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相控阵雷达

归档日期:06-18       文本归类:惯性加雷达      文章编辑:爱尚语录

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  )即相位控制电子扫描阵列雷达,利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面,每个天线单元都由独立的移相开关控制,通过控制各天线单元发射的相位,就能合成不同相位波束。相控阵各天线单元发射的电磁波以干涉原理合成一个接近笔直的雷达主瓣,而旁瓣则是各天线单元的不均匀性而造成。

  相控阵分为“被动无源式”(PESA)与“主动有源式”(AESA),其中技术性能较低的“被动无源式”在上世纪80年代已有成熟的系统部署于舰艇及中/小型飞机上,而性能更优异、发展前景更好但技术性能较高的“主动有源式”则到了90年代末期才开始有实用的战机用与舰载系统开始服役。

  相控阵雷达从根本上解决了传统机械扫描雷达的种种先天问题,在相同的孔径与操作波长下,相控阵的反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子对抗能力等都远优于传统雷达 ,相对而言则付出了更加昂贵、技术要求更高、功率消耗与冷却需求更大等代价。

  相控阵雷达由美国1937年开始研制,1955年研制出两套系统。有源相控阵雷达典型代表有美国伯克级驱逐舰的AN/SPY-1、远程预警AN/FPS-115“铺路爪”、F-22战斗机AN/APG-77有源相控阵雷达等。英国的AR-3D、法国的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德国的KR-75。中国052D型驱逐舰的346A型也为有源相控阵雷达。

  相控阵雷达的天线阵面由许多个辐射和接收单元(称为阵元)组成,单元数目和雷达的性能有关,可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上,构成阵列天线。利用电磁波相干原理,通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位,就可以改变波束的方向进行扫描,故称为电扫描。天线单元把接收到的回波信号送入主机,完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线辐射振子之外,还有移相器等开关的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流,从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多,则波束在空间可形成的波束就越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线,“相控阵”由此得名。相位控制可采用相位法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵,在两维上排列若干辐射单元称为面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上.这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点,能以

  一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。综上所述,相控阵雷达因其天线为相控阵型而得名。

  例如,美国装备的“铺路爪”相控阵预警雷达在固定不动的圆形天线个能发射电磁波的辐射天线个不发射电磁波的辐射单元。这15360个辐射器分成96组,与其他不发射电磁波的辐射单元搭配起来。这样,每组由各自的发射机供给电能,也由各自的接收机来接收自己的回波。所以,它实际上是96部雷达的组合体。如果我们把通常的雷达称作“个体户”,那么相控阵雷达就相当于一个“合作社”了。

  (2)一个雷达可同时形成多个独立波束,分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能;

  (5)抗干扰性能好。全固态相控阵雷达的可靠性高,即使少量组件失效仍能正常工作。

  ,最大扫描角为90°~120°。当需要进行全方位监视时,需配置3~4个天线阵面。 相控阵雷达与机械扫描雷达相比,扫描更灵活、性能更可靠、抗干扰能力更强,能快速适应战场条件的变化。多功能相控阵雷达已广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等。美国“爱国者”防空系统的AN/MPQ-53雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的雷达、B-1B轰炸机上的APQ-164雷达、俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是典型的相控阵雷达。随着微电子技术的发展,固体有源相控阵雷达得到了广泛应用,是新一代的战术防空、监视、火控雷达。

  相控阵雷达又分为有源和无源两类。其实,有源和无源相控阵雷达的天线阵基本相同,二者的主要区别在于发射/接收单元的多少。无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机,发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射单元,目标反射信号经接收机统一放大(这一点与普通雷达区别不大)。有源相控阵雷达的每个天线单元都配装有一个发射/接收组件,每一个组件都能自己产生、接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如此,也使得有源相控阵雷达的造价昂贵,工程化难度加大。但有源相控阵雷达在功能上有独特优点,大有取代无源相控阵雷达的趋势。

  有源相控阵雷达最大的难点在于发射/接收单元的制造上,相对来说,无源相控阵雷达的技术难度要小得多。无源相控阵雷达在功率、效率、波束控制及可靠性等方面不如有源相控阵雷达,但是在功能上却明显优于普通机械扫描雷达,不失为一种较好的折中方案。因此在研制出实用的有源相控阵雷达之前,完全可以采用无源相控阵雷达作为过渡产品。而且,即使有源相控阵雷达研制成功以后,无源相控阵雷达作为相控阵雷达家族的一种低端产品,仍具有很大的实用价值。

  相控阵雷达之所以具有强大的生命力,因为它优胜于一般机械扫描雷达。它具有以下特点:

  (1)能对付多目标。相控阵雷达利用电子扫描的灵活性、快速性和按时分割原理或多波束,可实现边搜索边跟踪工作方式,与电子计算机相配合,能同时搜索、探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标,并能同时制导多枚导弹攻击多个空中目标。因此,适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境。

  (2)功能多,机动性强。相控阵雷达能够同时形成多个独立控制的波束,分别用以执行搜索、探测、识别、跟踪、照射目标和跟踪、制导导弹等多种功能,一部相控阵雷达能起到多部专用雷达的作用,而且还远比它们能够同时对付的目标多。因此,可大大减少武器系统的设备,从而提高系统的机动能力。

  (3)反应时间短、数据率高。相控阵雷达可不需要天线驱动系统,波束指向灵活,能实现无惯性快速扫描,从而缩短了对目标信号检测、录取、信息传递等所需的时间,具有较高的数据率。相控阵天线通常采用数字化工作方式,使雷达与数字计算机结合起来,能大大提高自动化程度,简化了雷达操作,缩短了目标搜索、跟踪和发控准备时间,便于快速、准确地实施雷达程序和数据处理。因而可提高跟踪空中高速机动目标的能力。

  (4)抗干扰能力强。相控阵雷达可以利用分布在天线孔径上的多个辐射单元综合成非常高的功率,并能合理地管理能量和控制主瓣增益,可以根据不同方向上的需要分配不同的发射能量,易于实现自适应旁瓣抑制和自适应抗各种干扰,有利于发现远离目标和小雷达反射面目标(如隐形飞机),还可提高抗反辐射导弹的能力。

  (5)可靠性高。相控阵雷达的阵列单元较多,且为并联使用,即使有少量单元失效,仍能正常工作,突然完全失效的可能性最小。 此外,随着固态器件的发展,相控阵雷达的固态器件越来越多,甚至已生产出全固态相控阵雷达,如美国的“爱国者”雷达,其天线的平均故障间隔时间高达15万小时,即使有10%单元损坏也不会影响雷达的正常工作。

  相控阵雷达是一种新型的有源电扫阵列多功能雷达。它不但具有传统雷达的功能,而且具有其它射频功能。一般的雷达波束扫描是靠雷达天线的转动实现的,被称为机械扫描。而相控阵雷达是用电的方式控制雷达波束的指向变动来进行扫描发现目标的。这种方式被称为电扫描。它的“绝招”是使用“移相器”来实现电磁瓣转动。

  在相控阵雷达直径为几十米的圆形天线阵上,排列着上万个能发射和接收电磁波的天线单元,每个天线单元配有一个“移相器”,每个“移相器”都由电子计算机控制。当雷达工作时,电子计算机就通过控制这些“移相器”,来改变每个辐射器向空中发射电磁波的“相位”,从而使雷达波能像转动的天线一样,完成对空搜索使命。

  相控阵雷达使用1个不动的天线度扇面内的目标进行探测,使用3个天线度无间断的目标探测和跟踪。“铺路爪”就有3个固定不动的大型天线的雪豹E型机载雷达

  当相控阵雷达警戒、搜索远距离目标时,虽然看不到天线转动,但上万个辐射器通过电子计算机控制集中向一个方向发射、偏转,即使是上万公里外来袭的洲际导弹和几万公里远的卫星,也逃不过它的“眼睛”。如果是对付较近的目标,这些辐射器又可以分工负责,有的搜索、有的跟踪、有的引导,同时工作。每个“移相器”可根据自己担负的任务,使电磁瓣在不同的方向上偏转,相当于无数个天线在转动,其速度之快非一般天线所能相比。正是由于这种雷达天线摒弃了一般雷达天线的工作原理,利用“移相器”来实现电磁波瓣的转动,人们给它起了个与众不同的名字--相控阵雷达,代表着“相位可以控制的天线阵”的含义。

  相控阵技术,早在20世纪30年代后期就已经出现。1937年,美国首先开始这项研究工作。但一直到20世纪50年代中期才研制出2部实用型舰载相控阵雷达。

  20世纪60年代,美国和前苏联相继研制和装备了多部相控阵雷达,多用于弹道导弹防御系统,如美国的AN/FPS-46、AN/FPS-85、MAR、MSR,前苏联的“鸡笼”和“狗窝”等。这些都属于固定式大型相控阵雷达,其共同点:采用固定式平面阵天线,天线体积大、辐射功率高、作用距离远。其中美国的AN/FPS-85和前苏联的“狗窝”最为典型。

  20世纪70年代,相控阵雷达得到了迅速发展,除美苏两国外,又有很多国家研制和装备了相控阵雷达,如英、法、日、意、德、瑞典等。其中最为典型的有:美国的AN/TPN-25 、AN/TPQ-37和GE-592、英国的AR-3D、法国的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德国的KR-75等。这一时期的相控阵雷达具有机动性高、天线小型化、天线扫描体制多样化、应用范围广等特点。

  20世纪80年代,相控阵雷达由于具有很多独特的优点,得到了更进一步的应用。在已装备和正在研制的新一代中、远程防空导弹武器系统中多采用多功能相控阵雷达,它已成为第三代中、远程防空导弹武器系统的一个重要标志。从而,大大提高了防空导弹武器系统的作战性能。在21世纪,相控阵雷达随着科技的不断发展和现代战争兵器的特点,其制造和研究更上一层楼。

  作为有源相控阵雷达的前身,无源相控阵雷达的发射机与天线分离配置,射频能量从发射机通过复杂昂贵的波导管馈送至天线。但是,波导管穿过甲板、隔舱等舰体结构,自然会影响舰体的强度;而且这种配置的可靠性也较低,一旦发射机组或波导管出现故障或战损,就会导致整个雷达系统的失效。同时,无源相控阵雷达由行波管之类的发射机来提供功率,要增大雷达发射功率不那样容易。人们认识到了无源相控阵雷达的上述缺点,设法寻找新的雷达模式。

  微波集成电路的快速发展带来了机遇--人们可以在砷化镓晶片上做出几厘米大小、能发射/接收电磁波的小单元,用来取代庞大的行波管和天线。将一个个这种小单元排成阵列,就成为发射机与天线合一的有源相控阵雷达。与无源相控阵雷达不同,有源相控阵雷达抛弃了集中式发射机,而是每一个天线单元都配备一个独立的雷达发射机,只要增加天线的发射/接收单元数,就可以增加发射功率。

  有源相控阵雷达不使用穿过舰体的波导管,降低了系统的复杂性和体积,也相应减少了馈电系统造成的能量损耗;每个天线单元均具备独立发射与接收电磁波的功能,少数天线单元的故障或受损不会导致整个系统的失效,故可靠性与抗损能力有了大幅度的提升;高峰值功率是通过诸多天线单元合成的方式来实现的,因此降低了对微波元件的峰值功率要求,有助于降低成本。同时,有源相控阵雷达在雷达波束的分配、管理与运用上也更加灵活,有利于提高雷达系统的反应速度与效率。

  在电子对抗日趋激烈的未来海战场环境中,为了有效地发挥雷达的信息作战优势,

  强大的抗干扰、电子压制能力不可或缺。面对海军作战区域由远洋向近岸水域转变的趋势,水面舰艇所面临的威胁与实战环境也变得更加复杂。对舰载相控阵雷达来说,浅滩、急流、礁石、岛屿、海岸线陆地、丛林等复杂地形所造成的杂波和多重反射,对海空目标的侦测造成了很大干扰,急需提高雷达的抗干扰能力。而有效对抗反辐射导弹的威胁,也成为确保舰载相控阵雷达生存和有效运用的必要前提。

  舰艇要改善隐身性能,除了降低雷达反射截面之外,还需要严格控制舰载设备发射的各种电磁波,以避免敌方探测到舰艇位置。而舰载相控阵雷

  达必须时常开机,会发射大量电磁波,对舰艇隐身十分不利。因此要采取降低峰值功率、编码扩展频谱、削减波束旁瓣等“雷达低截获概率技术”,使敌方难以捕捉到相控阵雷达发射的信号,或由于信号太微弱而无法判定雷达载舰的准确位置。这种技术还有助于提高舰载相控阵雷达对抗反辐射导弹的生存能力。

  海基导弹防御系统比陆基系统有更高的灵活性和远程机动部署能力,因此,侦测弹道导弹并引导防空导弹实施拦截,已成为舰载相控阵雷达的重要使命。美国改进AN/SPY-1系列相控阵雷达,以满足海基反导的需求;英国的“桑普森”相控阵雷达具备了相当的侦测弹道导弹的潜力,已获得美国弹道导弹防御局的资助;荷兰的“阿帕”雷达也具备一定的探测弹道导弹能力,有可能成为欧盟发展海基战区导弹防御的基础。

  除此而外,舰载相控阵雷达还力求与舰载指控系统、数据链、编队网络整合并高速交换数据,争取能通过雷达反射特性快速辨识目标舰(机)。长远目标是整合各种舰载雷达的功能,以期用1部多功能相控阵雷达满足从远程导弹拦截到近距防御的多种需求,如远距离探测、跟踪、目标锁定以及各类舰载武器的导引、作战指挥,从根本上简化舰艇的雷达配置。

  枭龙战机是中国成都飞机公司与巴基斯坦航空联合体合作研制的单座单发轻型多用途战机,中国对外称之为FC-1,巴基斯坦称之为JF-17雷电。根据计划,巴基斯坦空军共将采购250架JF-17歼击机。

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