港口水域使用雷達(dá)的局限性及對策

胡曉慧

一、引言

由于港口水域航行環(huán)境和海上開闊水域存在明顯差異，雷達(dá)設(shè)備存在諸多性能限制，因而在港口水域使用雷達(dá)應(yīng)與在海上開闊水域有所區(qū)別。本文根據(jù)上海港的航行環(huán)境和雷達(dá)使用情況，就雷達(dá)設(shè)備的性能限制、圖像調(diào)節(jié)等方面，探討在港口水域使用雷達(dá)時的注意事項，以提醒駕引人員注意因雷達(dá)設(shè)備的性能限制和復(fù)雜航行環(huán)境所帶來的風(fēng)險。

二、在港口水域使用雷達(dá)設(shè)備的局限性

港口水域內(nèi)船舶通航密度大，船舶間距離近且機(jī)動頻繁。這些會導(dǎo)致雷達(dá)難以穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，降低目標(biāo)數(shù)據(jù)精度。

（一）雷達(dá)的目標(biāo)分辨能力有限制

根據(jù)IMO雷達(dá)設(shè)備性能標(biāo)準(zhǔn)MSC.192（79）的規(guī)定，在平靜的海面使用1.5海里或更小的量程，在量程的50%～100%范圍內(nèi)，兩個點物標(biāo)的距離分辨力應(yīng)不低于40米，方位分辨力應(yīng)不低于2.5度[1]。當(dāng)目標(biāo)間距離小于40米或方位差小于2.5度時，雷達(dá)可能無法分辨目標(biāo)，也無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。這種超出雷達(dá)分辨能力的情況，在通航密度大的港口水域較為常見。

圖1是上海港南槽航道進(jìn)口高峰時拍攝的雷達(dá)圖像。圖中出現(xiàn)了嚴(yán)重的回波粘連現(xiàn)象。其原因就是船舶密度過大，目標(biāo)間距離太近，超出了雷達(dá)的目標(biāo)分辨能力。雷達(dá)無法分辨這些粘連在一起的目標(biāo)回波，也無法準(zhǔn)確捕獲并穩(wěn)定跟蹤這些目標(biāo)。對那些尚可分辨的目標(biāo)，即使雷達(dá)能夠捕獲，在跟蹤的過程中也極易發(fā)生目標(biāo)丟失或交換，難以獲取目標(biāo)的準(zhǔn)確運動數(shù)據(jù)。

圖1 上海港進(jìn)口高峰雷達(dá)圖像

（二）雷達(dá)跟蹤處理目標(biāo)信息存在延時

雷達(dá)捕獲目標(biāo)后，需要對目標(biāo)信息進(jìn)行濾波處理，才能穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)。在濾波過程中，雷達(dá)需要累積目標(biāo)的過往數(shù)據(jù)，濾除各種傳感器誤差，平滑目標(biāo)及本船的運動和氣象海況等的不利影響[2]。在完成這些過程后，雷達(dá)才能預(yù)測目標(biāo)未來的航向和航速，計算并輸出目標(biāo)的運動數(shù)據(jù)。從濾波的過程可以看出，雷達(dá)捕獲目標(biāo)后要延遲一段時間才能輸出目標(biāo)的運動數(shù)據(jù)。當(dāng)目標(biāo)發(fā)生機(jī)動航行時，由于濾波過程的耗時，導(dǎo)致雷達(dá)不能及時反饋目標(biāo)的機(jī)動變化，對目標(biāo)運動的預(yù)測存在延時。濾波過程造成了雷達(dá)對目標(biāo)機(jī)動處理的延時，因而影響了雷達(dá)對近距離、高機(jī)動目標(biāo)的跟蹤精度[2]。

圖2中的3號目標(biāo)（箭頭位置）是在上海港北槽航道作業(yè)的測量船，在作業(yè)過程中多次穿越航道，其機(jī)動尤為頻繁。圖2是在其掉頭時所拍攝。通過圖中3號目標(biāo)的真尾跡，可以看出測量船已經(jīng)完成了掉頭，并開始向東北方向航行，但其真矢量卻依然指向西南方向，存在明顯錯誤。在面對高機(jī)動的目標(biāo)時，雷達(dá)提供的目標(biāo)運動數(shù)據(jù)并不可靠，甚至?xí)o出錯誤的數(shù)據(jù)。

圖2 機(jī)動目標(biāo)雷達(dá)圖像

三、港口水域內(nèi)雷達(dá)圖像的調(diào)節(jié)

由于海上開闊水域的航行環(huán)境和港口水域存在較大區(qū)別，船舶從海上進(jìn)入港口水域時，雷達(dá)回波組成變得更為復(fù)雜。簡單地減小雷達(dá)量程，直接沿用海上的圖像調(diào)節(jié)參數(shù)，難以發(fā)揮雷達(dá)應(yīng)有性能。

（一）雷達(dá)圖像應(yīng)隨航行環(huán)境的變化而不斷優(yōu)化

在港口水域，雷達(dá)回波的組成要比海上開闊水域更為復(fù)雜。除了海上常見的海浪雜波、雨雪雜波外，還有多種假回波。這主要是因為，在港口水域目標(biāo)距離近，岸吊、高樓等強反射目標(biāo)多，使得雷達(dá)波反射更為強烈，易形成多種假回波和雜波。使用雷達(dá)時，應(yīng)選擇合適的量程和脈沖寬度，有針對性地調(diào)節(jié)增益和雜波抑制控鈕，使雷達(dá)圖像與航行環(huán)境時刻保持匹配。

以船舶在上海港北槽航道進(jìn)口航行為例，到達(dá)橫沙島以前，船舶密度通常不大，但航道兩側(cè)水域常有小漁船活動，這時應(yīng)優(yōu)先考慮雷達(dá)對弱小目標(biāo)的探測，應(yīng)適當(dāng)加大增益并選擇寬脈沖。到達(dá)橫沙島后，船舶密度開始變大，強反射目標(biāo)增多，小漁船數(shù)量有所減少，這時應(yīng)優(yōu)先考慮雷達(dá)的探測精度和目標(biāo)分辨力，可選擇窄脈沖并適當(dāng)減小增益。

（二）注意調(diào)節(jié)雷達(dá)圖像時各參數(shù)之間的矛盾

在調(diào)節(jié)雷達(dá)圖像時，有些參數(shù)之間往往是互相矛盾的。比如，為了提高雷達(dá)對弱小目標(biāo)的探測能力，需加大增益，選擇更大的脈沖寬度，但這可能導(dǎo)致其他目標(biāo)回波失真，雜波增強，雷達(dá)探測精度和目標(biāo)分辨力降低。為了應(yīng)對港口水域船舶密度高、強反射源多的航行環(huán)境，使用雷達(dá)時應(yīng)減小增益，選擇窄脈沖，以提高雷達(dá)的探測精度和目標(biāo)分辨力，但這會降低雷達(dá)對弱小目標(biāo)的探測能力。因此很難找到一組適合所有航行環(huán)境的調(diào)節(jié)參數(shù)。雷達(dá)圖像調(diào)節(jié)的過程實際上是雷達(dá)各性能之間相互平衡的過程，不可能找到某一組參數(shù)使得雷達(dá)的各種性能都達(dá)到最佳狀態(tài)。

四、港口水域使用雷達(dá)時的注意事項

（一）雷達(dá)不適合在港口水域避碰

1.雷達(dá)的CPA精度不能滿足港口水域避碰要求

根據(jù)IMO雷達(dá)設(shè)備性能標(biāo)準(zhǔn)MSC192.（79）規(guī)定，在雷達(dá)對目標(biāo)建立穩(wěn)定跟蹤后，CPA精度為±0.3海里[1]。在海上開闊水域，船舶間CPA通常控制在2海里左右，±0.3海里的CPA精度能夠保證安全。在港口水域，船舶間CPA可能會減小到僅有幾十米。例如在上海港的北槽航道、黃浦江這樣的狹水道內(nèi)，船舶間CPA很可能小于0.1海里，這樣的CPA數(shù)據(jù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了雷達(dá)設(shè)備的性能標(biāo)準(zhǔn)，不能用于避碰。有資料認(rèn)為當(dāng)CPA控制到0.8海里仍不能滿足航行需要時，雷達(dá)提供的信息就只能作為參考[2]。因此，在船舶密度較大的港口水域不能簡單依據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)采取避碰措施。

2.雷達(dá)解算目標(biāo)運動數(shù)據(jù)耗時過長不滿足港口水域避碰要求

在IMO雷達(dá)設(shè)備性能標(biāo)準(zhǔn)MSC192.（79）中規(guī)定，雷達(dá)應(yīng)在3分鐘內(nèi)顯示目標(biāo)預(yù)測運動[1]。從雷達(dá)捕獲目標(biāo)，到解算出滿足精度要求的目標(biāo)運動數(shù)據(jù)，存在近3分鐘的延時。使用雷達(dá)避碰時，通常應(yīng)選擇12海里量程[3]。這是考慮到了雷達(dá)避碰的原理和相關(guān)性能限制的合理做法。但在港口水域內(nèi)，雷達(dá)多使用3海里或1.5海里甚至更小的量程（黃浦江內(nèi)多使用0.75海里量程）。面對距離如此近的目標(biāo)，3分鐘的等待時間過長，會引發(fā)更多的碰撞風(fēng)險。有資料顯示，全世界每年因雷達(dá)延時造成碰撞的船舶達(dá)數(shù)百艘之多[4]。

在復(fù)雜的航行環(huán)境中，雷達(dá)可能無法分辨目標(biāo)，出現(xiàn)目標(biāo)丟失、目標(biāo)交換、處理延時等問題，也可能出現(xiàn)因目標(biāo)數(shù)據(jù)超出雷達(dá)性能標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致目標(biāo)數(shù)據(jù)不可信、雷達(dá)頻繁報警等問題。這些因素使得雷達(dá)在港口水域不能用于避碰。

（二）在港口水域使用雷達(dá)時不適合使用對水速度

在港口水域航行時，雷達(dá)目標(biāo)種類和數(shù)量都遠(yuǎn)多于海上，既有浮標(biāo)、拋錨船等靜止目標(biāo)，更有大量航行船舶這類運動目標(biāo)。駕引人員在面對大量雷達(dá)目標(biāo)時，不可能將注意力平均分配給每個目標(biāo)。因此，如何在大量目標(biāo)中快速準(zhǔn)確地找出危險目標(biāo)，對港內(nèi)安全航行有著重要意義。雷達(dá)的真尾跡功能可以起到快速區(qū)分目標(biāo)的作用[4]，但要有效使用該功能，還需正確選擇本船的速度。

圖3、圖4是上海港江亞錨地出口航行時拍攝的雷達(dá)圖像。圖3中本船速度選擇的是對水模式。該模式下，拋錨船、浮標(biāo)等靜止目標(biāo)以與風(fēng)流壓差相反的方向和速度移動，其顯示的對水真尾跡和運動目標(biāo)的對水真尾跡很相似，難以通過雷達(dá)快速區(qū)分并找出危險目標(biāo)。本船的對水真矢量也不能直觀準(zhǔn)確地反映本船風(fēng)、流壓差的大小，不利于監(jiān)控船位和避讓固定目標(biāo)，特別是在水流復(fù)雜的水域會產(chǎn)生更多的航行風(fēng)險。圖4中本船速度選擇的是對地模式。該模式下，駕引人員通過雷達(dá)能快速分辨出哪些是應(yīng)該重點關(guān)注的目標(biāo)，可以時刻掌握本船的風(fēng)、流壓差，有利于港口水域的安全航行。

圖3 對水真運動模式雷達(dá)圖像

圖4 對地真運動模式雷達(dá)圖像

在實際工作中，常遇到有些船舶為滿足避碰要求，進(jìn)入港口水域后仍堅持選擇對水速度（如圖5所示）。這可能與船公司體系文件的規(guī)定有關(guān)。有些公司為了規(guī)避可能產(chǎn)生的法律風(fēng)險，在體系文件中明確要求船長或駕駛員，在港口水域使用雷達(dá)時選擇對水速度。面對港口水域復(fù)雜的航行環(huán)境，這種為了規(guī)避法律風(fēng)險，不考慮具體環(huán)境的做法是不明智的，也可能是危險的。船公司在制定相關(guān)體系文件時應(yīng)該更為細(xì)致，最好將港口水域和海上開闊水域區(qū)分開來，分別制定相應(yīng)體系文件。

圖5 某船雷達(dá)使用規(guī)則

（三）謹(jǐn)慎使用雷達(dá)的自動雜波控制功能

雷達(dá)自動雜波抑制主要有自動海浪雜波抑制（AUTO-SEA）、自動雨雪抑制（AUTO-RAIN）、自動抗雜波（CFAR）等。自動雜波抑制功能通常只適合回波組成比較簡單的水域[2]。在港口水域，雷達(dá)回波組成復(fù)雜，包含多種類型目標(biāo)回波及雜波。自動雜波抑制無法等效處理這些復(fù)雜多樣的回波，可能導(dǎo)致弱小目標(biāo)回波被當(dāng)成雜波抑制。特別是當(dāng)本船雷達(dá)處于不穩(wěn)定顯示模式下，本船首向的變化會引起目標(biāo)回波的不穩(wěn)定，弱小目標(biāo)的回波更容易被抑制。因而，在使用自動雜波抑制功能時，要更為謹(jǐn)慎地對待弱小目標(biāo)，同時要避免在不穩(wěn)定顯示模式下使用自動雜波抑制功能。

五、結(jié)束語

駕引人員在使用雷達(dá)時，應(yīng)充分考慮本船周圍的航行環(huán)境和雷達(dá)設(shè)備的性能限制。尤其是進(jìn)入港口水域時，要注意復(fù)雜的航行環(huán)境會對雷達(dá)設(shè)備帶來諸多不利影響，甚至導(dǎo)致雷達(dá)的部分功能不適用。不應(yīng)強調(diào)在港口水域內(nèi)使用雷達(dá)的避碰功能，而應(yīng)合理使用雷達(dá)的定位、導(dǎo)航、瞭望、觀測等其他有助于航行安全的功能。同時，為了更好地使用雷達(dá)，應(yīng)該選擇合適的顯示模式和速度，并對雷達(dá)圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。沿用在海上開闊水域的雷達(dá)設(shè)置，可能無法發(fā)揮雷達(dá)設(shè)備的應(yīng)有性能，并帶來額外的航行風(fēng)險。