船舶導航雷達天線布置設計要點

郝紹瑞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

船用雷達是船舶的重要助航、導航設備，是保持正規暸望、避免船舶間發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，更顯出雷達的優越性。

雷達觀測盲區簡稱雷達盲區，是雷達波的最小作用距離以內的區域（見圖1）。雷達盲區是雷達重要的技術參數，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 導航雷達的種類

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

在性能方面，一般從船舶的具體需要出發，對航行于近海或江河的船舶，主要考慮近距離物標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 無線電導航定位系統

勞蘭、臺卡、奧米加、衛星導航及全球定位系統等屬于無線電導航定位系統，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（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。

2 雷達天線布置設計要點

2.1 導航雷達天線布置設計

在進行導航雷達天線布置設計時，應注意以下事項：

（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”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，雷達天線加高導致桅主體加高，使得桅在波浪中橫搖和縱搖兩種情況下產生的搖擺力矩加大，桅體與甲板連接處應力比較集中，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生雷達盲區，如圖2所示。

（3）應考慮船舶首尾吃水差對雷達盲區的影響，見圖3。

圖2 甲板貨高度對雷達盲區的影響

圖3 船舶首尾吃水差對雷達盲區的影響

（4）避免弧形盲區和假目標。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，產生假目標，雷達布置時應盡可能避免。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或右側都不可避免出現較大死角的情況下，為航行安全，應把雷達天線布置安裝在船的右側。這是因為按照海上避碰規則，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）波導饋線應盡量短，盡量少用接頭、彎波導和扭波導。因此，雷達天線應盡可能安裝在收發機上方。

（7）若船舶安裝兩部雷達，其天線的高度必須有所區別，否則，一部雷達的發射機工作時，功率強大的幅射波將進入另一部雷達的天線，并沿著波導傳輸到混頻晶體而把晶體燒毀。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，則二者的高度差應不少于2 m，具體應根據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、右兩側典型布置

同樣，還應避免雷達天線主波束落入諸如衛星電視天線等其他天線設備的工作波瓣內。

（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）應高于X波段雷達天線（或功率較小的一臺）。

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

（10）現代船舶對導航、定位等有多方位要求，船上各種天線林立，有的用于發射，有的用于接收，有的兼具發射、接收功能；如果設計不合理，發射天線會有過多的能量耦合到接收天線，導致連接該天線的系統不能正常工作；所以應在有限的空間合理優化天線的布局，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（GPS）布置

在進行全球定位系統（GPS）布置設計時，應注意以下事項：

（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有關規定

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

（1）雷達天線應安全地遠離高功率源設備和其他無線電接收發射天線。

（2）雷達天線的下緣至少應高于欄桿扶手500 mm。

（3）在不同裝載縱傾狀態下，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）雷達盲區應保持最小，并不應進入自船的正前方到每一舷正橫后的22.5°范圍內（注：任意兩個盲區間小于3°，則應視作一個盲區）。

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

3 雷達桅的適應性

為保證雷達正常工作，安裝雷達天線的桅桿，其高度、結構強度和振動特性應與天線的安裝要求相適應。桅桿的布置應注意利用船舶主體結構，固定在主橫艙壁、強橫梁、縱艙壁、縱桁等較強的結構上。在進行桅桿設計時，通常應對首制船的雷達桅主體結構進行結構強度、結構穩定性和振動特性進行校核計算。

可根據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、風壓力和重力。

首制船還應進行桅的自由振動計算，并應計算桅的縱向、橫向以及扭轉振動的第一諧調固定頻率［5］。桅的縱向、橫向以及扭轉振動的第一諧調固有頻率值應當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等軟件完成結構計算分析。

4 結 論

綜上所述，為保證航行安全，并實現雷達天線系統的高性能、高可靠性和多功能等方面的導航、定位要求，除了不斷提高雷達系統自身性能和技術水平外，雷達天線在船上的布置安裝起著非常重要的作用。隨著科技的發展，現代大、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揮其效能，要求船舶設計師必須進行良好的頂層設計，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.對雷達盲區的研究［J］.天津航海，2005（3）：3-4.

［2］ 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊：電氣分冊［M］.北京：國防工業出版社，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準，GJB/Z 119-99，水面艦艇結構設計計算方法［S］.2007.

［5］ 中華人民共和國國家軍用標準，GJB 4000-2000，艦船通用規范［S］.2000.