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船用雷达盲区图表的绘制

归档日期:06-27       文本归类:电离状态      文章编辑:爱尚语录

  船用雷达盲区图表的绘制 中远(香港)航运有限公司 林金民 目前,有的船舶驾驶员对雷达盲区缺乏足够认识, 特别是对船艏方向上的雷达盲区值的增大缺乏认识, 还有的把雷达盲区与雷达阴影扇形混淆。 当在检查中 被发现没有雷达盲区图或雷达盲区图不符合要求时, 不知道如何整改。 通过收集多方资料,本文针对船用雷 达盲区图表的绘制进行叙述,不当之处请指正。 1 雷达盲区的定义及其作用 雷 达 观 测 盲 区 (Radar Observation Blind Area / Zone)简 称 雷 达 盲 区 ,是 指 雷 达 波 的 最 小 探 测 距 离 以 内 的区域,主要取决于雷达的性能和雷达天线的高度。 通 常又是指位于雷达天线辐射角下缘, 雷达波不能射及 的区域。 船舶在海上航行时,一些小的、反射性能较差的物 标有可能在远距离不能被雷达探测到, 而到近距离时 本应该能探测到,却又由于雷达盲区的存在,使其无法 被探测到。 这样,如果是能见度不好(如有雾等),瞭望 人员以目视无法发现目标, 以致给船舶的安全航行和 人命财产带来威胁。 因此,驾驶人员在任何时候都应牢 记雷达盲区的存在,为其在避让、转向、停车等操作中 提供数值依据,便于充分考虑各种不利因素和后果。 当然, 作为船舶驾驶人员, 在任何时候都应该切 记:即使在雷达盲区以外的区域,雷达也不能保证每一 个物标都能被探测到, 这还要看物标的大小, 反射性 能, 雷达的性能以及驾驶人员是否将雷达调节到最佳 状态,决不能因使用雷达而放松警惕。 2 雷达盲区的产生原因 (1)由于雷达脉 冲宽度和接 收机收发开 关恢复 时 间而产生的雷达盲区。 由此所产生的雷达盲区为一圆 形区域,其半径 D 大小与脉冲宽度 t,接收机收发开关 恢复时间 t 有关,其值可由以下公式决定: D = 0.5 × C × (t + t) (1) 式中:t 为脉冲宽度,以微秒(μs)计(通常在 0.08 ~ 1 μs 之间);t 为接收机收发开关恢复时间(一般也在 0.08 ~ 1 μs 之间);C 为电磁波传播速度,C = 300 m/μs。 显然,D 值是很小的, 一般在十几米左右 (以 1.5 海里距离档算,通常 t = 0.08 μs,t = 0.2 μs 为例,计算结 果为: D = 6 m),由于船长和船宽的存在,没有考虑的 意义,本文在后文绘制时将不再考虑。 (2)当 雷 达 天 线 与 物 标 高 度 相 差 较 大 时 ,由 于 雷 达 电磁波束垂直宽度而在天线辐射角下缘产生的雷达波 不能射及的盲区。 当船舶平吃水正浮时, 盲区亦为一半径为 D 的圆 形区域。 如图(见图 1 和附录《雷达盲区图表示例》)所 示:雷达电磁波束垂直宽度为 β(通常为二十几度),雷 达天线高度为 H(视船舶大小而定),物标高度为 h,在 直角三角形⊿OPR 中,OP = OR × ctgγ,其中:盲区半径 D = OP,OR = (H - h),由于船舶正浮,雷达脉冲垂直波 束 中 心 轴 RR 平 行 于 水 线 Water Line (RR 平 行 于 OP),角 γ = (β/2),则有:盲区半径 D = OP = OR × ctgγ = (H - h) × ctg(β/2)。 由于天线垂直方向和物标反射性能 等因素的影响,通常还得加一系数 k,即公式为: D = (H - h) × ctg(k × β/2) (2) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 向约 27 km 处);以方 向距离进行 定位,即通过 G/C 手 机进行跟踪,主叫或被叫,确定手机所在的基站小区; 通过 MOTO 的 CDMA CDL 进 行 比 较 定 位 ,CDL 上 PN 偏置确定手机距离。 (2) 手 机 信 号 覆 盖 海 面 窄 , 海 上 手 机 信 号 的 传 播 只 能依靠沿海建立的高度有限的铁塔, 限制了手机信号 的传播距离。 而且海上峻峭的海岛不多,不利于信号塔 向渤海深处延伸, 这就从硬件设施方面限制了手机信 号的覆盖海域。 (3) 截 至 目 前 , 电 信 营 运 商 在 技 术 层 面 上 还 没 有 掌 握手机定点定位技术, 也就是手机定位精度还不够精 确,只能将搜救范围确定在一个区域内,如两个信号塔 的中间海域或者一个信号塔附近海域。 这就对硬件设 施提出了更高的要求:沿海分布的信号塔要足够密集, 定位才会更加准确; 信号塔要有足够的高度或者发射 装置的功率足够大才能覆盖更辽阔的海域。 (4)因为应用定 位技术的前 提是必须有 手机信 号 的 进 入 (即 需 要 手 机 有 呼 叫 或 被 叫 的 状 态 ), 所 以 对 于 手机处于关机、无信号状态下,依据当前的手机网络技 术分析水平还不能确定其概位。 另外,软件方面,据本地电信营运商介绍,目前拟 开发“定位之星”商务业务,可以将手机定位误差范围 缩小至 5 ~ 500 m 之间,由此可以看出精确手机定位技 术将很快在海上搜救工作中广泛应用。 总之,手机定位技术在海上搜救行动中的应用,为 海上搜救工作开创了新的局面, 必将对今后的海上搜 救工作产生深远的影响。 *作者:王鹤荀. 黄骅海事局局长 高级工程师 ·38· 《航海技术》 2008 年 增 刊 Ⅱ 图1 当船舶有一定吃水差时, 由于雷达天线的角度不 能 改 变 , 此 时 雷 达 波 束 中 心 轴 RR 并 不 平 行 于 水 线 Water Line,而 只 是 平 行 于 船 舶 龙 骨 Keel,因 此 , 如 图 (见 图 2 和 附 录 示 例 )所 示 ,在 船 艏 方 向 上 γ = (β/2 - α),其中 α 为雷达波束中心轴与水平线之间的夹角,而 在其它舷角方向上,γ = (β/2 - α × cosφ),其中 φ 为左右 舷角(0° ~ 180°);因此,上文公式 2 在非平吃水时应为: D = (H - h) × ctg [k × (β/2 - α × cosφ)] (3) 船舶雷达波束造成阻挡而产生的雷达盲区。 如图 3 所 示, 它在雷达天线 R 与艏楼或货物最高点 F 的连线 RQ 同雷达波束中心轴 RR 的夹角(θ)小于雷达电磁波 束垂直宽度的一半(β/2)时产生。 这种情况下在各个舷 角方向上的雷达盲区因船体形状的不同而变化很大。 由于在船首方向上的的数值最为重要, 本文只对船首 方向上的雷达盲区进行讨论。 如图所示: 在 相似直角三 角 形 ⊿FQF 和 ⊿WQR 中,有 RW / WQ = FF / FQ =(RW - FF) / WF。 则: D = WQ = WF × RW / (RW - FF) (6) 式中 FF 为 船 首 最 高 点 至 水 面 的 垂 直 高 度 ;WF 为 船 首最 高点至 雷 达 天 线 的 水 平 距 离 ;RW 为 雷 达 到 水 面 的垂直距离。 图2 由于在实际工作中无法确定物标的高度和物标的 反射性能,也就是说 h 值和 k 值无法确定。 其中,k 值 的大小与物标的反射性能有关, 还与雷达波束在垂直 方向上离开中心轴的角度引起的雷达波强度变化有 关,为了简化计算,也由于在较近距离上雷达波强度较 大,根据经验,通常取 k 值为 1;并且,出于安全考虑, 假设雷达天线高度远高于物标高度, 因此 h 值可以忽 略,即 h 取值为 0,从而得到简化公式: D = H × ctg(β/2 - α × cosφ) (3) 另 外 ,在 非 平 吃 水 状 态 时 , 天 线 的 高 度 (H) 为 由 天 线向 船舶 吃 水 线 引 垂 线 所 量 的 高 度 RW = RO × cosα, 其中,RO = RK - OK,而 OK = A.D. - AO sinα,式中 A.D. 为尾吃水,AO 为雷达到船尾水尺的距离,即: H = RW = [RK - ( A.D. - AO sinα)] × cosα (4) 在公式 3 和公式 4 中, 角度 α 的值可由吃水差 Trim 和前后水尺间的距离 AF 决定,即: α = arctg(Trim / AF) (5) 在 以 上 三 个 公 式 中 :RK 为 雷 达 天 线 到 龙 骨 的 垂 直 高 度;A.D.为尾吃水;AO 为雷达到船尾水尺的距离;φ 为 左 右 舷 角 ;β 为 雷 达 电 磁 波 束 垂 直 宽 度 ;Trim 为 吃 水 差;AF 为前后水尺间的距离。 其中,RK,AO,AF 可从船 舶 参 数 和 布 置 图 中 取 得 ,β 可 查 阅 雷 达 说 明 书 得 到 , A.D.和 φ 在绘制时根据各种情况来取值。 (3)由于艏楼或装载较高的 货物(如集装 箱等)对 船 用 雷 达 盲 区 图 表 的 绘 制 — — — 林 金 民 图3 3 雷达盲区图表的绘制 首先, 根据船舶资料取得雷达天线到龙骨的垂直 高度 RK,雷达到船尾水尺的距离 AO,前后水尺间的距 离 AF,查阅雷达说明书得到雷达波束垂直宽度β; 接着,列出几种不同的典型装载状态,如:满载、全 压载及正常压载状态等。 并参考附录 《雷达盲区图表 示例》列出表格; 在船舶《稳性手册》中的总布置图(可选比例尺较 小的小图)上,或者复印或按比例在空白纸上画出本轮 的船型轮廓。 自雷达天线位置点向下与龙骨平行线 角度画一直线,并延长该直线与水面线相交。 如该 直线没有与装载货物或船艏楼高度线相交, 则说明本 轮雷达没有受阻挡影响, 在船艏方向上没有产生盲区 增大的现象,这时的雷达盲区由公式 3 决定;而且因为 雷达天线的角度不变, 所以在任何装载状态下也都是 如此。 如该直线与装载货物或船艏楼高度线相交,说 明艏楼或货物对船艏方向的雷达波束产生了阻挡,则 根据公式 6 计算出不同装载下在船首方向上的雷达盲 区,将结果填入列表中的零度舷角对应的表格内; 针对这几种状态下的尾吃水 A.D.和吃水 差 Trim, 根据公式 5 分别计算出 α 值; 再根据公式 4 分别计算 出不同的雷达天线高度 H; 最后根据公式 3 对每一种 装载状态计算出其在不同舷角 φ 上的雷达盲区距离 D,并将计算结果填入列表内。 为了提高计算效率, 可以利用 Excel 电子表格进 行列表计算。 为方便使用 Excel 电子表格计算,可将公 式 3、4、5 分别改为如下三个公式: ·39· D = H / TAN(β / 360 * PI()- α * COS(φ / (1)由于不同物 标其反射性 能不同以及 雷达波 在 180 * PI())) (公式 A) 垂直方向上强度的变化 (即系数 k 值的不确定性),导 H = (RK-(A.D.-AO * SIN(α))) * cos(α) (公式 B) α = ATAN (Trim / AF) (公式 C) 致实际雷达盲区可能大于根据公式计算出来的数值; (2)由于船舶在 实际运营中 通常受到风 浪涌浪 等 誗按下表样式建立电子表格,输入各种参数;并在 的影响, 船舶的摇晃也会引起各个方向上的雷达盲区 单元格“D4”输入吃水差计算公式:“= C4 - B4”; 的变化。 特别是纵摇,它相当于是吃水差的变化,由此 誗根 据 公 式 C 在 单 元 格 “N4”中 输 入 雷 达 波 束 中 引起的船首方向上的雷达盲区的变化较大, 而且由于 心轴与水平线之间的夹角 α 的计算公式:“= ATAN(D4 纵摇周期长,船首盲区变大的持续时间也较长,更应引 $ / M$1)”; 根 据 公 式 B 在 单 元 格 “O4”中 输 入 雷 达 天 起驾驶人员的注意; 线 高 度 H 的 计 算 公 式 : “=($G$1-(C4-$I$1*sin (N4) )) * cos(N4)”; (3) 雷 达 天 线 与 艏 楼 或 货 物 最 高 点 的 连 线 , 或 雷 达 波束中心轴以下 β/2 角度线,很可能还会与桅杆、克令 誗再 根 据 公 式 A 在 单 元 格 “E4”中 输 入 相 应 舷 角 吊等物体相交,即:会形成一定的雷达阴影扇形。 由于 处所对应的雷达盲区范围 D 的计算公式:“= $O4 / ATN 雷达波有一定的绕射能力, 如果物体的横 截面较小, ($K$1 / 360 * PI() -$N4 * cos(E$2 / 180 * PI()))”,复 制 单 元 格 “E4”并 粘 贴 到 区 域 “F4:M4”; 誗选定区域“D4:O4”,复制并粘贴到区域“D5:O5”。 如:前桅,则可忽略,但如果物体与雷达天线相距很近, 或者横截面很大,就必须考虑其影响; (4)在实际操船时,可以时常 轻微摆动船 首,以 AB C D E F G H I J K L M NO 1 RK: 37.84 AO: 30.00 β: 025.0 AF: 160.20 2 装载 首吃水 3 状态 F.D. (m) 尾吃水 φ A.D. (m) Trim 000 022.5 045.0 067.5 090.0 112.5 135.0 157.5 180.0 α H 4 压载 3 6 5 满载 8 9 便能探测到掩盖在部分物体后面的物标, 特别是船 首方向上的物体(如:克令吊)后面的物标; (5) 即使是雷达盲区和雷达阴影扇形以外的区 域,由于物标的大小及其反射性能等方面的原因,也 可能有些物标雷达并不能探测到; (6)要 时 刻 将 雷 达 调 到 最 佳 状 态 , 特 别 是 在 变 换 量程或改变脉冲长度后应重新调谐和重新调节增 根据以上计算所得的列表数据,按比例画出简图。 益。 海况变化,如:雨雪变小后,海浪变小后,要及时 4 实测验证 把调大了的抑制调小。 在不同海域要使用与之相适应 当本船停泊时,开启雷达,选择近距离档,选用小 的量程,如从港口驶出到大洋中就应适时调大量程。 艇(可利用本船救生艇)自本船船艏处缓慢向船艏方向 附录: 雷达盲区图表示例 驶去,驾驶台密切注意观察雷达,当荧光屏一出现该艇 备注:以下盲区图尚未考虑遮蔽状况和雷达阴影扇形 回波,立即测出该距离,此距离即为船艏方向的盲区。 同法测得其它方向上的雷达盲区,再进行比较验证。 其实,使用此法实测,得到雷达盲区的数据,再绘 制成雷达盲区图也是可以的。 5 结束语 绘制雷达盲区图可使驾驶人员在任何时候都牢记 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。 在实际操船中,至少还应注意以下几点: 图4 图5 YH 轮 No.1 雷达盲区图表 RK:37.84m AO:30.00m β:025.0° AF:160.20m 装载状态 空船 Light 首吃水 尾吃水 舷角 φ F.D.(m) A.D.(m) 吃水差(m) 000°.0 022°.5 045° 067°.5 090°.0 112°.5 135° 157°.5 180° α H 0.57m 4.02m 3.45m 172.97m 171.51m 167.46m 161.72m 155.43m 149.59m 144.95m 142.00m 140.99m 0.021532 34.45792811 压载 Ballast 3.61m 7.08m 3.47m 157.74m 156.39m 152.67m 147.42m 141.65m 136.29m 132.04m 129.34m 128.42m 0.021657 31.40229464 谷物 Grain 10.82m 10.40m -0.42m 121.91m 122.02m 122.34m 122.84m 123.42m 124.01m 124.51m 124.85m 124.97m -0.00262 27.36125455 矿物 ORE 10.22m 10.98m 0.76m 124.59m 124.38m 123.76m 122.85m 121.80m 120.76m 119.89m 119.32m 119.12m 0.004744 27.00201664 木材 Lumber 10.56m 11.01m 0.45m 123.04m 122.91m 122.55m 122.02m 121.40m 120.79m 120.27m 119.93m 119.81m 0.002809 26.91416315 ·40· 《航海技术》 2008 年 增 刊 Ⅱ

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