航標無源型雷達反射器設(shè)計研究

霍虎偉 張建軍

摘 要：介紹了無源型雷達反射器的主要性能指標，分析比較了現(xiàn)有不同類型航標用雷達反射裝置實際使用效果。在此基礎(chǔ)上分析了采用龍伯透鏡反射器（Luneberg Lens Reflector）作為航標用雷達反射裝置的價值與意義，并展望了其未來趨勢，對航標運行管理具有一定的實踐價值。

關(guān)鍵詞：航標 雷達反射器 無源型 龍伯透鏡

1.引言

雷達反射器是一種無源型被動裝置，主要用于使射入的雷達脈沖返回至脈沖源，在雷達顯示器上顯示回波影像。按照SOLAS公約修正案有關(guān)規(guī)定300總噸及以上全部船舶需配備9GHz雷達，因此主要的雷達反射器首要實現(xiàn)遠距離目標探測、外部干擾環(huán)境探測及目標顯示增強，通常用有效反射截面積表示其工作性能。常用的無源型雷達反射器主要有角反射器、管式反射器、陣列反射器、龍伯透鏡反射器等，其中龍伯透鏡反射器具有較好的性能指標。

2.龍伯透鏡

龍伯透鏡（LunebergLens）由R.K.龍伯于1944年設(shè)計提出，是一種透過電介質(zhì)將微波集中至焦點的透鏡無線電技術(shù)。通常為球形，將不同方向的雷達波束匯聚至透鏡預(yù)設(shè)點。理論上透鏡球體外表介電常數(shù)同環(huán)境大氣介電常數(shù)相同，球體中心介電常數(shù)為環(huán)境大氣的2倍。球體從表面到中心材質(zhì)的介電常數(shù)是漸變的，在實際當(dāng)中，龍伯透鏡天線是由多層不同介電常數(shù)的材料包裹而成的洋蔥狀結(jié)構(gòu)。較多采用聚苯乙烯塑料、發(fā)泡玻璃和多孔材料制成，通過發(fā)泡的容積密度調(diào)整改變介電常數(shù)。具有高空間利用率，高反射效率，寬域角度響應(yīng)，無電磁波干擾，無外接供電，故障率低等特點。

3.航標用龍伯透鏡

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

龍伯透鏡反射器廣泛應(yīng)用在飛機、港口、橋梁、石油平臺等各類設(shè)施導(dǎo)航與標識，在航海領(lǐng)域特別是航標設(shè)置規(guī)劃中也有較多的研究與應(yīng)用。

上世紀八十年代日本海事機構(gòu)在千葉港姊崎航道2#浮標安裝26英寸龍伯龍伯透鏡反射器，同附近海域安裝有8個鐵質(zhì)角反射器的1#浮標進行了測試比較，經(jīng)過對測試數(shù)據(jù)比較得出來以下結(jié)論：（1）遠距離識別時，龍伯透鏡有效雷達截面積明顯優(yōu)于角反射器；（2）龍伯透鏡在雷達屏幕穩(wěn)定度方面明顯優(yōu)于角反射器。

我國也較早開展了有關(guān)龍伯透鏡技術(shù)實踐。1986年在曹妃甸燈樁第四次重建過程中即加裝了四組三構(gòu)型龍伯透鏡，天津港主航道海域活節(jié)式燈樁也安裝有龍伯透鏡進行了試驗。由于技術(shù)條件限制未能開展參數(shù)量化統(tǒng)計，且安裝試驗時間較短，最終未獲得相關(guān)結(jié)論。

3.2 方案設(shè)計

本文主要討論解決替代燈浮標角反射器及四季通用燈浮提升雷達反射截面積的解決方案。以某系列龍伯透鏡反射器技術(shù)參數(shù)作為參考及設(shè)計，具體見表1。

（1）三面角反射器廣泛應(yīng)用在現(xiàn)有燈浮標中，單體三面角反射器波束寬度約為40度，理論上應(yīng)配置9單元構(gòu)成組合體實現(xiàn)全向反射。實踐中8單元三面角反射器組合體較多，一般安裝在燈浮標護身圈四周，一定程度上會限制了航標維修作業(yè)空間；由于海上面臨震動、垂蕩等多自由度運動影響常出現(xiàn)脫落情況，一定程度上影響了燈浮標雷達反射截面積顯形效果。

現(xiàn)有燈浮標頂標為玻璃鋼或聚乙烯材質(zhì)，具有較好的雷達波透射性，同時其直徑為450mm-600mm之間可滿足空間要求，因此考量現(xiàn)有燈浮標結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，擬將龍伯透鏡安裝于頂標中空空間之內(nèi)，以盡量減少了對現(xiàn)有燈浮標的結(jié)構(gòu)改動。

（2）北方海區(qū)面臨冬季海冰的特點，需要進行季節(jié)性冰區(qū)燈浮標的更換工作。較常見的冰區(qū)燈浮標分為鋼制、非鋼制兩種。

鋼制冰區(qū)燈浮標為梭形，其干舷較低，同常規(guī)燈浮標相比雷達反射截面積較小，在非熟悉航道、轉(zhuǎn)向較多及夜航等情況下尤其要求航海者謹慎瞭望。

較常見的非鋼制冰區(qū)燈浮標為四季通用性，有力降低了水上航標更換作業(yè)強度，其設(shè)計干舷高度為2850mm-3180mm，理論雷達反射截面積最大為8m2，較鋼制冰區(qū)燈浮標有一定提升，實踐中較難達到8m2理論參數(shù)，距常規(guī)燈浮標仍有較大差距。根據(jù)麥克斯韋電磁理論，電磁波照射在導(dǎo)體表面時，電磁波的交變電場與交變磁場在導(dǎo)體表面產(chǎn)生感生電磁場，交變的感生電磁場對外輻射電磁波，即雷達反射波；而非金屬材料無自由電子無法產(chǎn)生感生電磁場，即無感生電磁波，入射雷達電磁波可較好穿過。而該型航標采用框架式榫卯結(jié)構(gòu)，中部為鋼制框架具有較好雷達反射效果，其外殼線性低密度聚乙烯及填充料閉水型聚氨酯等非金屬占比較大一定程度上影響了雷達反射效果。

鋼制冰區(qū)燈浮標受內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，可在燈器上部加裝法蘭架安裝，一定程度上會破壞現(xiàn)有構(gòu)型強度及抗導(dǎo)冰能力；對非鋼制冰區(qū)四季通用燈浮標，擬利用其電池倉、太陽能充電設(shè)備空間加裝龍伯透鏡反射器，外部構(gòu)型保持完整，可對雷達波進行較好反射放大作用。

（3）對于固定航標而言，一般其結(jié)構(gòu)較為完整，雷達反射效果較好，可在充分試驗龍伯透鏡反射器等雷達增強設(shè)備基礎(chǔ)上綜合考慮在燈塔、燈樁及導(dǎo)標等設(shè)施的安裝可行性。

4.結(jié)語

本文簡述了主要航標用雷達反射器的性能與指標，總結(jié)和分析了無源型龍伯透鏡反射器在航標領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為提升新型長效燈浮標等雷達有效反射截面積提供了一種解決方案，其性能優(yōu)越且具有較強的環(huán)境耐受性。隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，龍伯透鏡反射器有望更好地服務(wù)于航海者。

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