在港口水域使用雷達(dá)的局限性和注意事項(xiàng)
一、引言
由于港口水域航行環(huán)境和海上開(kāi)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(kāi)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(shí)的注意事項(xiàng)，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(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。
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(dòng)頻繁。這些會(huì)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(gè)點(diǎn)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(shí)，雷達(dá)可能無(wú)法分辨目標(biāo)，也無(wú)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(jiàn)。
圖1是上海港南槽航道進(jìn)口高峰時(shí)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(guò)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(wú)法分辨這些粘連在一起的目標(biāo)回波，也無(wú)法準(zhǔn)確捕獲并穩(wěn)定跟蹤這些目標(biāo)。對(duì)那些尚可分辨的目標(biāo)，即使雷達(dá)能夠捕獲，在跟蹤的過(guò)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(yùn)動(dòng)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(shí)
雷達(dá)捕獲目標(biāo)后，需要對(duì)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(guò)程中，雷達(dá)需要累積目標(biāo)的過(guò)往數(shù)據(jù)，濾除各種傳感器誤差，平滑目標(biāo)及本船的運(yùn)動(dòng)和氣象海況等的不利影響[2]。在完成這些過(guò)程后，雷達(dá)才能預(yù)測(cè)目標(biāo)未來(lái)的航向和航速，計(jì)算并輸出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。從濾波的過(guò)程可以看出，雷達(dá)捕獲目標(biāo)后要延遲一段時(shí)間才能輸出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。當(dāng)目標(biāo)發(fā)生機(jī)動(dòng)航行時(shí)，由于濾波過(guò)程的耗時(shí)，導(dǎo)致雷達(dá)不能及時(shí)反饋目標(biāo)的機(jī)動(dòng)變化，對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)存在延時(shí)。濾波過(guò)程造成了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)處理的延時(shí)，因而影響了雷達(dá)對(duì)近距離、高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤精度[2]。
圖2中的3號(hào)目標(biāo) ( 箭頭位置 ) 是在上海港北槽航道作業(yè)的測(cè)量船，在作業(yè)過(guò)程中多次穿越航道，其機(jī)動(dòng)尤為頻繁。圖2是在其掉頭時(shí)所拍攝。順利獲得圖中3號(hào)目標(biāo)的真尾跡，可以看出測(cè)量船已經(jīng)完成了掉頭，并開(kāi)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(cuò)誤。在面對(duì)高機(jī)動(dòng)的目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)給予的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并不可靠，甚至?xí)o出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
圖2 機(jī)動(dòng)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(kāi)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(shí)，雷達(dá)回波組成變得更為復(fù)雜。簡(jiǎn)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(kāi)闊水域更為復(fù)雜。除了海上常見(jiàn)的海浪雜波、雨雪雜波外，還有多種假回波。這主要是因?yàn)?，在港口水域目標(biāo)距離近，岸吊、高樓等強(qiáng)反射目標(biāo)多，使得雷達(dá)波反射更為強(qiáng)烈，易形成多種假回波和雜波。使用雷達(dá)時(shí)，應(yīng)選擇合適的量程和脈沖寬度，有針對(duì)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(shí)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(dòng)，這時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮雷達(dá)對(duì)弱小目標(biāo)的探測(cè)，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(kāi)始變大，強(qiáng)反射目標(biāo)增多，小漁船數(shù)量有所減少，這時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮雷達(dá)的探測(cè)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(shí)各參數(shù)之間的矛盾
在調(diào)節(jié)雷達(dá)圖像時(shí)，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(duì)弱小目標(biāo)的探測(cè)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(qiáng)，雷達(dá)探測(cè)精度和目標(biāo)分辨力降低。為了應(yīng)對(duì)港口水域船舶密度高、強(qiáng)反射源多的航行環(huán)境，使用雷達(dá)時(shí)應(yīng)減小增益，選擇窄脈沖，以提高雷達(dá)的探測(cè)精度和目標(biāo)分辨力，但這會(huì)降低雷達(dá)對(duì)弱小目標(biāo)的探測(cè)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(guò)程實(shí)際上是雷達(dá)各性能之間相互平衡的過(guò)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(shí)的注意事項(xiàng)
( 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(mǎn)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(duì)目標(biāo)建立穩(wěn)定跟蹤后，CPA精度為±0.3海里[1]。在海上開(kāi)闊水域，船舶間CPA通?？刂圃?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(huì)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(mǎn)足航行需要時(shí)，雷達(dá)給予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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)不滿(mǎn)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(cè)運(yùn)動(dòng)[1]。從雷達(dá)捕獲目標(biāo)，到解算出滿(mǎn)足精度要求的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，存在近3分鐘的延時(shí)。使用雷達(dá)避碰時(shí)，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(duì)距離如此近的目標(biāo)，3分鐘的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)引發(fā)更多的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。有資料顯示，全世界每年因雷達(dá)延時(shí)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(wú)法分辨目標(biāo)，出現(xiàn)目標(biāo)丟失、目標(biāo)交換、處理延時(shí)等問(wèn)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(bào)警等問(wèn)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(shí)不適合使用對(duì)水速度
在港口水域航行時(shí)，雷達(dá)目標(biāo)種類(lèi)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(lèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。駕引人員在面對(duì)大量雷達(dá)目標(biāo)時(shí)，不可能將注意力平均分配給每個(gè)目標(biāo)。因此，如何在大量目標(biāo)中快速準(zhǔn)確地找出危險(xiǎn)目標(biāo)，對(duì)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(shí)拍攝的雷達(dá)圖像。圖3中本船速度選擇的是對(duì)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(dòng)，其顯示的對(duì)水真尾跡和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的對(duì)水真尾跡很相似，難以順利獲得雷達(dá)快速區(qū)分并找出危險(xiǎn)目標(biāo)。本船的對(duì)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(huì)產(chǎn)生更多的航行風(fēng)險(xiǎn)。圖4中本船速度選擇的是對(duì)地模式。該模式下，駕引人員順利獲得雷達(dá)能快速分辨出哪些是應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的目標(biāo)，可以時(shí)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(duì)水真運(yùn)動(dòng)模式雷達(dá)圖像
圖4 對(duì)地真運(yùn)動(dòng)模式雷達(dá)圖像
在實(shí)際工作中，常遇到有些船舶為滿(mǎn)足避碰要求，進(jìn)入港口水域后仍堅(jiān)持選擇對(duì)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(xiǎn)，在體系文件中明確要求船長(zhǎng)或駕駛員，在港口水域使用雷達(dá)時(shí)選擇對(duì)水速度。面對(duì)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(xiǎn)，不考慮具體環(huán)境的做法是不明智的，也可能是危險(xiǎn)的。船公司在制定相關(guān)體系文件時(shí)應(yīng)該更為細(xì)致，最好將港口水域和海上開(kāi)闊水域區(qū)分開(kāi)來(lái)，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(dòng)雜波控制功能
雷達(dá)自動(dòng)雜波抑制主要有自動(dòng)海浪雜波抑制 ( AUTO-SEA )、自動(dòng)雨雪抑制 ( AUTO-RAIN )、自動(dòng)抗雜波 ( CFAR ) 等。自動(dòng)雜波抑制功能通常只適合回波組成比較簡(jiǎn)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(lèi)型目標(biāo)回波及雜波。自動(dòng)雜波抑制無(wú)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(huì)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(dòng)雜波抑制功能時(shí)，要更為謹(jǐn)慎地對(duì)待弱小目標(biāo)，同時(shí)要避免在不穩(wěn)定顯示模式下使用自動(dòng)雜波抑制功能。
五、結(jié)語(yǔ)
駕引人員在使用雷達(dá)時(shí)，應(yīng)充分考慮本船周?chē)暮叫协h(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(shí)，要注意復(fù)雜的航行環(huán)境會(huì)對(duì)雷達(dá)設(shè)備帶來(lái)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(qiáng)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(cè)等其他有助于航行安全的功能。同時(shí)，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(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。沿用在海上開(kāi)闊水域的雷達(dá)設(shè)置，可能無(wú)法發(fā)揮雷達(dá)設(shè)備的應(yīng)有性能，并帶來(lái)額外的航行風(fēng)險(xiǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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[4]陸悅銘,詹海東,梅英群.船用雷達(dá)在上海港引航中的應(yīng)用[J].港口科技,2007(10):23-28.
作者簡(jiǎn)介：
胡曉慧，上海港引航站，一級(jí)引航員。本文刊發(fā)于《世界海運(yùn)》2020年第7期
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