海洋氣候環(huán)境對(duì)雷達(dá)波導(dǎo)的影響分析

王萌鑫，王 同

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

我國幅員遼闊，海岸線長達(dá)3.2萬公里，其中大陸海岸線1.8萬公里，島嶼海岸線1.4萬公里。有近300萬平方公里的管轄海域，橫跨熱帶、亞熱帶和溫帶。共有大、小島嶼5 000多座，安裝在海岸線及部分島嶼上的各種雷達(dá)不計(jì)其數(shù)。在雷達(dá)初始定型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮海洋氣候的特征，避免雷達(dá)在海洋大氣環(huán)境中工作時(shí)出現(xiàn)各種問題。

1 我國海洋氣候特點(diǎn)

我國領(lǐng)土南北跨越緯度近50度，海洋由北向南依次是渤海、黃海、東海、南海。筆者選取具有代表性的3個(gè)地點(diǎn)：青島、舟山、西沙，舉例說明北部、東部及南部海域的溫度、濕度條件。3個(gè)地點(diǎn)的主要單項(xiàng)氣象指標(biāo)如表1所示，3個(gè)地點(diǎn)2019年夏季溫度指標(biāo)如表2所示。

表1 青島、舟山、西沙的年平均溫濕度指標(biāo)

表2 青島、舟山、西沙2019年夏季溫度指標(biāo)

可以看到，沿海地區(qū)及海上島嶼常年空氣相對(duì)濕度在80%左右，夏季時(shí)最高氣溫均在30 ℃以上[1]。

2 雷達(dá)信號(hào)發(fā)射通道構(gòu)成

以單脈沖雷達(dá)為例，雷達(dá)信號(hào)發(fā)射通道由電源系統(tǒng)、定時(shí)器、頻率合成器、發(fā)射機(jī)、發(fā)射波導(dǎo)、收發(fā)開關(guān)、天線等組成，如圖1所示。

圖1 單脈沖雷達(dá)信號(hào)發(fā)射流程

定時(shí)器提供發(fā)射機(jī)工作所需的觸發(fā)脈沖信號(hào)，頻率合成器為發(fā)射機(jī)提供射頻激勵(lì)信號(hào)，發(fā)射機(jī)將射頻激勵(lì)信號(hào)放大后產(chǎn)生大功率的發(fā)射信號(hào)，由發(fā)射波導(dǎo)、收發(fā)開關(guān)及天線輻射到外部空間。雷達(dá)發(fā)射通道如果出現(xiàn)故障，將會(huì)使雷達(dá)出現(xiàn)作用距離降低、抗干擾性能下降等問題[2]。

3 露點(diǎn)溫度

露點(diǎn)溫度，指在一定的空氣壓力下，逐漸降低空氣的溫度，當(dāng)空氣中所含水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始凝結(jié)形成水滴時(shí)的溫度就是該空氣在空氣壓力下的露點(diǎn)溫度[3]。當(dāng)環(huán)境溫度降至露點(diǎn)溫度以下，濕空氣中便開始有水滴析出，稱為結(jié)露。露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度對(duì)照關(guān)系表如表3所示。

表3 露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度對(duì)照

4 岸基雷達(dá)的安裝方式及結(jié)露危害

4.1 安裝方式

安裝于海岸線或島嶼的雷達(dá)一般有兩種安裝方式，即全室內(nèi)一體式和分體式。當(dāng)雷達(dá)采取全室內(nèi)一體式安裝方式時(shí)，雷達(dá)發(fā)射波導(dǎo)與發(fā)射機(jī)、收發(fā)開關(guān)及天線位于同一溫濕度環(huán)境下，發(fā)射波導(dǎo)內(nèi)部空氣不會(huì)處于溫度冷熱交替狀態(tài)。當(dāng)雷達(dá)采用分體式安裝方式時(shí)，雷達(dá)發(fā)射機(jī)和天線分別處于室內(nèi)和室外，連接發(fā)射機(jī)和天線的雷達(dá)發(fā)射波導(dǎo)穿墻而出，整個(gè)波導(dǎo)將處于兩種溫度環(huán)境下。雷達(dá)分體式安裝示意如圖2所示。

圖2 雷達(dá)分體式安裝波導(dǎo)示意

分體式安裝的雷達(dá)，機(jī)房內(nèi)一般會(huì)裝有空調(diào)用于雷達(dá)機(jī)柜的降溫除濕。當(dāng)室內(nèi)空調(diào)設(shè)置為制冷、溫度26 ℃時(shí)，由于波導(dǎo)一般為金屬材料，導(dǎo)熱系數(shù)較大，波導(dǎo)溫度會(huì)降到21 ℃左右（實(shí)測值）。在夏季室外溫度在30 ℃，陽光直射波導(dǎo)時(shí)，室外波導(dǎo)溫度會(huì)達(dá)到45 ℃（實(shí)測值）左右。室內(nèi)與室外波導(dǎo)分別處于兩個(gè)溫度條件，發(fā)射波導(dǎo)內(nèi)部空氣會(huì)產(chǎn)生冷熱交替的現(xiàn)象。

沿海城市及島嶼常年空氣相對(duì)濕度在80%左右，夏季氣溫在30 ℃以上。通過查詢露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度對(duì)照表，當(dāng)室外波導(dǎo)內(nèi)部溫度為30 ℃（非陽光直射），相對(duì)濕度為80%時(shí)，露點(diǎn)溫度為26.17℃，高于室內(nèi)波導(dǎo)溫度21 ℃。當(dāng)室外波導(dǎo)內(nèi)部溫度為45 ℃（陽光直射），相對(duì)濕度為80%時(shí)，露點(diǎn)溫度為40.73 ℃，遠(yuǎn)高于室內(nèi)波導(dǎo)溫度21 ℃。以上兩種狀態(tài)下波導(dǎo)內(nèi)部空氣中的水蒸氣均處于結(jié)露狀態(tài)，長時(shí)間將積累較多的冷凝水在波導(dǎo)內(nèi)部。

在室外相對(duì)濕度為80%時(shí)，若要波導(dǎo)內(nèi)部空氣中的水蒸氣不結(jié)露，露點(diǎn)溫度須降到21 ℃（室內(nèi)波導(dǎo)溫度）以下，通過查詢露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度對(duì)照表可知，此時(shí)需要外部波導(dǎo)溫度為25 ℃以下。北部及東部海域的冬春兩季氣象條件可以滿足此條件，但在南部海域全年很難滿足25 ℃以下的溫度條件。在南部海域采用分體式安裝方式的雷達(dá)，發(fā)射波導(dǎo)將常年處于內(nèi)部結(jié)露的狀態(tài)。

4.2 波導(dǎo)內(nèi)部結(jié)露的危害

在波導(dǎo)內(nèi)部空氣冷熱交替的過程中，空氣中的水蒸氣不斷析出在波導(dǎo)內(nèi)部，波導(dǎo)經(jīng)過長時(shí)間的放置后，內(nèi)部冷凝水將積累較多，嚴(yán)重影響電磁波在波導(dǎo)內(nèi)部的傳導(dǎo)。雷達(dá)發(fā)射機(jī)大功率發(fā)射信號(hào)無法由天線輻射到外部空間，使得雷達(dá)作用距離降低，無法正常搜索或跟蹤目標(biāo)。同時(shí)，由于沿海地區(qū)空氣中鹽霧較大，波導(dǎo)內(nèi)部冷凝水與鹽霧混合后將在波導(dǎo)內(nèi)部金屬上形成電解質(zhì)溶液，導(dǎo)致波導(dǎo)內(nèi)部金屬腐蝕，可能引發(fā)打火等問題。冷凝水積累到一定程度后，可能倒灌進(jìn)入雷達(dá)發(fā)射機(jī)，引起發(fā)射機(jī)內(nèi)部精密電子器件的故障。

5 預(yù)防波導(dǎo)內(nèi)部結(jié)露的措施

（1）在初始安裝方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場安裝環(huán)境，盡量選用全室內(nèi)一體式安裝方式，使發(fā)射波導(dǎo)處于恒溫恒濕的環(huán)境條件，避免處于兩種溫度環(huán)境。

（2）若必須采用分體式安裝方式，應(yīng)在室內(nèi)波導(dǎo)穿墻處加裝隔熱材料，改變空調(diào)室內(nèi)機(jī)出風(fēng)方向，避免冷風(fēng)直吹導(dǎo)致的波導(dǎo)溫度過低。室外波導(dǎo)加裝隔熱材料，避免陽光直射波導(dǎo)導(dǎo)致溫度過高。

（3）在穿墻波導(dǎo)處加裝波導(dǎo)干燥機(jī)，將干燥空氣吹入波導(dǎo)，降低波導(dǎo)內(nèi)部空氣相對(duì)濕度，以降低露點(diǎn)溫度，避免冷凝水的出現(xiàn)。此方案已在部分雷達(dá)上進(jìn)行工程實(shí)踐，效果良好，在長時(shí)間的工作中未出現(xiàn)波導(dǎo)內(nèi)部結(jié)露現(xiàn)象。

6 結(jié)語

雷達(dá)發(fā)射波導(dǎo)對(duì)雷達(dá)整體性能的重要性不言而喻，本文針對(duì)海洋氣候環(huán)境，分析了安裝于海岸線及島嶼的雷達(dá)發(fā)射波導(dǎo)內(nèi)部出現(xiàn)冷凝水的條件，提出在工程實(shí)踐中必須采取措施避免波導(dǎo)內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的借鑒意義。