)的航向數(shù)據(jù)。電子海圖可以對島嶼、淺灘、海底障礙等信息進(jìn)行偵查，信息具備一定的時效性因素。美國、歐盟、日本等國家最先實現(xiàn)上述多個技術(shù)的融合，我國在近些年也推出了全方位的組合導(dǎo)航雷達(dá)，可以在雷達(dá)終端上顯示相關(guān)信息，，也能夠能實現(xiàn)實現(xiàn)信息融合，優(yōu)勢互補(bǔ)，隨時顯示船舶周圍的動態(tài)與靜態(tài)信息，提高雷達(dá)在復(fù)雜環(huán)境中的信息捕獲能力和使用可靠性。雷達(dá)與AIS、GPS、ECDIS以及快速發(fā)展的人工智能系統(tǒng)有機(jī)的組合，構(gòu)成了功能更完善、使用更方便的船舶綜合信息系統(tǒng)，是現(xiàn)今發(fā)展的主流。

3 結(jié)束語

國外船舶導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)展早，技術(shù)已較為成熟，國內(nèi)船舶導(dǎo)航雷達(dá)的研制起步晚，仍存在雷達(dá)分辨率低、探測能力弱、效率低下等問題。未來，結(jié)合新硬件技術(shù)和人工智能軟件技術(shù)，無人化操控勢必會成為船舶導(dǎo)航雷達(dá)領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢。這方面，英國一直走在前面，國內(nèi)導(dǎo)航雷達(dá)產(chǎn)業(yè)必須改變低水平引進(jìn)仿制、價格戰(zhàn)等惡性競爭；隨著全球航運(yùn)業(yè)快速發(fā)展給導(dǎo)航雷達(dá)領(lǐng)域帶來的市場行情和技術(shù)革新機(jī)會，趕上世界先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)

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[3]John N.Briggs.航海雷達(dá)目標(biāo)檢測[M].大連：大連海事大學(xué)出版.

收稿日期：2018-7-20

作者簡介：徐晶晶（1985-），男，漢族，上海人，工程師，大學(xué)本科。