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雷达盲区简易计算

归档日期:06-24       文本归类:电离状态      文章编辑:爱尚语录

  船用雷达的观测 盲区的确定和应用 海 安 1 雷达盲区的定义及其探讨的意义 1.1 定义:雷达观测盲区 (简称雷达盲区, 英文: RADAR OBSERVATION BLIND ZONE 或 RADAR OBSERVATION BLIND AREA)是指雷达波的最小作用距离 (用 D 表示)以内的区域——它是船舶交通管理系统雷达站的技术参数,主要 取决于雷达的性能和雷达天线 探讨的意义:船舶在海上航行时, 由于一些小的、反射性能较差的物标有可 能在远距离没有被探测到, 而到近距离本应该能探测到时, 由于雷达盲区的存在, 又使其无法被雷达发现,这样,如果是夜间或天气不好(如有雾等)了望人员以 目视无法发现,以致于给船舶的安全航行和人命财产带来威胁。引入雷达盲区的 概念后, 会使驾驶人员在任何时候都会牢记雷达盲区的存在, 为其在避让、 转向、 停车等操作中提供一个数值依据,以充分考虑各种不利的因素和后果的影响。 虽然掌握了雷达盲区的数据,但作为船舶驾驶人员,在任何时候都一定要切记: 在雷达盲区以外即非盲区内, 雷达也并不能保证每一个弱小物标都能被雷达探测 到(这还要看雷达的性能和物标的反射性能,以及驾驶人员的操作是否得当), 而决不能放松警惕。用航海人的话:要永远把自己设想处于最危险的位置上。 也就是说,在要求船舶驾驶人员对雷达盲区内进行高度戒备和关注的同时,还要 充分考虑到雷达盲区以外可能存在没有被雷达探测到的物标的可能。 2 理论上雷达盲区的计算一般分两种情况: 2.1 雷达天线较低时,目标始终在雷达垂直波束照射范围内,D 决定于脉冲宽度 和接收机灵敏度恢复时间。 公式为:D=0.5C(τ+t)……(公式 1) 式中,τ 为脉冲宽度,以微秒计(通常在 0.08 微秒—1 微秒之间);t为接收机 灵敏度恢复时间(一般也在 0.08 微秒—1 微秒之间); C 为电磁波传播速 度,300,000km/s。 显然,这个 D 值是很小的,一般情况下在 10 几米左右(以 3 海里距离档 τ=0.2 微秒通常 1.5 海里距离档 τ=0.08 微秒,t=0.2 微秒为例,计算的结果为:D=6 米),由于船长和船宽的存在,没有考虑的意义。也就是说,对于高大物标来说, 不需要考虑雷达盲区的影响。 2.2 雷达天线与物标高度相差较大时,D 决定于天线高度、物标高度、脉冲垂直波 束宽度等。 公式为:D=(H-h)ctg(kβ/2)……(公式 2) 式中,H 为雷达天线高度;h 为物标的高度;β 为雷达垂直波束宽度;k 为由天 线垂直方向图和物标反射性能而决定的系数。 显然,实际当中无法确定物标的高度和物标的反射性能,就是说 k 值无法确定, 因此很难使用公式 2。同时,由于船舶,特别是散装船的雷达天线是相当高的, 前面也提到了,对于高大物标,从远处即可发现,而且由于物标与本船几乎同样 高大,等于雷达天线与物标几乎在同一水平面上,与前面 2.1 提到的“雷达天线 较低时,目标始终在雷达垂直波束照射范围内”的情况是一样的,也就是实际上 几乎不存在雷达盲区。 因此,我们研究雷达盲区的重点是研究在近距离的一些小的、反射性能不好(反 射性能好应会在远距离被发现)的物标,这些物标可能由于雷达盲区的原因,而 在近距离也没有被雷达探测到。 既然重点是小的物标,我们就可以忽略其本身的高度,从而可按下图 1 作图,将 问题简化成在直角三角形中已知一边、一角的情况,方便进行计算(如下图 1)。 3 雷达盲区的简化计算法: 3.1 如下图 1,由于船舶前桅一般较窄,且雷达波束又有一定的绕射能力,不会 对雷达波束产生影响,通常不考虑前桅的影响,可简化作图如下: 以船舶雷达天线至水面高度 H(米),雷达技术说明书中所载明的雷达垂直波束 宽度 β,在天线处作一条与船龙骨线相平行的线 角度作 AS 线,与 船舶吃水线相交于 S 点(当船舶正平时船龙骨线与船舶吃水线是平行的;当不正 平时,二者是不平行的,但由于雷达天线的角度不能改变,天线的高度为由天线 向船舶吃水线引垂线所量的高度)。 显然,在(图 1)中,根据正切定理,有下述公式成立 D(盲区米)=H ctg(β/2)……(公式 3) 另见人民交通出版社出版的《航海问答》第 203 页,有类似叙述。 例如:(例 1)根据 D(盲区米)=H ctg(β/2),以某船(最大高度 48.30 米, 压载吃水 6 米)粗略计算出雷达天线 米, 雷达垂直波束宽度 β 为 20 度 (β/2=10°=0.174 弧度), 计算出 D=238 米。 3.2 到目前为止,也许有人会提出疑问:如果一艘甲板上装满集装箱的船舶或船 舶的艏楼很高时,会不会对影响盲区的大小呢?答案是肯定的。也就是说,当雷 达波束以与水平线 角的方向向前传播的时候,当受到船上的结构的阻 挡和反射后, 会造成雷达波束按雷达天线位置点与该结构的上沿点连线的方向继 续向前直达水面,而使船舶艏楼前方水面上的盲区加大。对于散装船来说,船艏 方向盲区加大的情况,主要发生在艏楼的高度较高,而船舶又是在压载状态且吃 水差较大的时候,且因船而异。这种情况下,通常船舶是不正平的。见下图 2。 当船舶不正平时, 此时的直角三角形由天线向船舶吃水线;引的垂线 AM、 水线;线;线为自天线向船艏上沿引切线与水面线;点。 在△AMS中过船艏上沿切点 S做 MS的平行线;,显然,在△AMS 与 △AOS中有: AO/AM=OS/MS,式中 AO 为艏距水面高度, AM 为经倾斜修正后的 雷达天线;为雷达天线的水面垂点距船艏的距离。 注意:AO、AM、OS 的值需根据船舶艏倾角度计算得出或在上面提到的总布置图上作图量出。当然, 在船舶吃水差较小时,可忽略艏倾角度的影响,直接在总部置图上量出。此时, 求出的 MS值即为此状态下船艏方向的盲区值(D)。 3.3 值得说明的是,当船舶吃水差较大时,雷达波束与水面的最大交角 α(雷达 最小作用距离时),也是变化的,而且各个方向变化不一,船艏方向会变小(算 出的 D 值将增大),两舷几乎不变,船尾会增大(算出的 D 值将减少)。仍以上 面(例 1)的数据为例: (例 2):根据 D(盲区米)=H ctg(β/2),以某船(最大高度 48.30 米,压载 吃水 6 米),吃水差 2 米,粗略计算出雷达天线 米(纵倾修正后)米,雷达 垂直波束宽度 β 为 20 度(β/2=10°=0.174 弧度),雷达天线)船艏两侧方向的 α=β/2-(2×360)÷(2×π×190) =10°-0.6°=9.4°,计 算出 D=254.4 米; (2)船尾方向的 α=β/2+(2×360)÷(2×π×190)=10°+0.6°=10.6°,计算出 D=225.2 米; (3)而船两舷几乎是变,仍为:D=238 米。 可见,这时船艏两侧方向(雷达波束没受艏楼阻挡和反射的区域)的盲区值比原 来的 238 米增加了 16 米,而船尾方向的盲区值比原来的 238 米,减少了 13 米。 那么,对于这种情况,我们可取除船艏方向以外的盲区值为:254 米。 4 实测法 4.1 方法很简单,也是最可靠的方法,但问题是需要时间会很长,因为需得到不 同的装载状态,而有时,由于船期的原因,我们又无法进行实测。 当本船锚泊时,选择雷达近距离档开启雷达,选用一艇自本船船艏前缓慢向船艏 方向驶去(也可利用本船救生艇进行水面操演时进行),驾驶台密切注意观察雷 达,当荧光屏一出现该艇的回波,立即测出该距离,此距离即为船艏方向的盲区 D2(可多做几次,取一个平均值)。然后让小艇或救生艇向左或右舷驶去,大约 到正横附近时,在雷达上找到该小艇或救生艇的回波后,再让向小艇或救生艇向 本船驶回,密切注意该艇在雷达屏幕中回波消失时的距离,并记下该距离 D1, 然后,参考得到的 D1 的距离值,在船舶周围的不同方向上多做几次,理论上, 当吃水差为零或很小时,所有测得的 D2 值是一样的,但当吃水差较大时,正如 3.3 节介绍的,D1 的值会有较大变化,这时,可用船艏之外(船艏左右 5°左右,各 自向后直到船尾)方向上所测得的数值的算术平均值加上一个值或取 10 个较大 的值进行平均,做为此时的除船艏方向以外的雷达盲区。也许,有人会有疑问,这 个实测值的波动也太大了。 实际上,正如前面讲过的,雷达盲区的概念最主要的意 义是使船舶驾驶人员建立起一个风险或危机意识。取大一点是正确的做法。 4.2 比较 D1、D2,如果二者基本是一样的,那么,就可以认为船舶艏楼或装卸设 备没有对船艏方向的雷达波束产生阻挡和反射,此时的雷达盲区就是按(公式 3) 得到的计算值,且在各个方向上都是一致的,此时的雷达盲区为以 D1 或 D2 为半 径所画圆内的区域(二者取稍大一点的,以增大保险)。 4.3 比较 D1、D2,如果二者是不一样的, 也就是船艏方向测出的半径要比另外方 向上的为大, 那么, 就可以认为船舶艏楼或装卸设备对船艏方向的雷达波束产生 了阻挡和反射,这时的船艏方向上的盲区半径应为 D2(实际上是以 D2 为长边自 天线垂线与水线面的垂点向船艏方向所画的一个狭长的长方形。由于前面讲过, 雷达波束有一定的绕射能力,船头也会有一个水平的摆动,因此,这个狭长的长 方形的宽一般是小于船宽的),而其它方向上的雷达盲区为以 D1 为半径所画圆 内的区域。此时整个雷达盲区区域如下图 3 所示。 5 作图法步骤简单如下: 5.1 复印船舶《稳性手册》中的总布置图(选比例尺小的小图,一般为 A4 纸大 小),或者在一张空白纸上,将本轮的船型轮廓按比例画出。然后,用铅笔根据 不同的吃水标出不同装载状态下的水线, 分别量取并标注不同吃水对应的天线高 度线和船艏高度线(可每次作一种状态的图,完成一种记下结果后,用橡皮擦掉 再用铅笔画图作另外一种。当然,如需要存档留证据的话也可复印保存),过天 线位置点划出龙骨平行线(一定要是龙骨平行线,而不是水线面平行线。因为雷 达天线的角度是不变的。 当然, 在船舶正平时, 水线面与龙骨平行线是一致的) , 再自天线位置点向下与龙骨平行线 角度画一直线 如该直线与船艏楼高度线相交,说明船舶艏楼或装卸设备对船艏方向的雷达 波束产生了阻挡和反射,则过雷达天线位置点向艏楼上沿点连线,并延长至与水 面线相交。量取该交点与天线垂线距离,既为本轮雷达受艏楼阻挡影响后的船艏 方向的盲区。至于其他方向的雷达盲区仍然以按(公式 3)计算或实测的结果为 准。此时的雷达盲区图如(图 3)。 5.3 如该直线没有与船艏楼高度线相交,则证明本轮雷达没有受艏楼阻挡影响, 在船艏方向上没有产生盲区增大的现象, 这时的雷达盲区在所有方向上都是一样 的,即为以按(公式 3)计算或实测的 D 为半径所画圆内的区域。 5.4 当然,由于各船的结构各异,不排除上述直线还会与克令高度线等相交的情 况,如相交很小,或物体顶部横剖面的面积很小,可忽略不记。因为前面讲过雷 达波束有一定的绕射能力, 而且航行中船舶的艏向会有一定幅度的水平和垂直摆 动,一般情况下,是不会有影响的。这就是为什么我们有时会在雷达的近距离档 上发现船艏方向上的一个物标会时隐时现的原因。 5.5 当上述直线与克令等物体的高度线在近距离相交,物体顶部横剖面的面积又 很大时, 则需要考虑其影响。 此时在考虑雷达阴影扇形的同时, 还要抓主要矛盾, 考虑这些物体对雷达盲区的影响,并按其中影响最大的情况进行作图求值。 6 雷达盲区图表的绘制 6.1 现在,我们了解到,雷达的盲区是以船舶上雷达波束的最少作用距离(D)为 半径的一个圆(尽管船艏方向可能有些许变化)。那么,如何绘制? 雷达盲区图 的格式最好是怎样的?本人认为最好是根据计算、实测或作图求值,将得到的数 据进行列表并附简图。 6.2 如何作表?也很简单。首先识别出不同的典型装载状态(列出三种就足够 了):满载、全压载及正常压载状态。并根据三种状态下的吃水,换算出不同的雷 达天线高度,然后,根据 D(盲区米)=H ctg(β/2 的公式分别进行计算,然后 将计算结果 D1 列入表内,即为各不同状态下除船艏以外的其他方向上的雷达盲 区半径值。)列表格式可参考附录《雷达盲区图表绘制示例》。 这里的满载状态为船舶装满货物的状态; 全压载状态为压载货舱及压载水柜全部 压满时的海上压载状态;压载进、出港状态,这里不妨称为正常压载状态,是指 只要天气情况允许,在正常的进、出港时,通常压载货舱是不压水的,甚至有时 压载水柜也没有全部压满,而留待深海上再压,但称为正常压载状态,并不意味 着航行中可采用的压载状态,对于海上航行而言,真正的正常压载状态应为全压 载状态。对于装载货物的不同状态(如半载)及修船时的进出坞等状态,可注明 由二副根据情况及时算出并通知相关人员。 6.3 考虑到艏楼可能对船舶雷达波束造成阻挡,按 5.1、5.2 和 5.3 节的方法,对 三种状态进行作图求值。当发现艏楼确实对船舶雷达波束造成阻挡时,应根据不 同装载情况,抓住一切时机,结合上述情况,或按 3.1-3.3 介绍的方法,或按 4.1-4.3 介绍的方法,或按 5.1-5.3 介绍的作图法进行船艏方向上的雷达盲区值 D2 的计算。 6.4 当 D1、D2 相等时,用 D1 或 D2 为半径画圆即可; 6.5 当 D1、D2 不相等时,按图 3 作图。显然,此时的雷达盲区值 D2 由于艏楼对 船舶雷达波束造成阻挡而在 D1 的基础上增加了一段。 7. 结束语: 关于雷达盲区的介绍,教科书上介绍的内容很少,目前可找到的资料也很有限。 参 加公司联合检查发现:有的船舶把雷达盲区与雷达阴影扇形混淆;有的对船艏方 向上的雷达盲区值的增大没有认识; 还有的船舶在被中远督导员检查发现雷达盲 区图不符合要求时,不知道如何整改。 鉴于以上原因,笔者参考了人民交通出版社出版的钱淡如等人编著《航海问答》 (第二版)第 203 页相关内容,编写了本文内容。 由于本人水平有限,难免有错漏,请大家不吝指教。

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