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相控陣雷達

鎖定
相控陣雷達即相位控制電子掃描陣列雷達,其快速而精確轉換波束的能力使雷達能夠在1min內完成全空域的掃描。所謂相控陣雷達是由大量相同的輻射單元組成的雷達面陣,每個輻射單元在相位和幅度上獨立受波控和移相器控制,能得到精確可預測的輻射方向圖和波束指向。雷達工作時發射機通過饋線網絡將功率分配到每個天線單元,通過大量獨立的天線單元將能量輻射出去並在空間進行功率合成,形成需要的波束指向。 [1] 
中文名
相控陣雷達 [1] 
外文名
Phased Array Radar [1] 
簡    稱
PAR [2] 
優    點
同時針對多個目標,功能的多樣性,機動性強,對干擾的抵抗能力強 [2] 
分    類
被動無源式、主動有源式 [2] 
作    用
戰略預警 [3] 

相控陣雷達概念

相控陣雷達(PAR),就是指通過相位控制電子對陣列雷達進行掃描,利用大量的個別控制的小型的天線進行單元排列,最終形成天線陣面,並且每一個天線單元都由各自獨立的開關進行控制,形成不同的相位波束。相控陣的發射是以一種干涉原理形成一個將近於直的雷達主瓣,許多旁瓣的產生是因為進行組合的天線單元是不均勻的。 [2] 

相控陣雷達歷史

相控陣技術,早在20世紀30年代後期就已經出現。1937年,美國首先開始這項研究工作。但一直到20世紀50年代中期才研製出2部實用型艦載相控陣雷達。 [4] 
諾斯羅普公司為F-16開發新型AESA雷達 諾斯羅普公司為F-16開發新型AESA雷達
20世紀60年代,美國和前蘇聯相繼研製和裝備了多部相控陣雷達,多用於彈道導彈防禦系統,如美國的AN/FPS-46、AN/FPS-85、MAR、MSR,前蘇聯的“雞籠”和“狗窩”等。這些都屬於固定式大型相控陣雷達,其共同點:採用固定式平面陣天線,天線體積大、輻射功率高、作用距離遠。其中美國的AN/FPS-85和前蘇聯的“狗窩”最為典型。 [4] 
20世紀70年代,相控陣雷達得到了迅速發展,除美蘇兩國外,又有很多國家研製和裝備了相控陣雷達,如英、法、日、意、德、瑞典等。其中最為典型的有:美國的AN/TPN-25 、AN/TPQ-37和GE-592、英國的AR-3D、法國的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德國的KR-75等。這一時期的相控陣雷達具有機動性高、天線小型化、天線掃描體制多樣化、應用範圍廣等特點。 [4] 
20世紀80年代,相控陣雷達由於具有很多獨特的優點,得到了更進一步的應用。在已裝備和正在研製的新一代中、遠程防空導彈武器系統中多采用多功能相控陣雷達,它已成為第三代中、遠程防空導彈武器系統的一個重要標誌。從而,大大提高了防空導彈武器系統的作戰性能。在21世紀,相控陣雷達隨着科技的不斷髮展和現代戰爭兵器的特點,其製造和研究將會更上一層樓。 [4] 

相控陣雷達種類

相控陣雷達可以分成兩個種類。第一,被動無源式,簡稱 PESA,它是一種技術性能比較低的雷達,在上世紀 80 年代已經發展成熟,並且應用於艦艇和中小型的飛機上面。第二種,是比第一種性能更加優異,發展前景也足夠好,並且技術性能也更加的高的雷達技術,這種技術是到了 90 年代末才得以應用,開始應用於戰機和艦載系統的,這種技術就是“主動有源式(AESA)”。 [2] 

相控陣雷達特點

美國將在日本部署的X波段相控陣雷達海基版 美國將在日本部署的X波段相控陣雷達海基版
相控陣雷達相比其他的雷達是具有強大生命力和靈活性,是由於它遠勝於一般的、應用機械進行掃描的雷達,它的特點主要有如下幾個方面。 [2] 

相控陣雷達同時針對多個目標

相控陣雷達是使用電子掃描的,它的波束指向具有靈活性,使得掃描可以快速進行,也可以實現多個目標的同時跟蹤,並與計算機相互配合能對多個不同方向、不同高度的目標進行有效的發現、勘探以及進行跟蹤,與此同時能夠引導多枚導彈對眾多個空中的目標進行攻擊。因此相控陣雷達多使用於目標眾多、方向不同並且有不同層次的空襲中。 [2] 

相控陣雷達功能的多樣性 機動性強

相控陣雷達是一部可以代替多部專用雷達工作的系統,它可以同時形成多個波束並且對其進行獨立的控制。這些波束可以進行搜索、勘探、識別、跟蹤、對目標進行照射以及對導彈進行制導等。正因為如此,它可以很大程度的對武器系統設備進行減少,從而提升了系統的機動能力。 [2] 

相控陣雷達對干擾的抵抗能力強

機載有源相控陣--21世紀機載雷達的革命 機載有源相控陣--21世紀機載雷達的革命
相控陣雷達具有非常高的功率並且能對能量進行合理地管理,並對主瓣增益進行控制根據方向的不同分配不同的能量並進行發射,這樣做更有益於對自適應旁瓣的抑制。也有益於進行各種干擾自適應的抵抗,可以快速的發現遠距離目標以及小型雷達反射面的目標,與此同時還可以對反輻射導彈的抵抗能力。 [2] 
相控陣雷達的發射系統由數十至上百塊功率放大模塊組成,通過相控陣天線採用集中式發射,集中向天線面陣饋電並通過移相控制波束方向,發射饋線損耗較大,同時放大模塊故障率較高。相控陣發射機長時間工作後,經常出現個別功率放大模塊和線纜老化情況,雖然不會使雷達整體停止工作,但輻射方向圖和波束指向均會發生偏移,進而對雷達精度和探測範圍產生影響,亟需低成本的有效、可靠方法實現發射機全部功率放大模塊的有效實時監控,從而降低相控陣雷達檢修維護的難度。 [1] 

相控陣雷達現實應用

相控陣雷達在現代戰爭中廣泛地應用着電子定位技術,並且對其進行了深入的探索,在軍事中,海空中進行遠程的精準打擊是很大的需求,這就要求定位技術的更深層次的應用。 [2] 
靶場測量:靶場是常見的對武器裝備進行實驗以及鑑定的場所,還可以對航天器進行實驗、發射。靶場的測量是在試驗的基礎上,為應用服務的。 [2] 
1. 導彈靶場。導彈靶場分為兩個部分,即上靶場和下靶場,上靶場也被稱為發射區或者首區,下靶場也叫做再入區或者是落區、着彈區。導彈的上靶場是對導彈進行發射的場所。它的主要任務就是監視導彈的飛行軌道是否是預設軌道,是確認靶場安全的依據,並且對新型的導彈在飛行過程中出現的各種物理現象提供數據。導彈的下靶場,主要是對導彈目標的特性以及反導武器的系統進行測量和鑑定的場所。 [2] 
2. 航天靶場。戰略導彈是航天運載火箭的基礎,所以,早期的導彈靶場想在依舊是中孤傲的航天器發射點。 [2] 
3. 常規靶場。常規靶場可以分為常規兵器靶場以及電子靶場。其中常規兵器靶場一向是各個國家要進行大力發展的重點。它具有威力大,精度高,多種功能,效能好以及費用低廉的特點。 [2] 

相控陣雷達原理

一般的雷達波束掃描是靠雷達天線的轉動實現的,被稱為機械掃描。而相控陣雷達是用電的方式控制雷達波束的指向變動來進行掃描發現目標的。這種方式被稱為電掃描。相控陣雷達雖然不能像其他雷達那樣靠旋轉天線來使電磁瓣轉動,一個相位一個相位地進行搜索。但它自有自己的“絕招”,那就是使用“移相器”來實現電磁瓣轉動。 [5] 
在相控陣雷達直徑為幾十米的圓形天線陣上,排列着上萬個能發射電磁波的輻射器,每個輻射器配有一個“移相器”,每個“移相器”都由電子計算機控制。當雷達工作時,電子計算機就通過控制這些“移相器”,來改變每個輻射器向空中發射電磁波的“相位”,從而使電磁瓣能像轉動的天線一樣,一個相位一個相位地偏轉,從而完成對空搜索使命。例如,美國裝備的“鋪路爪”相控陣預警雷達在固定不動的圓形天線陣上,排列着15360個能發射電磁波的輻射器和2000個不發射電磁波的輻射器。這15360個輻射器分成96組,與其他不發射電磁波的輻射器搭配起來。這樣,每組由各自的發射機供給電能,也由各自的接收機來接收自己的回波。所以,它實際上是%部雷達的組合體。如果我們把通常的雷達稱作“個體户”,那麼相控陣雷達就相當於一個“合作社”了。 [5] 
相控陣雷達使用1個不動的天線陣面,就可以對120°扇面內的目標進行探測,使用3個天線陣面,就能實現360°無間斷的目標探測和跟蹤。“鋪路爪”就有3個固定不動的大型天線面陣,可以對360°範圍內的目標進行探測,探測距離達5000公里。當相控陣雷達警戒、搜索遠距離目標時,雖然看不到天線轉動,但上萬個輻射器通過電子計算機控制集中向一個方向發射、偏轉,即使是上萬公里外來襲的洲際導彈和幾萬公里遠的衞星,也逃不過它的“眼睛”。如果是對付較近的目標,這些輻射器又可以分工負責,有的搜索、有的跟蹤、有的引導,同時工作。每個“移相器”可根據自己擔負的任務,使電磁瓣在不同的方向上偏轉,相當於無數個天線在轉動,其速度之快非一般天線所能相比。正是由於這種雷達天線摒棄了一般雷達天線的工作原理,利用“移相器”來實現電磁瓣的轉動,人們給它起了個與眾不同的名字——相控陣雷達,代表着“相位可以控制的天線陣”的含義。 [5] 

相控陣雷達分類

相控陣雷達分為有源和無源兩類。其實,有源和無源相控陣雷達的天線陣基本相同,二者的主要區別在於發射/接收單元的多少。 [6] 
無源相控陣雷達僅有一箇中央發射機和一個接收機,發射機產生的高頻能量經計算機自動分配給天線陣的各個輻射單元,目標反射信號經接收機統一放大(這一點與普通雷達區別不大)。 [6] 
有源相控陣雷達的每個天線單元都配裝有一個發射/接收組件,每一個組件都能自己產生、接收電磁波,因此在頻寬、信號處理和冗度設計上都比無源相控陣雷達具有較大的優勢。正因為如此,也使得有源相控陣雷達的造價昂貴,工程化難度加大。但有源相控陣雷達在功能上有獨特優點,大有取代無源相控陣雷達的趨勢。 [6] 
俄羅斯的“頓河”有源雷達 俄羅斯的“頓河”有源雷達
有源相控陣雷達最大的難點在於發射/接收單元的製造上,相對來説,無源相控陣雷達的技術難度要小得多。無源相控陣雷達在功率、效率、波束控制及可靠性等方面不如有源相控陣雷達,但是在功能上卻明顯優於普通機械掃描雷達,不失為一種較好的折中方案。因此在研製出實用的有源相控陣雷達之前,完全可以採用無源相控陣雷達作為過渡產品。而且,即使有源相控陣雷達研製成功以後,無源相控陣雷達作為相控陣雷達家族的一種低端產品,仍具有很大的實用價值。 [6] 

相控陣雷達發展趨勢

蘇35的雪豹E型機載雷達 蘇35的雪豹E型機載雷達
多功能相控陣雷達的發展經歷了無源、有源以及數字三個階段。無源相控陣雷達配置了中央功率產生器,可以通過雷達內的無源網絡對發射功率進行調整,如使用透鏡系統或波導網絡對陣元的信號發射功率進行分配等。相較於傳統的機械雷達,其最大的特點是為每一陣元分配了獨立的移相器。有源相控陣雷達則是為每一陣元配置了一組完整的組件,利用該組件完成中央功率產生器的相關功能,且其功能更完善如相位與增益可調,集成度與靈敏度更高。數字相控陣雷達則將進一步提升了固態集成電路的佔比,將數字波束形成技術應用到相控陣雷達中來提升雷達的掃描頻率、掃描範圍以及抗干擾性。 [7] 
中國公開新型相控陣雷達 中國公開新型相控陣雷達
由於多功能相控陣雷達技術先進、製造成本高昂,除了軍事用途之外,還可以作為氣象雷達和空中交通管制雷達。其發展趨勢是,在技術性能方面朝着薄型輕型封裝、寬的全帶寬和瞬時帶寬、多任務功能、動態軟件 ( 認知) 模式、模塊化開放系統結構( MOSA) 、多領域可兼容性工作方向發展; 在戰術性能方面朝着多功能、自適應、網絡化、可互操作性方向發展; 在服務保障方面朝着高可靠性、可維護性,迅速更換模塊方向發展。 [6] 
封裝: 薄型、輕型、共形天線,較少元器件、外場可更換單元、外場可更換模塊。 [6] 
帶寬: 不斷加寬的全帶寬和瞬時帶寬。 [6] 
更多任務功能: 雷達、通信、電子戰、情報、監視、偵察、無源傳感。 [6] 
動態軟件( 認知) 模式: 自適應模式應對電磁和目標環境。通過感知、分析外部目標和環境的特性,來改變系統工作模式及發射信號波形,優化配置系統資源,實現雷達系統的“在線閉環探測”,充分利用先驗信息,使系統整體性能最優。 [6] 
MOSA: 模塊開放式系統結構可選用最佳的模塊來構建系統。 [6] 
交叉領域工作: 在系統與系統中的模式、通信和處理可兼容。 [6] 
性能: 多功能/多任務、適應任務需求、內置硬件/軟件的增多、在各級上可擴展性能、網絡準備、網絡中心、可互操作性。 [6] 
服務保障: 可靠性與可維護性、系統的通用性、世界範圍內的補給站與後勤保障、相同的維修手冊、迅速而簡易的外場可更換模塊的換取。 [6] 

相控陣雷達安全性

大型相控陣雷達是戰略預警系統中的重要組成部分,擔負着守衞國家空天安全的重大使命。安全性是武器裝備的一種固有屬性,安全性設計是保證裝備滿足規定的安全性要求最關鍵和最有效的措施,包括消除和降低危險的設計,在設計中採用安全和告警裝置等活動,通過安全性設計,提高產品安全性,確保安全性是武器裝備研製、生產、使用和保障的首要要求。 [8] 

相控陣雷達電氣安全性

大型相控陣雷達裝備結構複雜,電子設備在其中所佔的比例很高,是安全性設計的重要環節,雷達裝備電氣安全性設計涉及到的主要有電源安全性保護設計、電氣設備安全性保護設計,以及接地、搭接和屏蔽的安全性保護設計等。大型相控陣雷達電氣安全性的特點主要是保護範圍大和需要保護元器件多。需要針對以下幾個方面對電氣安全性進行防護:雷達電源系統安全性、雷達天線陣面防電擊安全性、雷達機櫃防過電壓過電流安全性、雷達接收系統接地安全性。 [8] 

相控陣雷達結構安全性

大型相控陣雷達結構安全性設計的目的是從大型相控陣雷達結構設計的角度出發,使雷達裝備在整個壽命期內,在正常使用、維修、運輸以及各種工作環境甚至故障條件下,防止人員受到傷害或設備造成損失。對於大型相控陣雷達結構安全性設計,可以從雷達冷卻系統結構安全性設計、雷達機械結構安全性設計和雷達天線陣面安全性設計這3個方面去考慮。 [8] 

相控陣雷達人機安全性

大型相控陣雷達裝備是由人進行操作,人本身就是一個複雜的模型, 易受操作環境、 工作強度的影響,還和自身的能力、情緒、經驗等很多因素有關。因此,在進行人機安全性設計時,要降低複雜度,降低不可預料因素造成的影響,降低裝備本身對人員造成的影響,使人員在安全的前提下操作使用裝備,大型相控陣雷達的人機安全性設計可以從以下幾個方面來考慮:防觸電安全性、温度環境安全性、噪聲環境安全性、輻射環境安全性。 [8] 
參考資料