航標(biāo)無源型雷達(dá)反射器設(shè)計(jì)研究

霍虎偉 張建軍

摘 要：介紹了無源型雷達(dá)反射器的主要性能指標(biāo)，分析比較了現(xiàn)有不同類型航標(biāo)用雷達(dá)反射裝置實(shí)際使用效果。在此基礎(chǔ)上分析了采用龍伯透鏡反射器（Luneberg Lens Reflector）作為航標(biāo)用雷達(dá)反射裝置的價(jià)值與意義，并展望了其未來趨勢(shì)，對(duì)航標(biāo)運(yùn)行管理具有一定的實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞：航標(biāo) 雷達(dá)反射器 無源型 龍伯透鏡

1.引言

雷達(dá)反射器是一種無源型被動(dòng)裝置，主要用于使射入的雷達(dá)脈沖返回至脈沖源，在雷達(dá)顯示器上顯示回波影像。按照SOLAS公約修正案有關(guān)規(guī)定300總噸及以上全部船舶需配備9GHz雷達(dá)，因此主要的雷達(dá)反射器首要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)、外部干擾環(huán)境探測(cè)及目標(biāo)顯示增強(qiáng)，通常用有效反射截面積表示其工作性能。常用的無源型雷達(dá)反射器主要有角反射器、管式反射器、陣列反射器、龍伯透鏡反射器等，其中龍伯透鏡反射器具有較好的性能指標(biāo)。

2.龍伯透鏡

龍伯透鏡（LunebergLens）由R.K.龍伯于1944年設(shè)計(jì)提出，是一種透過電介質(zhì)將微波集中至焦點(diǎn)的透鏡無線電技術(shù)。通常為球形，將不同方向的雷達(dá)波束匯聚至透鏡預(yù)設(shè)點(diǎn)。理論上透鏡球體外表介電常數(shù)同環(huán)境大氣介電常數(shù)相同，球體中心介電常數(shù)為環(huán)境大氣的2倍。球體從表面到中心材質(zhì)的介電常數(shù)是漸變的，在實(shí)際當(dāng)中，龍伯透鏡天線是由多層不同介電常數(shù)的材料包裹而成的洋蔥狀結(jié)構(gòu)。較多采用聚苯乙烯塑料、發(fā)泡玻璃和多孔材料制成，通過發(fā)泡的容積密度調(diào)整改變介電常數(shù)。具有高空間利用率，高反射效率，寬域角度響應(yīng)，無電磁波干擾，無外接供電，故障率低等特點(diǎn)。

3.航標(biāo)用龍伯透鏡

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

龍伯透鏡反射器廣泛應(yīng)用在飛機(jī)、港口、橋梁、石油平臺(tái)等各類設(shè)施導(dǎo)航與標(biāo)識(shí)，在航海領(lǐng)域特別是航標(biāo)設(shè)置規(guī)劃中也有較多的研究與應(yīng)用。

上世紀(jì)八十年代日本海事機(jī)構(gòu)在千葉港姊崎航道2#浮標(biāo)安裝26英寸龍伯龍伯透鏡反射器，同附近海域安裝有8個(gè)鐵質(zhì)角反射器的1#浮標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試比較，經(jīng)過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)比較得出來以下結(jié)論：（1）遠(yuǎn)距離識(shí)別時(shí)，龍伯透鏡有效雷達(dá)截面積明顯優(yōu)于角反射器；（2）龍伯透鏡在雷達(dá)屏幕穩(wěn)定度方面明顯優(yōu)于角反射器。

我國也較早開展了有關(guān)龍伯透鏡技術(shù)實(shí)踐。1986年在曹妃甸燈樁第四次重建過程中即加裝了四組三構(gòu)型龍伯透鏡，天津港主航道海域活節(jié)式燈樁也安裝有龍伯透鏡進(jìn)行了試驗(yàn)。由于技術(shù)條件限制未能開展參數(shù)量化統(tǒng)計(jì)，且安裝試驗(yàn)時(shí)間較短，最終未獲得相關(guān)結(jié)論。

3.2 方案設(shè)計(jì)

本文主要討論解決替代燈浮標(biāo)角反射器及四季通用燈浮提升雷達(dá)反射截面積的解決方案。以某系列龍伯透鏡反射器技術(shù)參數(shù)作為參考及設(shè)計(jì)，具體見表1。

（1）三面角反射器廣泛應(yīng)用在現(xiàn)有燈浮標(biāo)中，單體三面角反射器波束寬度約為40度，理論上應(yīng)配置9單元構(gòu)成組合體實(shí)現(xiàn)全向反射。實(shí)踐中8單元三面角反射器組合體較多，一般安裝在燈浮標(biāo)護(hù)身圈四周，一定程度上會(huì)限制了航標(biāo)維修作業(yè)空間；由于海上面臨震動(dòng)、垂蕩等多自由度運(yùn)動(dòng)影響常出現(xiàn)脫落情況，一定程度上影響了燈浮標(biāo)雷達(dá)反射截面積顯形效果。

現(xiàn)有燈浮標(biāo)頂標(biāo)為玻璃鋼或聚乙烯材質(zhì)，具有較好的雷達(dá)波透射性，同時(shí)其直徑為450mm-600mm之間可滿足空間要求，因此考量現(xiàn)有燈浮標(biāo)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，擬將龍伯透鏡安裝于頂標(biāo)中空空間之內(nèi)，以盡量減少了對(duì)現(xiàn)有燈浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)改動(dòng)。

（2）北方海區(qū)面臨冬季海冰的特點(diǎn)，需要進(jìn)行季節(jié)性冰區(qū)燈浮標(biāo)的更換工作。較常見的冰區(qū)燈浮標(biāo)分為鋼制、非鋼制兩種。

鋼制冰區(qū)燈浮標(biāo)為梭形，其干舷較低，同常規(guī)燈浮標(biāo)相比雷達(dá)反射截面積較小，在非熟悉航道、轉(zhuǎn)向較多及夜航等情況下尤其要求航海者謹(jǐn)慎瞭望。

較常見的非鋼制冰區(qū)燈浮標(biāo)為四季通用性，有力降低了水上航標(biāo)更換作業(yè)強(qiáng)度，其設(shè)計(jì)干舷高度為2850mm-3180mm，理論雷達(dá)反射截面積最大為8m2，較鋼制冰區(qū)燈浮標(biāo)有一定提升，實(shí)踐中較難達(dá)到8m2理論參數(shù)，距常規(guī)燈浮標(biāo)仍有較大差距。根據(jù)麥克斯韋電磁理論，電磁波照射在導(dǎo)體表面時(shí)，電磁波的交變電場(chǎng)與交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體表面產(chǎn)生感生電磁場(chǎng)，交變的感生電磁場(chǎng)對(duì)外輻射電磁波，即雷達(dá)反射波；而非金屬材料無自由電子無法產(chǎn)生感生電磁場(chǎng)，即無感生電磁波，入射雷達(dá)電磁波可較好穿過。而該型航標(biāo)采用框架式榫卯結(jié)構(gòu)，中部為鋼制框架具有較好雷達(dá)反射效果，其外殼線性低密度聚乙烯及填充料閉水型聚氨酯等非金屬占比較大一定程度上影響了雷達(dá)反射效果。

鋼制冰區(qū)燈浮標(biāo)受內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，可在燈器上部加裝法蘭架安裝，一定程度上會(huì)破壞現(xiàn)有構(gòu)型強(qiáng)度及抗導(dǎo)冰能力；對(duì)非鋼制冰區(qū)四季通用燈浮標(biāo)，擬利用其電池倉、太陽能充電設(shè)備空間加裝龍伯透鏡反射器，外部構(gòu)型保持完整，可對(duì)雷達(dá)波進(jìn)行較好反射放大作用。

（3）對(duì)于固定航標(biāo)而言，一般其結(jié)構(gòu)較為完整，雷達(dá)反射效果較好，可在充分試驗(yàn)龍伯透鏡反射器等雷達(dá)增強(qiáng)設(shè)備基礎(chǔ)上綜合考慮在燈塔、燈樁及導(dǎo)標(biāo)等設(shè)施的安裝可行性。

4.結(jié)語

本文簡(jiǎn)述了主要航標(biāo)用雷達(dá)反射器的性能與指標(biāo)，總結(jié)和分析了無源型龍伯透鏡反射器在航標(biāo)領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為提升新型長效燈浮標(biāo)等雷達(dá)有效反射截面積提供了一種解決方案，其性能優(yōu)越且具有較強(qiáng)的環(huán)境耐受性。隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，龍伯透鏡反射器有望更好地服務(wù)于航海者。

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