航标无源型雷达反射器设计研究

霍虎伟 张建军

摘 要：介绍了无源型雷达反射器的主要性能指标，分析比较了现有不同类型航标用雷达反射装置实际使用效果。在此基础上分析了采用龙伯透镜反射器（Luneberg Lens Reflector）作为航标用雷达反射装置的价值与意义，并展望了其未来趋势，对航标运行管理具有一定的实践价值。

关键词：航标 雷达反射器 无源型 龙伯透镜

1.引言

雷达反射器是一种无源型被动装置，主要用于使射入的雷达脉冲返回至脉冲源，在雷达显示器上显示回波影像。按照SOLAS公约修正案有关规定300总吨及以上全部船舶需配备9GHz雷达，因此主要的雷达反射器首要实现远距离目标探测、外部干扰环境探测及目标显示增强，通常用有效反射截面积表示其工作性能。常用的无源型雷达反射器主要有角反射器、管式反射器、阵列反射器、龙伯透镜反射器等，其中龙伯透镜反射器具有较好的性能指标。

2.龙伯透镜

龙伯透镜（LunebergLens）由R.K.龙伯于1944年设计提出，是一种透过电介质将微波集中至焦点的透镜无线电技术。通常为球形，将不同方向的雷达波束汇聚至透镜预设点。理论上透镜球体外表介电常数同环境大气介电常数相同，球体中心介电常数为环境大气的2倍。球体从表面到中心材质的介电常数是渐变的，在实际当中，龙伯透镜天线是由多层不同介电常数的材料包裹而成的洋葱状结构。较多采用聚苯乙烯塑料、发泡玻璃和多孔材料制成，通过发泡的容积密度调整改变介电常数。具有高空间利用率，高反射效率，宽域角度响应，无电磁波干扰，无外接供电，故障率低等特点。

3.航标用龙伯透镜

3.1 发展现状

龙伯透镜反射器广泛应用在飞机、港口、桥梁、石油平台等各类设施导航与标识，在航海领域特别是航标设置规划中也有较多的研究与应用。

上世纪八十年代日本海事机构在千叶港姊崎航道2#浮标安装26英寸龙伯龙伯透镜反射器，同附近海域安装有8个铁质角反射器的1#浮标进行了测试比较，经过对测试数据比较得出来以下结论：（1）远距离识别时，龙伯透镜有效雷达截面积明显优于角反射器；（2）龙伯透镜在雷达屏幕稳定度方面明显优于角反射器。

我国也较早开展了有关龙伯透镜技术实践。1986年在曹妃甸灯桩第四次重建过程中即加装了四组三构型龙伯透镜，天津港主航道海域活节式灯桩也安装有龙伯透镜进行了试验。由于技术条件限制未能开展参数量化统计，且安装试验时间较短，最终未获得相关结论。

3.2 方案设计

本文主要讨论解决替代灯浮标角反射器及四季通用灯浮提升雷达反射截面积的解决方案。以某系列龙伯透镜反射器技术参数作为参考及设计，具体见表1。

（1）三面角反射器广泛应用在现有灯浮标中，单体三面角反射器波束宽度约为40度，理论上应配置9单元构成组合体实现全向反射。实践中8单元三面角反射器组合体较多，一般安装在灯浮标护身圈四周，一定程度上会限制了航标维修作业空间；由于海上面临震动、垂荡等多自由度运动影响常出现脱落情况，一定程度上影响了灯浮标雷达反射截面积显形效果。

现有灯浮标顶标为玻璃钢或聚乙烯材质，具有较好的雷达波透射性，同时其直径为450mm-600mm之间可满足空间要求，因此考量现有灯浮标结构基础，拟将龙伯透镜安装于顶标中空空间之内，以尽量减少了对现有灯浮标的结构改动。

（2）北方海区面临冬季海冰的特点，需要进行季节性冰区灯浮标的更换工作。较常见的冰区灯浮标分为钢制、非钢制两种。

钢制冰区灯浮标为梭形，其干舷较低，同常规灯浮标相比雷达反射截面积较小，在非熟悉航道、转向较多及夜航等情况下尤其要求航海者谨慎瞭望。

较常见的非钢制冰区灯浮标为四季通用性，有力降低了水上航标更换作业强度，其设计干舷高度为2850mm-3180mm，理论雷达反射截面积最大为8m2，较钢制冰区灯浮标有一定提升，实践中较难达到8m2理论参数，距常规灯浮标仍有较大差距。根据麦克斯韦电磁理论，电磁波照射在导体表面时，电磁波的交变电场与交变磁场在导体表面产生感生电磁场，交变的感生电磁场对外辐射电磁波，即雷达反射波；而非金属材料无自由电子无法产生感生电磁场，即无感生电磁波，入射雷达电磁波可较好穿过。而该型航标采用框架式榫卯结构，中部为钢制框架具有较好雷达反射效果，其外壳线性低密度聚乙烯及填充料闭水型聚氨酯等非金属占比较大一定程度上影响了雷达反射效果。

钢制冰区灯浮标受内部结构限制，可在灯器上部加装法兰架安装，一定程度上会破坏现有构型强度及抗导冰能力；对非钢制冰区四季通用灯浮标，拟利用其电池仓、太阳能充电设备空间加装龙伯透镜反射器，外部构型保持完整，可对雷达波进行较好反射放大作用。

（3）对于固定航标而言，一般其结构较为完整，雷达反射效果较好，可在充分试验龙伯透镜反射器等雷达增强设备基础上综合考虑在灯塔、灯桩及导标等设施的安装可行性。

4.結语

本文简述了主要航标用雷达反射器的性能与指标，总结和分析了无源型龙伯透镜反射器在航标领域的现状和发展趋势，为提升新型长效灯浮标等雷达有效反射截面积提供了一种解决方案，其性能优越且具有较强的环境耐受性。随着新材料、新技术的发展，龙伯透镜反射器有望更好地服务于航海者。

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