張翼周

(成都天奧信息科技有限公司，成都 611731)

1 引言

自20世紀初以來，雷達伴隨著最初的軍事方面需求，得到了迅速發(fā)展。經(jīng)過近百年的發(fā)展，雷達已經(jīng)演變出了多種多樣的形式，并廣泛應用于航空、航天、航海、勘探、氣象觀測等多個領(lǐng)域。

航海雷達是雷達的主要應用領(lǐng)域之一，民用航海雷達更成為雷達消費市場的主力軍。民用航海雷達主要有兩種應用形式:船載雷達用于避碰、導航;港口、海岸陸基雷達用于預警、航運管理。而人們通常說的民用航海雷達指的是前者，其主要用途是通過提供與本船有關(guān)的其他海面船只、障礙物、海岸線的位置信息來避免碰撞。

在過去較長的一段時期，雷達新體制新技術(shù)的應用主要集中在軍用雷達領(lǐng)域，而在民用航海雷達領(lǐng)域，新技術(shù)的應用則相對進展緩慢。直到21世紀的最初10年，磁控管仍被作為民用航海雷達的基本功率發(fā)射源被大量使用。2004年起，國際海事組織(IMO)開始鼓勵使用相參雷達，以在嚴重的海雜波條件下提高目標探測能力［1］。自此，固態(tài)功放、脈沖壓縮、數(shù)字信號處理等技術(shù)才逐漸向民用航海雷達領(lǐng)域延伸。本文以目前已面市的幾款國外新型雷達為背景，對民用航海雷達新體制應用及關(guān)鍵技術(shù)進行論述，并對航海雷達發(fā)展方向、延伸應用進行介紹。

2 航海雷達概述

根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的要求，民用航海雷達允許的工作頻段是9.3～9.5 GHz(X 頻段)和2.9～3.1 GHz(S頻段)。船載航海雷達通常安裝在船舶中軸線上，置于桅桿的雷達平臺上，通過天線的機械水平旋轉(zhuǎn)掃描的方式來探測目標。

船載雷達的特殊安裝部位決定了它通常工作于海上高溫、低溫、鹽霧等惡劣環(huán)境中，而探測對象容易淹沒于嚴重的雨雪雜波、海雜波中，船舶移動平臺也會對雷達波束造成不利影響。同時，航海雷達對航行安全的重要作用，要求其具備長時間、高可靠工作的能力。

2.1 航海雷達分類

航海雷達以發(fā)射機類型分類，可分為磁控管雷達和固態(tài)雷達。我們通常稱磁控管雷達為傳統(tǒng)雷達，它是長期以來絕大部分民用航海雷達采用的形式，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢。但磁控管雷達有壽命短、無法實現(xiàn)全相參檢測等先天不足，無法適應未來航海雷達發(fā)展的需要;而固態(tài)雷達采用數(shù)字信號產(chǎn)生器及先進的微波功率半導體技術(shù)，可克服磁控管雷達的先天不足，代表了未來航海雷達的發(fā)展方向。有時，人們也按雷達測距原理將航海雷達分為脈沖雷達與連續(xù)波雷達。脈沖雷達以發(fā)射信號與回波的時間差為測距依據(jù)，連續(xù)波雷達則以發(fā)射信號與回波間的差頻為測距依據(jù)。

2.2 航海雷達原理及組成

航海雷達由天線、發(fā)射機、接收機、信號處理器和顯控單元組成。大多數(shù)航海雷達的天線為水平極化，采用波導縫隙陣形式，要求的垂直波束寬度通過一個開口的線性喇叭來獲得。某些低功率發(fā)射的小型航海雷達還可采用印制天線陣形式。

雷達發(fā)射機完成波形產(chǎn)生與功率放大，接收機完成回波信號的接收和下變頻。脈沖雷達的發(fā)射機與接收機分時工作，通過收發(fā)開關(guān)分時復用一副天線。連續(xù)波雷達的發(fā)射機和接收機同時工作，擁有獨立的發(fā)射和接收天線。信號處理器完成信號處理和數(shù)據(jù)處理，并把處理結(jié)果送給顯控單元顯示。

3 航海雷達現(xiàn)狀

當前市場上的主流航海雷達產(chǎn)品仍采用點頻脈沖信號形式、磁控管發(fā)射機、桿式天線。2006年，英國凱文休斯(KelvinHughes)公司生產(chǎn)出了第一臺S頻段固態(tài)發(fā)射機的民用航海雷達系統(tǒng)SharpEyeTM，2008年，該公司又推出了 X 頻段的 SharpEyeTM［2］。2011年，日本JRC公司也推出了其S頻段固態(tài)脈沖導航雷達產(chǎn)品 JMA－9172－SA［3］。同年，挪威 NAVICO 公司推出了其新一代的固態(tài)發(fā)射連續(xù)波雷達產(chǎn)品Broadband 4GTM［4］。2013年，日本古野公司也推出了配備S頻段固態(tài)收發(fā)信機的FAR－3000雷達［5］。新體制在這一系列民用航海雷達的出現(xiàn)，不僅歸功于相關(guān)國際組織的推動，還歸功于微波功率半導體、數(shù)學信號處理芯片等技術(shù)、工藝的成熟和大眾化。

航海雷達工作頻率仍以S頻段和X頻段為主。S頻段射頻信號在雨霧中的衰減小，海雜波平均后向散射系數(shù)低，因此在惡劣氣候與高海況情況下人們更傾向于使用S頻段雷達;X頻段天線尺寸小，角度分辨率高，更適合船只在彼此靠近的情況下進行機動時使用。通常，中型以上船舶會同時裝備X頻段與S頻段雷達，滿足不同場景的應用。小型船舶由于空間限制，則只安裝X頻段雷達。

4 航海雷達新體制應用及發(fā)展方向

新體制在航海雷達上的應用主要體現(xiàn)在固態(tài)功放的使用，以及與之伴隨的中頻數(shù)字化、脈沖壓縮、動目標檢測等技術(shù)的使用。新技術(shù)的使用提高了航海雷達的遠距離探測能力、距離分辨率以及雜波中檢測動目標的能力。KelvinHughes公司給出了傳統(tǒng)雷達與其固態(tài)雷達SharpEyeTM在不同海況下對幾種典型目標的探測性能對比［6］，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)雷達與固態(tài)雷達80%發(fā)現(xiàn)概率的距離Table 1 Range for an 80%detection probability of conventional radar and solid－state radar

由表1可見，X頻段25 kW傳統(tǒng)雷達在平靜海況下，只能在3.3 n mile內(nèi)有效發(fā)現(xiàn)小型船舶，而在5級海況下，根本無法識別這類目標;X頻段200W固態(tài)雷達在平靜海況下，對小型船舶的有效探測距離提 升 到5.9 n mile，而 在 5級 海 況 下，可在4.3 n mile內(nèi)有效發(fā)現(xiàn)這類目標。

4.1 固態(tài)功放的應用

固態(tài)功放能在民用航海雷達上使用得益于微波功率半導體器件的日益成熟。S頻段通常采用硅雙極型晶體管或者LDMOS管，芯片本身成本較低，而且因為單管輸出功率高(可達100W)，功率合成所需要的芯片數(shù)少，因而成本相對較低。在X頻段，目前的功放芯片多采用GaAs材料，單管輸出功率低(通常為20W)［7］，若需要200W的輸出功率，則要通過多管合成，成本較高。在民用領(lǐng)域，只能通過合理選擇相關(guān)指標(如環(huán)境條件、工作頻寬、占空比)，并依靠大批量來降低成本。另外，應用最新GaN技術(shù)，也可以減少芯片數(shù)量，降低成本?！皩捊麕А卑雽w材料的GaN、SiC功率器件擊穿強度高，飽和電子飄移速度快，使得其具有可靠性高、功率密度大、效率高、導熱率大的特點［8］，是制造大功率固態(tài)功放的理想器件。但目前在國內(nèi)使用GaN材料的X頻段大功率功放管還不夠成熟，制造商較少，主要還是依賴進口。圖1為國產(chǎn)X頻段60W固態(tài)功放。

圖1 X頻段60W固態(tài)功放Fig.1 Domestic X－band 60W solid－state power amplifier

固態(tài)雷達在工作原理上與磁控管雷達的區(qū)別，使其較磁控管雷達有明顯的性能優(yōu)勢。固態(tài)功放使用直流低壓供電，減低了人員觸電風險，且設(shè)備可靠性更高;其射頻發(fā)射峰值功率比磁控管雷達可降低100～150倍，射頻輻射更低，電磁兼容性更好，對人員危害小;固態(tài)雷達還可以避免磁控管固有的開機預熱時間，實現(xiàn)開機即用［9］。

數(shù)字信號產(chǎn)生器、固態(tài)功放和數(shù)字控制芯片的應用，使雷達發(fā)射脈沖的時間和頻率控制變得靈活方便。我們可以在一次工作周期發(fā)射一串組合脈沖，來同時滿足近、中、遠距離的探測需要。

根據(jù)不同量程，合理選擇脈沖數(shù)、脈沖長度、回波采集起止時間等參數(shù)，便可以得到令人滿意的近距盲區(qū)和距離分辨率指標。通常，在中遠量程，多選擇三脈沖的組合，中、長脈沖滿足遠距離目標探測需要，短脈沖起到補盲作用。

X頻段SharpEyeTM雷達采用固態(tài)功放發(fā)射，工作頻率9.2～9.5 GHz，峰值發(fā)射功率典型值達200W，最大占空比13%，功放工作電壓15 V，可靠性時間大于50000h。它采用3脈沖框架發(fā)射，遠量程的近距盲區(qū)僅30m［10］。以上指標較傳統(tǒng)磁控管雷達有明顯優(yōu)勢。

4.2 脈沖壓縮技術(shù)

脈沖壓縮技術(shù)與固態(tài)發(fā)射技術(shù)是密不可分的。固態(tài)功放的發(fā)射功率很難達到千瓦級的水平，但可通過寬脈沖發(fā)射來提高平均功率，以保證足夠的最大作用距離。但寬的點頻脈沖會減低信號帶寬，使雷達距離分辨率變差。為解決這一矛盾，脈沖壓縮技術(shù)應運而生。它通過在接收端加入脈沖壓縮網(wǎng)絡來獲得窄脈沖，以提高距離分辨率。

脈沖壓縮技術(shù)要求發(fā)射脈沖應具備非線性的相位譜，即脈沖時寬與頻譜寬度乘積遠大于1。在民用航海雷達上，多采用線性頻率調(diào)制的長脈沖。在接收端的脈沖壓縮網(wǎng)絡需具備與發(fā)射信號“相位共軛匹配”的相頻特性，即相位色散絕對值相同而符號相反，以消除輸入回波信號的相位色散［11］。

X頻段SharpEyeTM雷達，按照其典型發(fā)射功率和占空比工作，再結(jié)合接收端1000∶1的脈沖壓縮比，可得到200kW的等效峰值發(fā)射功率。

4.3 中頻數(shù)字化及數(shù)字信號處理

中頻數(shù)字化接收能夠大幅度改善I/Q信號幅度一致性與相位正交性，提高鏡頻抑制比，改善目標檢測性能。窄帶中頻數(shù)字采樣要求采樣信號頻率與輸入中頻頻率的關(guān)系為fIF=(2n+1)fs/4，且fs≥2Bs，其中fIF為中頻頻率，fs為采樣頻率，Bs為中頻信號帶寬。

數(shù)字信號處理能夠大大提高雷達信號處理的動態(tài)范圍，減小模擬處理電路的元器件參數(shù)離散性影響，通過軟件程序靈活實現(xiàn)多種先進信號處理算法，升級方便。數(shù)字信號處理技術(shù)在現(xiàn)代軍用雷達中早已得到廣泛應用，由于多方面的因素，在導航雷達中的應用才剛剛起步。

4.4 海雜波抑制

海面回波大小的影響因素包括環(huán)境(風向、風速、浪高、持續(xù)時間、漲潮、污染)與雷達參數(shù)(頻率、極化、入射角、波束寬度、脈寬)，正是這些復雜的因素，導致海雜波隨時隨地變化。多年來，為了提高海雜波中檢測弱小目標的概率，專家、學者提出了大量的海雜波模型。雖然海雜波形成機制還未有定論，雜波模型也遠未達到普適要求，但相對比較認可的海雜波模型有3種:對數(shù)正態(tài)、韋伯爾與K分布。理論的雜波模型通常不適合用于優(yōu)化。針對某個特定地區(qū)海情進行的優(yōu)化可能對其他地區(qū)不是最理想的解決方案，因此，要設(shè)計一款全球有效的產(chǎn)品，需要使用許多地區(qū)的海雜波數(shù)據(jù)。優(yōu)化雷達在海雜波下目標檢測性能的傳統(tǒng)方法是仔細調(diào)整探測門限和調(diào)整靈敏度時間控制 (STC)形狀。STC基本的用途是除去接收信號與距離有關(guān)的動態(tài)范圍。普遍的原則是:在近距離，STC遵循R－4法則，在海雜波很嚴重的區(qū)域，轉(zhuǎn)至R－3法則。法則轉(zhuǎn)換的距離由天線安裝高度和手動海雜波控制參數(shù)共同決定。具體的STC曲線形狀和手動控制的效果是基于不同制造的實際經(jīng)驗。即使是在手動控制之下，STC曲線的詳細形狀內(nèi)可能有一個復雜的適應元素來在更大的范圍內(nèi)優(yōu)化門限。

盡管STC有助于把門限設(shè)置到合適的水平，但是它不能消除海雜波中的尖峰成分，從而影響目標檢測效果。然而，在一個航海雷達典型的天線掃描時間(2～3 s)內(nèi)，尖峰信號通常是不相關(guān)的，而目標回波通常是相關(guān)的。因此，掃描間積累可以提高目標雜波比，是最簡單有效的抑制海雜波方法。

4.5 動目標檢測與跟蹤

當雷達與目標之間存在相對徑向速度時，雷達發(fā)射的信號被具有徑向速度的目標反射，使目標回波信號的載頻相對于雷達發(fā)射載頻發(fā)生了偏移，即產(chǎn)生了多普勒效應。多普勒頻移fd=－2V/λ，其中V為雷達與目標間相對徑向速度，λ為雷達載波波長。通過對多普勒頻移的檢測、分析，在感興趣的多普勒頻帶外抑制雜波而對感興趣的多普勒頻帶內(nèi)的目標進行分辨和增強，從而達到抑制雜波，區(qū)分動靜目標，測量動目標的徑向速度的目的［12］。

由于船載雷達處于移動平臺的特殊環(huán)境，船舶自身的移動會使雷達給出完全錯誤的速度信息。這時，它需要從外部傳感器獲得當前船舶航速、航向等信息來動態(tài)補償計算，修正這種錯誤。

船員往往會對逼近本船的動目標感興趣。盡早獲得這類目標的航速、航向信息，對航行安全有重要意義，這就需要對目標進行跟蹤。IMO的標準要求:對于小于500gt的船舶，雷達目標跟蹤能力的基本要求是最小20個目標;500～10000gt的船舶要求是30個目標;10000gt以上的船舶要求是40個目標。實際系統(tǒng)大都超過了這些最低的要求。

4.6 數(shù)據(jù)融合

一部船載雷達可能會接收來自很多導航設(shè)備的數(shù)據(jù)，例如 AIS、GPS、羅盤、計程儀、回聲探測儀，也可能與電子海圖系統(tǒng)或者其他雷達顯示器交流跟蹤信息，這些數(shù)據(jù)交換都應該遵循IEC61162的規(guī)定。2008年的IMO標準，對舊標準一個較大的改動就是所有的新雷達必須能夠顯示自動識別系統(tǒng)(AIS)目標，雷達顯示器應可以存取這些目標的相關(guān)信息。IMO標準中還包含了把電子海圖數(shù)據(jù)集成到雷達圖像背景上的要求。配有這個選配設(shè)備的雷達被稱為海圖雷達。目前部分雷達產(chǎn)品已經(jīng)具備這些功能，如圖2～3所示。圖2是日本古野公司FAR2117型脈沖雷達在珠江某航段的雷達與AIS綜合顯示圖像，圖3是天奧科技公司SPCR－20型連續(xù)波雷達在長江江津大橋附近的雷達與電子海圖綜合顯示圖像。

圖2 雷達與AIS綜合顯示Fig.2 Comprehensive display of radar and AIS

圖3 雷達與電子海圖綜合顯示Fig.3 Comprehensive display of radar and ECS

AIS通過自組織時分多址 (SOTDMA)通信協(xié)議的廣播系統(tǒng)交換信息。由于其較低的工作頻率，AIS在非視線狀況下有較好的能力，如果目標船舶上有航行數(shù)據(jù)變化，AIS能迅速地報告目標在航向或路線上的變化。AIS不受海雜波的影響，如果結(jié)合GNSS位置數(shù)據(jù)，它能準確地報告船舶絕對位置。AIS提供了避免與合作目標相撞的可能，但是不能假定所有的船舶都裝備了AIS，或者目標船只的AIS是正常工作的。雷達探測目標，可以不依賴目標船舶的無線發(fā)射信號，還可以探測船舶以外的目標，但雷達的工作易受海雜波等海上環(huán)境影響，也不能報告目標船的具體身份信息。由于雷達與AIS的這種互補性，將兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合起來對于航海安全來說是非常有益的。

現(xiàn)代視頻顯示和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的能力以及大眾化的價格，使得我們有較大的靈活度向用戶呈現(xiàn)盡可能豐富的信息。用矢量化電子圖表數(shù)據(jù)作雷達圖像底圖已經(jīng)變得越來越普遍。電子海圖能顯示港口、島嶼、淺灘或海底障礙物等豐富信息，但其信息有一定時效性，若地物環(huán)境發(fā)生變化，需要人工更新地圖數(shù)據(jù)。

將雷達、AIS、電子海圖三者結(jié)合使用，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提供全面導航信息，可大大增強雷達的避碰能力和目標跟蹤能力，為在雜波中探測目標提供額外的支持。三者融合顯示，能大大提高導航信息的精確性。隨著AIS與電子海圖的廣泛應用，雷達顯控終端內(nèi)置電子海圖，并能接入、顯示AIS信息已經(jīng)成為必然趨勢。

4.7 連續(xù)波雷達

連續(xù)波雷達是有別于脈沖雷達的另一種體制雷達，它利用接收信號與發(fā)射信號的差頻來測距，鋸齒形頻率調(diào)制是最簡單的調(diào)頻連續(xù)波應用。連續(xù)波雷達也采用固態(tài)功放發(fā)射，但其發(fā)射的射頻功率較脈沖雷達低得多，通常僅幾毫瓦;發(fā)射時寬較脈沖雷達也長得多，通常達到ms級。超低的發(fā)射功率帶來安全性、可靠性的提升和環(huán)保的特點，但其探測距離會受到較大限制。目前，市售的連續(xù)波雷達大都配備小型天線，做成盤式雷達形式。

挪威Broadband 4GTM雷達就是采用連續(xù)波工作體制，工作于9.3～9.4 GHz，固態(tài)發(fā)射峰值功率僅165 mW，掃描重復頻率200～540Hz，最大掃描帶寬75 MHz，整機工作狀態(tài)功耗典型值僅20W，整機質(zhì)量7.4 kg。顯然，船用連續(xù)波雷達較脈沖雷達在重量、體積及產(chǎn)品售價上有明顯的優(yōu)勢，并且可在游艇、漁船等小型船舶上，發(fā)揮其環(huán)保性優(yōu)勢。但連續(xù)波雷達發(fā)射功率、發(fā)射時間、天線等指標的特殊性使其不滿足IMO的國際海上人命安全公約(SOLAS)要求。2004年，IEC62252的頒布使這類小型雷達有了可以遵循的國際公認標準。雖然，目前連續(xù)波雷達僅能安裝在非SOLAS船舶上，但它代表了雷達向綠色環(huán)保方向發(fā)展的趨勢。

5 航海雷達的延伸應用

普通X頻段脈沖式航海雷達，通過適當?shù)能浻布脑?，可在溢油探測、海浪監(jiān)測等特殊應用領(lǐng)域發(fā)揮作用。海洋石油資源開采運輸過程中發(fā)生的輸油管破裂、運油船泄漏以及突發(fā)性溢油事故，給海洋生態(tài)會造成重大損害。及時準確發(fā)現(xiàn)溢油，有利于迅速回收溢油，將溢油對海洋生態(tài)的影響降到最低。由于溢油油膜對厘米波的反射特性表現(xiàn)為暗信號，利用X頻段小信號探測原理，可將數(shù)字化的中頻信號經(jīng)過雜波處理、脈沖濾波等處理，得出溢油信號輸出。為提升探測效果，還需換用高增益、垂直極化天線。圖4為Miros OSD系統(tǒng)將X頻段普通航海雷達改造為溢油探測雷達前后的雷達圖像對比［13］。

圖4 X頻段普通航海雷達與溢油探測雷達圖像對比Fig.4 Comparison of detection image between X－band ordinary marine radar and oil spill detection radar

海浪監(jiān)測雷達作為一種特殊的氣象雷達，在航海領(lǐng)域也有其重要作用。海浪作為常見的海洋波動現(xiàn)象，對海洋研究和開發(fā)利用具有重要意義。獲得有效的海浪實時數(shù)據(jù)，如海浪的波高、方向和周期等，對海岸保護和離岸海上活動(如海上石油鉆井平臺或船只)都具有重要價值［14］。目前常用的浮球測浪方式雖然準確，但操作成本高，且數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)易出現(xiàn)信息安全問題。雷達測浪方式不僅方便安全，且覆蓋范圍廣，是很好的海浪監(jiān)測手段，其原理是:當X頻段雷達波入射到海面時，海浪中波長與其相當?shù)拿毑óa(chǎn)生Bragg共振散射，同時又被較長的重力波調(diào)制，形成雷達回波。回波信息強度也隨位置的變化形成強、弱相隔區(qū)域，看似波浪。通過分析雷達接收的海面回波隨時空的變化，可以得到實時的方向波浪譜和表面海流的信息［15］。

6 結(jié)束語

目前，航海雷達在世界范圍已得到廣泛應用。IMO于2008年通過的新標準要求排水量300gt以上的船必須配備至少一部9 GHz雷達，在世界范圍內(nèi)，大約有50000艘這樣的船只。實際上，很多大型船舶配備不止一部雷達，且大多數(shù)排水量不足300gt的船舶會主動配備航海雷達。因此，民用航海雷達的市場需求非常大。我國作為海洋大國、航運大國，為航海雷達的應用提供了廣闊空間，其市場潛力巨大。而現(xiàn)狀是，我國的民用航海雷達市場主要被日本雷達制造商所占據(jù)。研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新體制民用航海雷達，不僅是順應我國航?？萍及l(fā)展的需要，也是經(jīng)濟發(fā)展的需要，具有十分重要的意義。

計算機、微波功率半導體、數(shù)學信號處理芯片等技術(shù)的迅速發(fā)展為雷達產(chǎn)品的研制提供了強大的技術(shù)支撐。我們在充分借鑒國外雷達發(fā)展經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，應積極探索新體制新技術(shù)，為市場提供性能更優(yōu)、可靠性更高的航海雷達產(chǎn)品。目前，X頻段固態(tài)功放管技術(shù)成熟度和普及度還不夠，這使固態(tài)雷達與磁控管雷達相比，在價格上還不具優(yōu)勢。另外，航海雷達在溢油、海浪探測領(lǐng)域的應用算法還需要進一步的研究，以促進其探測效果的提升和相關(guān)產(chǎn)品的市場化。

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