国外航海雷达现状及发展趋势*

张 杨，曾 浩，察 豪，罗 军

(1.海军工程大学 电子工程学院，武汉430033;2.海军装备研究院，北京100161)

航海雷达主要用于船舶航行过程以及出入港口、狭水道等区域的导航和避碰，用以保证船舶的航行安全，是船舶必备的电子设备，也称导航雷达。航海雷达性能的好坏，与船舶的安全航行息息相关。

随着水上交通的不断发展，航海雷达使用范围逐渐扩大，使用环境日益复杂，要求航海雷达需不断增强功能，提高使用性能。

本文分析了航海雷达面临的挑战，介绍了国外航海雷达波段、体制、功能、结构、技术指标等现状，分析了国外航海雷达关键技术等发展趋势，以期为我国航海雷达发展启迪一些新的思路。

1 航海雷达面临的挑战

1.1 使用环境日趋恶劣

航海雷达需要在恶劣气象条件下使用，合理使用与性能的正常发挥对于保障航行安全等具有重要的意义。海上常伴随着多变的海洋气象环境，雷达探测效果会受到严重影响。另外，海面目标数量大幅度增加，密集程度日益加大，雷达探测难度不断增大。

1.2 主要探测对象特征多样

随着世界海洋经济迅速发展，主要航道、近岸海域中，海面目标种类大幅度增加，航海雷达面临的探测目标变化多样(目标RCS从小于1 m2到大于上万平米)、快慢不一，包括固定目标(海岸、小冰山、养殖箱、海上浮标等)、慢速目标(蛙人、舢板、各类船舶等)以及高机动目标(快艇等)，增大了雷达检测和处理的难度。

1.3 强雨雪、海杂波环境小目标探测要求高

水面船舶在进出港及狭水道航行时，海上小目标经常会是严重的威胁或是重点搜寻的对象。海面小目标对船舶安全的威胁越来越大，尤其是在恶劣海况和复杂气象环境条件下，难以保证船舶及人员安全。因此，确保雷达在恶劣海况、复杂气象、本船及目标机动等情况下的目标检测及杂波抑制能力是决定船舶航海雷达性能优劣的关键因素。

1.4 长时间高强度的连续使用

随着国际航运业的发展，船舶远洋需求不断增加，近岸航行强度也越来越大。船舶出航时，航海雷达需长时间连续开机。高强度的使用，要求航海雷达具有高的可用性，对航海雷达可靠性、维修性和测试性提出了较高的要求。板的数量急剧减少，整机可靠性加强。凯文休斯公司于2006年推出第一部S频段固态发射机脉冲多普勒雷达SharpEye，该雷达采用固态发射、频率分集、相参收发、脉冲压缩、数字信号处理、干扰抑制和低压工作等一系列新技术，具有高系统可靠性，在强杂波下小目标的探测能力等重要性能明显提升。图1是S频段SharpEye固态发射机照片。

2 国外航海雷达现状

航海雷达目前主要呈现出多频段、多体制、多功能化以及多结构并存等特点。

2.1 多频段配合使用

目前航海雷达主要还是厘米波雷达，工作频率主要为 X、S、C、Ka频段[1]。中型以上船同时装有双频段雷达，X和S频段配合使用居多。X频段雷达具有天线尺寸小、方位分辨力好、海杂波下目标检测性能较好的优势，成为了应用最为广泛的船载雷达频段。S和C频段在雨雾中衰减少，海面反射小，适宜在恶劣气候和海情下探测目标。毫米波雷达天线尺寸小巧，分辨率高，但存在大气、雨雪时衰减大的缺点，更适宜于江河、湖泊，或者近海岸等航道狭小、船舶密集的水道导航。

目前，市场上高端航海雷达产品往往配置成X、S双频段，如美国诺斯罗普·格鲁曼公司的Bridge-Master E340雷达系统、凯文体斯公司的SharpEye系列雷达系统、丹麦的Scanter雷达、日本无线公司的JMA－9100和 JMA－9900系列、德国 Atlas 9500－9800ARPA系列[1]，均大量装配大型游船及货轮。

2.2 非相参与相参体制并存

目前航海雷达还是以磁控管非相参体制为主，并逐渐出现了固态相参脉冲体制和连续波体制雷达。非相参脉冲体制雷达已较成熟，可靠性较高，但存在工作电压高、稳定性较差、发射脉宽精度受限、无法同时兼顾作用距离及距离分辨力、磁控管维护受限等问题。固态收发机能够采用全相参体制，同步提升信号处理和数据处理能力，可有效提升设备整体探测性能。固态收发机结构简单，普遍采用可编程器件以及信号处理专用芯片，集成度大为提高，元器件和电路继S频段SharpEye在民用航海雷达获得成功后，凯文休斯公司又于2008年推出了X频段Sharp-Eye雷达，该雷达凭借适中的天线尺寸及较高的分辨能力一举占据了民用固态雷达市场。JRC公司也于2011年推出了S频段固态脉冲导航雷达产品JMA－9172－SA。图2所示是X频段SharpEye固态脉冲雷达与传统磁控管体制航海雷达在5级海况下对10 m2反射体探测能力的对比，可以看到，采用脉冲压缩技术和频率分集技术后雷达在高海情下对小目标的探测距离有了明显提升。

图1 S频段SharpEye固态发射机Fig.1 Photo of S－band SharpEye solid－state transmitter

图2 X频段SharpEye雷达与传统磁控管雷达在五级海况下10 m2目标探测性能对比Fig.2 Comparison of target detection performance between the X－band SharpEye radar and conventional marine radar in the 5－level sea condition

相比磁控管及固态脉冲体制雷达，固态连续波雷达的超低发射功率使得其对艇员不会造成任何的身体伤害，充分体现了以人为本的设计理念。连续波体制雷达的近距离探测盲区很小，配合大带宽信号所获得的较高的距离分辨力，能够在舰艇进出港口或狭水道航行时，清晰分辨近距离的船只或障碍物，保障舰艇航行安全。

2.3 多功能化

随着雷达技术的进步，国外航海雷达都具有自动标绘(ARPA)功能，完成舰船导航避碰，同时能够完成直升机引导、海图叠加显示、AIS目标融合、光电信息显示、专家系统、多雷达组网等功能。德国研制的Atlas9600M雷达为全集成多功能系统，既可以提供完整的雷达、ARPA和导航显示功能，适用于独立或指挥和控制系统应用，还具有航线计划编制、盲目领航、跟踪控制、扇区筛选、电子海图实时叠加显示等。英国凯文休斯公司的KH2007型雷达，能够把来自雷达、声纳、导航与光电传感器多个信息源的数据融合显示。JMA－9900系列雷达集成了ARPA和AIS、ECDIS等信息。

2.4 多种结构形式并存

航海雷达目前有三单元和二单元两种结构形式，由天线、收发机、显示终端组成的通常称为三单元雷达，由天线收发单元及显示终端两部分组成的通常称为二单元雷达。三单元雷达维修方便，可实现多雷达不同单元间的信息切换(实现天线与收发机间、收发机与显控终端之间的硬切换)，由于有波导损耗，探测作用距离较二单元雷达近。二单元雷达适装性强，可实现多雷达天线收发单元与显示终端间的硬切换，无波导损耗，探测作用距离较三单元雷达远。三单元与二单元雷达都可实现多部雷达组网，通过网络实现显控终端间的信息交换。

2.5 性能指标的增长

当今最先进的航海雷达同20世纪40年代初的雷达相比，导航功能及一般性能水平都有较大提高:对中型船舶的最大作用距离由8～10 n mile提高到视距;最小作用距离由70～100 m提高到几米(连续波体制雷达);天线转数由7～9 r/min提高到48 r/min;距离分辨力由50 ～90 m 提高到9.1 m(脉冲宽度为0.05 μs);方位分辨力由1.2°～2°提高到0.65°(天线水平口径宽3.6 m);测距精度由量程的1% ～3%提高到量程的0.25%(此时精度为9.1 m);方位精度由1.2°～1.5°提高到±0.5°;最小/最大标称量程由1.5 n mile/24 n mile提高到0.125 n mile/120 n mile。可靠性由不到200 h提高到每年几乎免维修。典型固态航海雷达技术指标见表1。

表1 固态航海雷达技术指标Table1 Specification of typical solid－state marine radars

3 航海雷达发展趋势

航海雷达主要表现出X和S频段配合使用，固态收发、脉冲压缩等技术普遍应用，增加多种辅助导航功能，具有通用化、系列化、模块化等的发展趋势。

3.1 X和S作为主要探测频段配合使用

国际海事组织规定了X频段和S频段航海雷达性能要求，小型船航海雷达以X频段为主，大、中型船通常以X和S频段配合使用为主[2－4]。X频段基于通常气候条件下使用，兼容雷达信标、搜救雷达应答器和雷达目标增强器。X频段航海雷达的优势在于其分辨力高、天线尺寸小、重量轻。S频段雷达则更适合在恶劣气象条件下使用。S频段的优势在于探测距离远，更适合远程导航，同时，S频段的海杂波和气象杂波较弱，相同功率的条件下，大雨情况时，S频段比X频段探测性能好30% ～60%[2]。

航海雷达国际标准IEC－62388针对S频段和X频段航海雷达，在虚警概率为10－4的条件下，对不同反射截面积的小目标在0.7 n mile处的发现概率进行了仿真[2]，图3和图4所描绘的分别是S频段和X频段的检测概率。从图中不难看出，S频段航海雷达在强海杂波条件下的小目标发现能力要强于X频段航海雷达。

图3 S频段航海雷达在0.7 n mile处小目标发现概率Fig.3 The detection probability of the S－band navigation radar for small targets at 0.7 n mile

图4 X频段航海雷达在0.7 n mile处小目标发现概率Fig.The detection probability of the X－band navigation radar for small targets at 0.7 n mile

从以上的分析可以看出，采用X与S双频段配置，结合频率分集技术，有利于海杂波去相关处理，消除小目标起伏，减小多径效应影响，提高对小目标的检测能力。综合双频段的优势，可以提升航海雷达在强雨雪杂波、海杂波下的小目标检测能力。

3.2 固态收发机、脉冲压缩等技术普遍应用

航海雷达在进一步发展中，将受到普通脉冲制式的限制，雷达指标的重大进展必然依赖于雷达信号制式的等的技术变革[4]。

(1)航海雷达由单一的非相参脉冲体制向相参脉冲体制、调频连续波、脉冲压缩体制并存发展是必然的。2004年，IMO鼓励使用固态相参雷达来提高在严重海杂波条件下对目标的探测能力，相参体制航海雷达逐渐替代非相参磁控管体制雷达走上历史舞台[5]。

(2)采用脉冲压缩技术可以有效提高强杂波下小目标的发现能力[6－7]。

(3)采用连续波技术具有低的发射功率，保障船员身体不受辐射危害。

(4)利用DDS技术产生发射波形，采用频率分集、频率捷变、杂波图等技术抑制杂波干扰。

(5)利用多普勒处理机制，在探测目标位置同时获得目标速度，可有效区分杂波和目标，提高小目标探测能力。

(6)数据处理将继续朝多处理机并行处理方向发展，并采用局域网实现各处理器间信息的快速交换。

(7)神经网络跟踪、信息融合等新技术有可能在跟踪算法中得到应用。

(8)加强机内自检功能，广泛采用可更换标准组件，提高系统的平均无故障时间，提高设备可靠性，缩短平均修理时间，提高故障检测率。

3.3 增加多种辅助功能保障航行安全

由于航行环境日趋复杂，航行辅助手段日益多样，航海雷达急需运用多种辅助手段保障航行安全，在复杂海况下增强导航、避碰以及目标探测与识别能力，更好地保障船舶安全航行[8]。航海雷达将通过增加三维显示及多雷达组网补盲，拓展回波的显示方式及覆盖范围;通过引入AIS、海图、光电等信息与回波的叠加显示，从多角度、多传感器获取目标信息，辅助决策判断[9];通过增加海面状态测量、数据记录与回放等功能，更好地满足船舶导航避碰的需求。航海雷达正呈现出多任务、多功能的发展趋势，提高在复杂海况下导航、避碰以及目标探测与识别能力，保障船舶安全航行。

3.4 通用化、系列化、模块化发展

随着计算机技术的发展以及核心处理芯片能力的提升，雷达系统硬件的集成度大大提高，可重构的软件化雷达与通用化、系列化、模块化的设计思想是航海雷达必然的发展方向。航海雷达采用通用化、系列化与模块化发展的思路，具有灵活性好、扩展性强、集成度高的特点。按照功能属性可将雷达分为若干模块，各模块具有通用的标准接口，可以相互顺畅连接;另外，使设计工作简化和灵活，节省重复设计的工作量，缩短生产周期，降低制造成本，方便雷达维修和升级。

4 结束语

航海雷达性能的优劣是影响船舶航行安全的重要因素之一。长期以来，航海雷达长期的发展中不断有新技术引入、创新和完善。了解国外航海雷达的发展水平和技术特点，对发展我国的航海雷达具有重要的借鉴意义。我国航海雷达发展还需在现有技术基础上，积极探索、稳步前进，需拓展频段、发展新体制，另外在恶劣海况和复杂气象条件下小目标探测、跟踪稳定性、可靠性以及维修性等方面关键技术还需不断提高。相信在今后，经过广大航海雷达科研人员的努力，我国航海雷达也将逐渐成熟和完善，会有性能更强、可靠性更高、效费比更高的航海雷达活跃在各国海域。

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