影響船用固態(tài)雷達應(yīng)用的因素

中國船級社 李超 賈建雄

船用雷達是一種非常重要的通信導(dǎo)航設(shè)備，其應(yīng)能顯示相對于本船的其他水上船只、礙航物、浮標、海岸線和航標的位置，借以助航和避碰，與船舶的安全息息相關(guān)。隨著雷達固態(tài)發(fā)射機技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外越來越多的雷達企業(yè)研發(fā)船用固態(tài)導(dǎo)航雷達。但因為公約、國內(nèi)法規(guī)對雷達探測雷達應(yīng)答器的性能要求限制及固態(tài)雷達的特點，影響著船用固態(tài)雷達的廣泛應(yīng)用。

船用固態(tài)雷達與常規(guī)船用導(dǎo)航雷達區(qū)別

1、發(fā)射機制不同

常規(guī)船用導(dǎo)航雷達的發(fā)射機采用的是真空式的微波功率放大器件，其利用磁控管發(fā)射高功率的射頻脈沖信號，經(jīng)天線進行輻射，接收反射回來的回波脈沖，再通過低噪聲放大、混頻、中頻放大、信號處理等來識別目標的大小與方位距離。

船用固態(tài)雷達的發(fā)射機采用的是固態(tài)形式的微波功率放大器件，其產(chǎn)生中頻信號，經(jīng)混頻器變頻至X波段，再通過固態(tài)發(fā)射機，經(jīng)天線進行輻射。雷達固態(tài)發(fā)射機(見下圖)發(fā)射三個脈沖，分別為短脈沖、中脈沖、長脈沖。其中短脈沖保證最小作用距離，而中長脈沖保證遠距離目標探測。

2、發(fā)射功率不同

發(fā)射機制不同造成了兩種雷達發(fā)射功率的區(qū)別。常規(guī)船用雷達的發(fā)射功率一般在千瓦級。其采用脈沖變壓器，用于把500V預(yù)調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換成8000V的高壓脈沖，控制磁控管，產(chǎn)生25kW射頻脈沖。

而船用固態(tài)雷達采用了低功率射頻脈沖的設(shè)計，雷達的發(fā)射機送入天線的峰值功率僅為200W左右。

3、決定距離分辨力的要素不同

依據(jù)常規(guī)雷達的相關(guān)公式：目標距離分辨力公式: △R=cτ/2,其中C為光速，是常量，τ為脈沖寬度。雷達檢測性能公式：Pa=Pt*τ/PRI, Pt為峰值功率，PRI為主脈沖間隔。

由上可知，在Pt峰值功率一定的情況下，降低脈沖寬度τ可以提高距離分辨力。提高脈沖寬度可以提高雷達檢測性能。對于常規(guī)雷達，距離分辨力和雷達檢測性能這兩組性能指標無法同時提高。

常規(guī)雷達是脈沖寬度決定距離分辨力，而采用脈沖壓縮技術(shù)的固態(tài)雷達是信號帶寬決定距離分辨力。脈沖壓縮處理可以在寬發(fā)射脈沖下獲得高的距離分辨力。因此船用固態(tài)雷達可同時獲得高距離分辨力和很好的雷達檢測性能，解決了上述矛盾。

船用固態(tài)雷達的主要特點

1、高可靠性，長壽命

圖 新型雷達固態(tài)發(fā)射機

常規(guī)雷達由于高壓操作，磁控管的使用壽命就受到了影響。通常進口磁控管一般工作壽命為5000小時，國產(chǎn)磁控管最多工作1000小時。而固態(tài)發(fā)射器件由于低壓操作，沒有壽命限制，一般無須更換，設(shè)備可靠性明顯提高，可獲得更好的平均故障間隔時間(MTBF)，維護成本大幅度降低。

2、固態(tài)發(fā)射器件具有小型化，模塊化，固態(tài)化，集成化，重量輕的優(yōu)點。

3、固態(tài)雷達帶寬高，發(fā)射功率低。

4、固態(tài)雷達器件成本高。

5、固態(tài)雷達無需預(yù)熱和調(diào)諧。

固態(tài)雷達開機不再需要進行預(yù)熱可立即投入工作，使用中不再需要進行調(diào)諧。由于磁控管的高頻振蕩頻率不夠穩(wěn)定，在使用中需要進行調(diào)諧，以保證雷達圖像的清晰飽滿，對于固態(tài)雷達而言，信號頻率的高度穩(wěn)定性使得船舶駕駛員不再需要進行調(diào)諧。

影響船用固態(tài)雷達應(yīng)用的因素

1、探測雷達應(yīng)答器

根據(jù)公約及國內(nèi)法規(guī)要求：（1）國際航行海船用雷達性能標準IMO MSC.192(79)決 議 第5.2.4.2條；（2）國內(nèi)航行海船用雷達性能標準《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（2020）第4篇第5章附錄3，4.3.4條：X波段雷達系統(tǒng)應(yīng)能探測雷達應(yīng)答器和雷達目標放大器。

依據(jù)IMO A.802(19)決議：搜救雷達應(yīng)答器性能標準第2.6條：當符合A.477(X II)決議和第A.222(VII)決議并有高度為15m的天線的導(dǎo)航雷達至少在5海里處詢問時，雷達應(yīng)答器應(yīng)能正確工作。

依據(jù)現(xiàn)行國際航行海船用雷達和國內(nèi)航行海船用雷達對應(yīng)的測試標準，IEC62388第6.6.2.2條：設(shè)備在已知的搜救雷達應(yīng)答器和雷達信號增強設(shè)器附近的開闊海面調(diào)試到正常工作狀態(tài)時，設(shè)備能探測到雷達應(yīng)答器和雷達目標放大器，并符合ITU-R M.628-4 (搜救雷達應(yīng)答器)和 ITU-R M.1176 (雷達信號增強設(shè)施)的要求。

依據(jù)上述ITU-R M.628-4要求，采用滿足IMO MSC.192(79)決議的雷達時，應(yīng)在5海里探測到雷達應(yīng)答器。

綜上分析：5海里探測雷達應(yīng)答器，在雷達和雷達應(yīng)答器性能及測試標準中都有要求。常規(guī)磁控管雷達，因其發(fā)射功率為千瓦級，可以滿足上述要求。但船用固態(tài)雷達通常發(fā)射功率在200W左右，因其發(fā)射功率低，大約僅能在2到3海里探測到雷達應(yīng)答器，無法在5海里探測到雷達應(yīng)答器，不能滿足國際和國內(nèi)航行海船用雷達性能標準。

因《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》（2019）無需配備雷達應(yīng)答器，也沒有雷達5海里探測雷達應(yīng)答器的要求，故內(nèi)河船舶用固態(tài)雷達不會受到相關(guān)要求限制。同時，S波段雷達也沒有探測雷達應(yīng)答器的要求，故S波段固態(tài)雷達同樣沒有受到該要求限制。

為了滿足5海里探測雷達應(yīng)答器的要求，后續(xù)可能會有兩方面的變化：

（1）廠家在技術(shù)上提高固態(tài)雷達發(fā)射功率，從而有可能滿足該要求。但技術(shù)上實現(xiàn)有一定的難度。

（2）為了固態(tài)雷達的發(fā)展，修訂雷達應(yīng)答器和雷達的性能標準，如修訂為2海里探測到雷達應(yīng)答器。

2、固態(tài)器件的價格

因固態(tài)器件價格較高，不具備市場競爭力。常規(guī)X波段船用磁控管雷達價格在幾萬元，其對應(yīng)的船用固態(tài)雷達價格在幾十萬元甚至更高。隨著固態(tài)發(fā)射機技術(shù)的不斷發(fā)展，以及固態(tài)雷達的應(yīng)用和發(fā)展，相信，固態(tài)器件的價格將不斷降低，同時，伴隨著固態(tài)雷達的低維護成本，船用固態(tài)雷達未來將更具市場競爭力。

相信船用固態(tài)雷達將憑借其技術(shù)的優(yōu)勢和特點，通過不斷的應(yīng)用和發(fā)展，有可能會取代磁控管雷達。