船舶导航雷达天线布置设计要点

郝绍瑞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

船用雷达是船舶的重要助航、导航设备，是保持正规暸望、避免船舶间发生碰撞的一种有效手段，尤其是在狭水道路、进出港及夜间、雾天等恶劣气象条件下，更显出雷达的优越性。

雷达观测盲区简称雷达盲区，是雷达波的最小作用距离以内的区域（见图1）。雷达盲区是雷达重要的技术参数，主要取决于雷达的性能和雷达天线的高度及布置位置［1］。盲区的大小直接影响船舶雾航、夜航及狭水道中的航行安全。

图1 雷达最小作用距离

1 船用雷达的种类

1.1 导航雷达的种类

目前船舶上使用的导航雷达按波段可分为X波段（探测信号波长3 cm）导航雷达和S波段（探测信号波长10 cm）导航雷达，按发射功率可分为中型导航雷达（发射功率大于25 kW）和小型导航雷达（发射功率小于10 kW）［2］。

在性能方面，一般从船舶的具体需要出发，对航行于近海或江河的船舶，主要考虑近距离物标的分辨率和图像的清晰度，其有效观测距离只要能达到30～40 n mile就已足够，因此选用波长较短、脉冲宽度较小、水平波束较窄以及近距离盲区较小的雷达。为保证船舶在恶劣海况中航行安全，大型船舶广泛采用双雷达配置方案，即10 cm（S波段）和3 cm（X波段）两部雷达。在正常情况下，使用X波段雷达工作，探测精度高，显示画面清晰，但在恶劣气候海况下，雷达受雨雪干扰大，使用性能较差，而S波段雷达受雨雪干扰较小，抑制海浪干扰能力强。

1.2 无线电导航定位系统

劳兰、台卡、奥米加、卫星导航及全球定位系统等属于无线电导航定位系统，均能测定船位，保证船舶海上航行，只不过其工作方式，作用范围及定位精度不同。为提高定位精度，更准确地按预定的计划航线航行的大型船舶，尤其科考船、布缆船、测量船等对动力定位要求较高的特种船，多采用全球定位系统（Global positioning system，缩写为 GPS），并配备高精度定位的差分GPS，其定位精度可达5 m之内。

2 雷达天线布置设计要点

2.1 导航雷达天线布置设计

在进行导航雷达天线布置设计时，应注意以下事项：

（1）确保雷达具有良好的测距性能。由于雷达的电磁波是直线传播，因此雷达天线越高所能观测到的目标距离就越大，但实际上天线的高度不能无限制地增加。一方面，如果天线的高度过大，近距离“盲区”的范围将要扩大（见图1）；另一方面，天线的高度增大使得波导的长度也随之增加，加大了电磁波传播的损耗。此外，雷达天线加高导致桅主体加高，使得桅在波浪中横摇和纵摇两种情况下产生的摇摆力矩加大，桅体与甲板连接处应力比较集中，这些都是不利的。

（2）确保雷达具有良好的近距离性能，即在天线周围雷达视场没有遮挡。由于艏楼或装载较高的货物（如集装箱等）对雷达波束造成阻挡而产生雷达盲区，如图2所示。

（3）应考虑船舶首尾吃水差对雷达盲区的影响，见图3。

图2 甲板货高度对雷达盲区的影响

图3 船舶首尾吃水差对雷达盲区的影响

（4）避免弧形盲区和假目标。船上桅杆、烟囱、吊杆柱和桅顶横桁等会影响雷达电磁波的传播，产生假目标，雷达布置时应尽可能避免。如果雷达天线前方（船首尾线上）烟囱或起货杆高于雷达天线，在天线无论安装于左侧或右侧都不可避免出现较大死角的情况下，为航行安全，应把雷达天线布置安装在船的右侧。这是因为按照海上避碰规则，船舶的右舷是绿灯，各船均有对右舷航道来船主动避让的责任。因此，看清本船右舷航道的情况相对左舷航道更为重要。

（5）便于维修，特别是要保证天线顶盖可以完全打开，周围还要有足够的维修空间。

（6）波导馈线应尽量短，尽量少用接头、弯波导和扭波导。因此，雷达天线应尽可能安装在收发机上方。

（7）若船舶安装两部雷达，其天线的高度必须有所区别，否则，一部雷达的发射机工作时，功率强大的幅射波将进入另一部雷达的天线，并沿着波导传输到混频晶体而把晶体烧毁。在一般情况下，两部雷达天线如上下排列布置在同一桅杆上，两者的高度差应保持在1 m以上（见图4）；若两部雷达的天线分别布置于桅杆的左右两侧，则二者的高度差应不少于2 m，具体应根据雷达天线说明书提供的雷达电磁波束垂直宽度β（通常为20°以上）作图确定（见图5）。

图4 两部雷达上下排列在同一桅杆上典型布置

图5 两部雷达的天线安装于桅杆的左、右两侧典型布置

同样，还应避免雷达天线主波束落入诸如卫星电视天线等其他天线设备的工作波瓣内。

（8）配备S波段和X波段双雷达时，S波段雷达天线（或功率较大的一台）应高于X波段雷达天线（或功率较小的一台）。

（9）雷达天线收发器的磁控管具有较强的磁场，对磁罗经会产生较大的影响。各种型号雷达的收发器通常会注明安装时距磁罗经的最小安全距离，一般应不小于3 m。

（10）现代船舶对导航、定位等有多方位要求，船上各种天线林立，有的用于发射，有的用于接收，有的兼具发射、接收功能；如果设计不合理，发射天线会有过多的能量耦合到接收天线，导致连接该天线的系统不能正常工作；所以应在有限的空间合理优化天线的布局，解决并改善各雷达、天线的电磁兼容性。

（11）烟囱后面的桅杆应与烟囱间隔一定距离，以防止排烟严重污染桅杆及雷达天线。

2.2 全球定位系统（GPS）布置

在进行全球定位系统（GPS）布置设计时，应注意以下事项：

（1）天线要尽量装得高些，避免周围有障碍物阻挡接收，避免溅到海水。

（2）天线不可过高，避免因船舶的摇晃导致测位精度下降。

这两点看似矛盾，其实是一个综合平衡的问题。

2.3 IMO有关规定

按 IMO《Guidelines for the installation of shipborne radar equipment》［3］，为尽量减少雷达盲区、雷达显示器上的杂波干扰、假目标回波信号，正确布置雷达天线是影响雷达系统性能的重要因素，天线的布置安装应满足以下条件：

（1）雷达天线应安全地远离高功率源设备和其他无线电接收发射天线。

（2）雷达天线的下缘至少应高于栏杆扶手500 mm。

（3）在不同装载纵倾状态下，雷达天线的最小作用距离不大于500 m或2倍船长（取小值），参见图1。

（4）雷达盲区应保持最小，并不应进入自船的正前方到每一舷正横后的22.5°范围内（注：任意两个盲区间小于3°，则应视作一个盲区）。

（5）第（4）条提到的区域之外的范围内，每一单个盲区的角度不能超过5°，所有盲区的总角度不能超过20°。

3 雷达桅的适应性

为保证雷达正常工作，安装雷达天线的桅杆，其高度、结构强度和振动特性应与天线的安装要求相适应。桅杆的布置应注意利用船舶主体结构，固定在主横舱壁、强横梁、纵舱壁、纵桁等较强的结构上。在进行桅杆设计时，通常应对首制船的雷达桅主体结构进行结构强度、结构稳定性和振动特性进行校核计算。

可根据GJB/Z 119-99［4］提供的方法，进行桅杆的强度与刚度分析，也可用有限元法直接计算，计算载荷主要为惯性力、风压力和重力。

首制船还应进行桅的自由振动计算，并应计算桅的纵向、横向以及扭转振动的第一谐调固定频率［5］。桅的纵向、横向以及扭转振动的第一谐调固有频率值应当避开主机和螺旋桨激振频率以及船体固有频率。

进行有限元直接计算时，可采用MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN等软件完成结构计算分析。

4 结 论

综上所述，为保证航行安全，并实现雷达天线系统的高性能、高可靠性和多功能等方面的导航、定位要求，除了不断提高雷达系统自身性能和技术水平外，雷达天线在船上的布置安装起着非常重要的作用。随着科技的发展，现代大、中型船舶尤其是一些特种用途的船舶已成为拥有大量天线和设备的庞然大物，船的上层建筑密密麻麻地安装着各种装置，船舶上的物理空间和电磁场空间都十分拥挤。为保证雷达天线正常工作并尽可能发挥其效能，要求船舶设计师必须进行良好的顶层设计，综合平衡好天线的布局，建立安全可靠的雷达天线安装平台。

［1］ 赵怀森.对雷达盲区的研究［J］.天津航海，2005（3）：3-4.

［2］ 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册：电气分册［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［3］ IMO.Guidelines for the Installation of Shipborne Radar Equipment［S］.SN.1/Circ.271，2008.

［4］ 中华人民共和国国家军用标准，GJB/Z 119-99，水面舰艇结构设计计算方法［S］.2007.

［5］ 中华人民共和国国家军用标准，GJB 4000-2000，舰船通用规范［S］.2000.