船用导航雷达的技术发展及最新应用❋

彭祥龙❋❋

（成都天奥信息科技有限公司，成都611731）

船用导航雷达的技术发展及最新应用❋

彭祥龙❋❋

（成都天奥信息科技有限公司，成都611731）

民用船舶是导航雷达的主要市场，成本与性价比需求决定了船用导航雷达与军用雷达大不相同的发展进程。简述了导航雷达市场行情，技术现状与发展趋势，并介绍了导航雷达在安全监视、生态保护等非导航领域的最新应用。

船用导航雷达；固态发射机；安全监视；生态保护

1 引言

导航雷达安装在各类船舶上，探测船舶载体周围的各类物体，如船只、航标、桥墩、堤岸、浮冰、海岛、冰山、海岸线等，给船员提供直观清晰的目标距离与方位数据，根据需要发出警告信息，规避危险障碍物，防止碰撞事故，保证船舶安全航行或顺利泊锚。

自1904年德国人Chrisian Hulsmeyer申请了单站脉冲雷达专利并推销用于海上舰船防撞以来［1］，船用导航雷达已历经了一个世纪的发展。1946年出现了最早的商业海用雷达；1960年，海洋生命安全国际会议建议使用雷达防止船舶碰撞事故，1974年，该会议规定商船必须装备雷达；1977年，美国海岸警卫队颁布规定，要求所有进入美国水域的船只装备并使用避碰系统，促进了计算机自动雷达标绘仪（ARPA）的迅速发展［2］。

20世纪80年代，军用雷达技术快速发展，人们乐观地认为船用导航雷达技术也会突飞猛进，甚至设想应用脉冲多普勒、相控阵、合成孔径成像、超视距探测等技术体制［3］。30年过去了，船用导航雷达技术与军用雷达技术的差距却越来越大，除了屈指可数的新技术，如波导缝隙阵列天线、固态调制器、数字终端显示、数字信号处理、固态功放、连续波等，其余变化都是小改小革，如组合导航（接入船舶自动识别设备、运行电子海图）、波束锐化、双量程显示等，而非雷达体制上的根本变化。时至今日，无论军用还是民用船舶，仍然大量使用磁控管导航雷达，甚至连数字信号处理技术都未广泛使用。究其原因，民用船舶是导航雷达的主要市场，成本与性价比是首要因素。激烈的市场竞争导致雷达的重心放在了产品的价格而不是新技术应用上，除非有法律条文明确规定，否则那些价格居高不下的技术就一直得不到应用。

最近10年，世界经济、消费电子技术与航运业欣欣向荣，船用导航雷达迎来新的发展机遇。本文简述了导航雷达市场行情，说明了技术现状与发展趋势，并介绍了导航雷达在安全监视、生态保护等非导航领域的最新应用。

2 船用导航雷达的市场

整个船舶市场可分为渔业，航运（货运、客运），游艇，公务（海监、渔政、海关、搜救）与军船5类。渔业和航运是导航雷达最大的用户，公务、远洋货运与军船是导航雷达的高端用户。

根据文献［2］，全球远洋雷达市场每年约25 000套；其他商船、渔船与游艇，仅仅美国与远东地区，S频段（3 GHz）雷达市场约30 000套，X频段（9 GHz）雷达市场约800 000套。

另据中国渔业统计年鉴［5］，2011年全国机动渔船67.25万艘，其中捕捞渔船43.09万艘；据中国航运行业年度报告，截至2009年底，全国拥有内河运输船舶16.48万艘，沿海运输船舶1.001 8万艘，远洋运输船舶2 079艘。目前，国内游艇市场还不成气候，公务船与军用船舶规模约1 000余艘。

根据国际海事组织的规定，海上生命安全公约（SOLAS）涉及的所有船只（超过300吨的船舶）都必须装备9 GHz雷达，大型商船还必须装备3 GHz雷达。实际上，随着经济的发展，吨位很小的各种船舶也都装备了导航雷达。

最初导航雷达由军工单位研制生产。当民用船舶成为导航雷达的主要用户，军用雷达厂商几乎都退出了导航雷达领域。目前国际上知名的导航雷达厂商有英国的Kelvin Hughes、Raymarine，日本无线（JRC）、古野（FURUNO），以及其他欧洲公司（Simrad等）。

庞大的船舶保有量给导航雷达提供了巨大的市场空间，以每年改造新置10%计算，仅国内市场年需求量就达数万套。也因为如此，国内众多的私人作坊与企业纷纷加入导航雷达研发大军，进一步加剧了竞争态势。

3 导航雷达的主流技术

船用导航雷达主要有S（2.9～3.1 GHz）与X（9.3～9.5 GHz）两个频段。S频段射频信号在雨雾中的衰减小，海杂波平均后向散射系数低，恶劣气候与高海况情况下，性能较好；X频段天线尺寸小，角度分辨率高。通常中型以上船舶同时装备X频段与S频段两套雷达，其他船舶只安装X频段雷达。

3.1 雷达体制

船用导航雷达采用实波束成像体制，探测船舶载体周围的环境，船员根据雷达图像选择航道，规避障碍物。具有ARPA功能的雷达，通过存储多帧数据，采用边扫描边跟踪技术，连续自动地计算模拟、绘图、判断，给船员提供信息丰富的现场态势，并根据相关准则自动报警，可适应多船相遇、快速逼近和频繁机动的局面。

根据雷达测量距离的原理，导航雷达分为脉冲与连续波体制；根据发射机形式，分为磁控管与固态发射机；根据天线口径大小，导航雷达可分为盘式与杆式雷达；根据信号处理实现的手段，分为模拟与数字信号处理。

当前市场上的多数产品采用点频脉冲信号形式、磁控管发射机、杆式天线、模拟信号处理。

脉冲雷达发射与接收信号在时间上错开，允许很大的发射功率，目标探测距离远，距离盲区取决于脉冲信号宽度与收发切换时间，相对较大。连续波雷达同时发射和接收，理论上没有距离盲区，距离分辨率可以做得很高。因为收发隔离度的影响，连续波雷达发射功率一般较小，探测距离较近；考虑到结构与成本，天线口径不大，方位分辨率不高。瑞典的Pilot、波兰的CRM以及Lowrance等公司开发的BR24［6］是典型的连续波导航雷达产品。图1为连续波导航雷达与固态脉冲发射机。

图1 连续波导航雷达与固态脉冲发射机Fig.1 Continue-wave navigation radar and solid state pulses transmitter

采用MOSFET开关做调制器的空腔磁控管发射机，效率高，脉冲前后沿陡峭，结构紧凑，价格低廉。磁控管发射机一直是改善导航雷达性能的主要对象，目前其寿命达到3 000 h，输出信号频谱较宽，且频率稳定度较差。

固态发射机在民航与军用雷达领域早已应用多年，但直到最近，英国［7］与日本才先后推出S与X频段固态发射机船用导航雷达。固态功放的好处众所周知：可靠性远高于磁控管，达到50 000 h，产品全寿命周期成本低；纯低压发射，安全性高；带外辐射低，对其他设备影响小，电磁兼容性好；发射机瞬时启停，不需要任何预热时间；采用脉冲压缩信号，可降低射频峰值功率100倍以上；提高距离分辨率的同时，作用距离更远；实现相参信号处理，目标检测能力更强；工作带宽更宽，可实现频率分集抑制海杂波。

3G／4G无线通信应用与宽禁带半导体器件飞速发展，S频段固态功放的价格大幅度跳水。当今，频谱资源越来越紧张，电磁干扰管理越来越严格，人们相信，固态发射机将是磁控管发射机的唯一替代者。

为适应小吨位船舶的安装空间，并降低雷达对抗风能力以及驱动功率的要求，小口径天线雷达通常设计成盘式，天线、信道、信号处理等硬件都安装在罩内，天线罩不旋转。

如图2所示，杆式雷达天线口径较大（X频段大于1.2 mm，S频段大于3 m），波束窄。天线与信道分别装在天线罩与底座内，用旋转关节连接，天线罩与天线一起旋转。

图2 脉冲体制盘式与杆式导航雷达Fig.2 Radome and open array marine pulse navigation radars

20世纪70年代数字技术即开始进入雷达信号处理领域，但直到21世纪才应用于船用导航雷达，这主要得益于移动通信、计算机及其他消费电子产品的大规模生产，降低了A／D、DSP、FPGA以及RAM等数字器件的成本。数字信号处理技术大大提高了导航雷达抑制杂波、目标检测与跟踪的能力。

综合考虑性能与价格因素，每种体制与技术都有自己的最佳应用范围，不可能尽善尽美［8］。表1综合比较了5种导航雷达的应用特点。

表1 船用导航雷达技术体制与应用比较Table 1 Comparison of marine radar technology systems and their applications

3.2 组合导航与信息融合

现代船舶已经普遍装备船舶自动识别设备（AIS）、全球定位设备（GPS），以及电子海图（ECS），相对于雷达的非协作式目标探测，AIS通过船舶交通管理系统（VTS）获得船舶交通信息，是协作式目标信息获取手段。AIS获得的目标位置信息完全独立于雷达，不担心目标被大型船舶或岛屿遮挡。

ECS能显示港口、岛屿、浅滩、航标、海底障碍物等丰富导航信息，但其信息有一定时效性。GPS或“北斗”则能准确定位船舶的地理坐标，并给出一定精度的航向数据。

雷达、AIS、ECS与GPS结合，在雷达显控终端上关联显示，甚至信息融合，优势互补，随时显示船舶载体周围当前的动态或静态目标信息，大大增强了雷达在复杂环境中检测目标的能力，减少了虚警与漏警，提高了目标跟踪能力与避碰能力。

把GPS天线安装在雷达机座上，接收处理模块内置在机座内，可取消雷达的GPS外置接口。至于计程仪、罗经（电罗经或磁罗经），则是APAR雷达必须接入的数据输入源。

3.3 波束锐化

天线波束愈窄，方位分辨率愈高，雷达图像愈清晰。物理波束宽度取决于射频频率和天线口径大小，实际应用中大口径天线受到成本与安装条件的限制，用信号处理方法改善雷达角度分辨力受到越来越多的关注和研究。

谱估计、反卷积［9］以及滤波算法［10］最先用于改善雷达角度分辨力，但其理论基础与实际应用效果还没有定论［1］。

天线波束扫过目标的时候，回波幅度受到波束形状的调制：即波束中心对准目标时，回波幅度大；波束边缘对准目标时，回波幅度小。Torres和Curtis提高方位数据采样率，并用窗函数加权，实现波束锐化，据称可有效改善雷达图像的方位分辨率与距离分辨率［11］，在气象雷达上广泛使用。

提高方位数据率并加权实现波束锐化，可称为目标分离技术，地图测绘应用时，可获得很好的显示效果，但本质上并不能提高雷达分辨两个角度目标的能力［12］。

3.4 显控终端

电视、计算机、移动通信、网络与数字娱乐终端的巨大消费需求，促成了数字存储、传输与显示技术的亲民价格。导航雷达各组成设备中，唯有显控终端能够同步应用最先进的技术。

新上市的导航雷达普遍采用LCD、LED窄边显示器，分辨率高，响应时间快，亮度高，功耗低，并大量应用触摸屏。

新颖美观的显示器配合强劲的图像处理引擎，导航雷达不仅能够显示3D海图，叠加或者分屏显示海图与雷达图像，还可以分屏同时显示、更新远近两个不同量程的雷达图像，在近量程屏幕上设定参数定位飞鸟或航标，在远量程屏幕上导航，大大丰富了船员感知船舶航行信息的能力。

4 导航雷达技术发展趋势

船用导航雷达的技术发展受成本价格主导，应用先进技术克制而缓慢，总体说来，远远落后于同期的军用雷达，虽然也不乏一些亮点技术，如多极化雷达、X／S双频段天线、低剖面的波导缝隙介质天线，但高端的诸如相控阵天线、合成孔径成像等技术基本上很难应用到船用导航雷达领域。

4.1 近期改进

近期的改进仍将围绕数字电路硬件、信号处理算法、信息融合3个方面进行。硬件方面，信号处理与数据处理（ARPA）普遍采用基于A／D、DSP、FPG加RAM的平台架构；显控终端采用高性能低功耗的嵌入式处理平台，高亮、高分辨率与低功耗的LCD、LED显示器，高档设备还要使用图形加速器。显控终端的另一个发展方向是直接选购商货用架产品（COTS），既节省研发费用，还能同步应用最先进的显示与处理技术。

算法与软件方面，各种先进的杂波与干扰抑制算法、恒虚警检测算法、波束锐化算法、跟踪算法将在数字信号处理平台上大展身手，提升雷达目标检测能力，改进雷达图像显示效果。

针对大型船舶，将多部雷达（S／X不同频段，或者船体四周安装的同型雷达）与多种传感器（如摄像机、夜视仪）的探测信息通过以太网传输到中央计算机，进行信息融合处理，改善船舶在恶劣气候条件下感知环境的能力，提高船舶的近区安全监视能力。

4.2 未来发展

凭借高距离分辨率与高可靠性，连续波雷达将逐步夺取盘式脉冲雷达的市场份额；而固态发射机脉冲导航雷达因为相对较高的成本，近期主要争取高端用户。

虽然S频段固态发射机的价格已经很低，但S频段导航雷达仅占整个市场的很小一部分，对技术进步的推动作用较小。

雷达电子战给舰载雷达带来的特殊压力，以及海岸警卫、海上缉私等公务应用，需要导航雷达提供更高的性能；大批各型军用X频段雷达相继服役，有力推动了固态发射机的成本控制。因此，X频段固态功放脉冲多普勒导航雷达有望快速形成规模，如果X频段宽禁带半导体技术迅速成熟，则其发展会更加快速。

除了稳步发展固态发射机、脉冲压缩导航雷达，未来十余年，人们可能更倾向于接受动目标检测、一维距离像、中频采样、单脉冲测量以及稳定波束指向等常规技术。

5 导航雷达新的应用领域

经过数十年的大规模实际使用与改进，当前的船用导航雷达性能已经能够满足多数普通用户的需求，廉价可靠。除了港口交通管理之外，人们还将其扩展用于安全监视、环境与生态保护等新的领域［13－14］。

船用导航雷达经过简单升级，如提高发射功率、扩大天线口径、改善目标跟踪能力、增加输入输出接口等，就可以应用于港口交通管理。因为成本要求相对宽松，大型港口的交通管理也选用先进的相控阵与多极化体制雷达。图3所示为导航雷达用于机场飞鸟监视、风电场飞鸟保护。

图3 导航雷达用于机场飞鸟监视、风电场飞鸟保护Fig.3 Aircraft birdstrike avoidance radar system，wind energy bird＆bat protection radar system，both based on marine navigation radar technology

5.1 安全监视

民用与军用机场、靶场、航天发射中心等要地的空域安全监视任务，过去通常选用昂贵的两坐标、三坐标监视雷达来完成，用于监视擅自闯入的鸟群、无人航空器等，保障飞机、乘客与要地的安全。现在，可以考虑配置两套大口径天线的导航雷达，分别进行水平和垂直扫描，实现三维覆盖：方位360°，俯仰高度从地面到6 000 m，距离12～50 km。若多套雷达组网，可覆盖更大的区域。

同样地，固态发射机脉冲多普勒导航雷达应用于地面监视、海洋／海岸监视领域，充分发挥其窄波束、高速扫描的优势，能够在杂波环境下有效检测小型、低RCS、机动入侵的目标，包括行人、水面游泳者、皮筏等各种小船，作用距离可达16 km。

宽带线性调频连续波雷达距离分辨率高，尺寸小，重量轻，可以组网应用于大型船舶，完整监视船舶周围360°近区水域，防范海盗、敌方特种部队与恐怖分子的袭击。

5.2 环境与生态保护

地球是人类和其他生物的共有家园。人类活动范围越广，对资源的开发越深入，其他生物的活动范围就越受限。当今世界，生态环保、可持续发展的理念深入人心，导航雷达也可以发挥其特长。

各种机场、滨海和陆上的风电场、垃圾填埋场、油气田、各种矿山的尾矿池，是许多动物（特别是飞禽）的生命禁区，尤其是风能发电场。绿色风能饱受诟病的社会生态学缺点就是导致大量的飞鸟死亡，据估计，仅陆地上，每个风轮机每年就可能导致多达60只飞鸟死亡。

鉴于此，发达的欧美国家利用导航雷达检测、跟踪上述禁区附近的各种生物，并收集、研究飞禽的活动信息，保护候鸟、留鸟、猛禽和蝙蝠，降低其死亡率，称为探鸟雷达，其覆盖范围：方位360°，高度4 500 m，距离3～10 km。

将雷达与各种声学、光学等威慑设备、机场或风电场的系统控制设备集成起来，及时发出警告，驱离接近危险的飞鸟，或者降低风轮机转速，甚至暂时关闭风轮机，以保护飞禽，降低死亡率，使生态环境与经济效益之间达到平衡。

6 结束语

计算机、移动通信和网络技术进步神速，对社会生活影响深远，强化了人们对产品利润的技术驱动认识；海洋经济的兴盛繁荣也需要导航雷达技术赶上时代的步伐，因此，船用导航雷达完全有可能由此得到快速发展，在这方面，英国厂商一直走在前面。

与国内其他产业一样，船用导航雷达产业必须改变低水平引进仿制，大打价格战进行恶性竞争的循环怪圈，这既需要生产厂商的自觉自律，也需要国家适当调整相关政策与标准加以引导。

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PENG Xiang-long was born in Bazhong，Sichuan Province，in 1971.He is now a senior engineer.His research concerns radar system.

Email：13648099299＠139.com

Technology Evolution and New Applications of Marine Navigation Radar

PENG Xiang-long
（Chengdu Spaceon Technology Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China）

Civil watercrafts are the main market with which marine navigation radars are concerned.The requirements of low cost and appropriate performances determine that the developing progress of marine radars are entirely different from that of other military radars.In this paper，the market status，present main technology and future tendency of marine radars are reviewed，some latest applications instead of navigation，such as security＆surveillance and protection of ecological environment，are introduced.

marine navigation radar；solid state transmitter；security＆surveillance；protection of ecological environment

date：2013－06－28；Revised date：2013－08－05

❋❋通讯作者：pxiangl＠sohu.comCorresponding author：pxiangl＠sohu.com

TN95

A

1001－893X（2013）09－1247－06

彭祥龙（1971—），男，四川巴中人，高级工程师，主要研究方向为雷达系统。

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.025

2013－06－28；

2013－08－05