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  • 相控阵雷达

    相控阵雷达,又称作相位阵列雷达,是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达,因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式,故又称电子扫描雷达。相控阵雷达采用阵列天线实现波束在空间电扫描的雷达。高速飞机、导弹和人造地球卫星的出现,要求雷达具有更高的探测能力、更大的覆盖空域、更高的数据率和适应多目标环境。机械扫描雷达惯性大,目标容量有限,无法满足这样的要求。相控阵雷达的波束在几个微秒时间内便可在全空域内跳跃,波束形状灵活多变,并可由计算机直接对信号进行处理和对雷达进行控制,与传统的机械扫描雷达相比发生了根本性的变化。

    编辑摘要
    百科帮你涨姿势

    天线阵面单元数目从几百到几万个 对短程弹道导弹袭击无能为力

    分为有源和无源两类 二者的主要区别在于发射和接收元素的多少

    052C型防空驱逐舰装备中国首部舰载多功能相控阵雷达“海之星”

    中文名: 相控阵雷达 英文名: Phased Array Radar
    分类: 电子扫描阵列雷达、无源电子扫描阵列雷达

    目录

    简介/相控阵雷达 编辑

    (图)相控阵雷达相控阵雷达

    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。相控阵雷达虽然不能像其他雷达那样靠旋转天线来使电磁瓣转动,一个相位一个相位地进行搜索。但它自有自己的“绝招”,那就是使用“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电磁波的辐射器,每个辐射器配有一个“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”,从而使电磁瓣能像转动的天线一样,一个相位一个相位地偏转,从而完成对空搜索使命。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阵上,排列着15360个能发射电磁波的辐射器和2000个不发射电磁波的辐射器。这15360个辐射器分成96组,与其他不发射电磁波的辐射器搭配起来。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。

    相控阵雷达使用1个不动的天线阵面,就可以对120度扇面内的目标进行探测,使用3个天线阵面,就能实现360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面阵,可以对360度范围内的目标进行探测,探测距离达5000公里。

    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。 

    原理/相控阵雷达 编辑

    相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元(称为阵元)组成,单元数目和雷达的功能有关,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。辐射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振子之外,还有移相器等必须的器件。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,则波束在空间可能的方位就越多。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、实时法、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平面阵。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阵上,排列着15360个能发射电磁波的辐射器和2000个不发射电磁波的辐射器。这15360个辐射器分成96组,与其他不发射电磁波的辐射器搭配起来。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。

    历史/相控阵雷达 编辑

    无源相控阵雷达无源相控阵雷达

    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。

    技术发展/相控阵雷达 编辑

    (图)装备有源相控阵雷达的欧洲战斗机首飞[欧洲战斗机
装备有源相控阵雷达的欧洲战斗机首飞

    雷达体制从无源到有源

    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(移相器)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,故可靠性与抗战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。

    (图)俄超大型相控阵雷达系统 俄超大型相控阵雷达系统

    全面提升电子对抗能力

    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。

    采用雷达低截获概率技术

    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。

    增强弹道导弹侦测能力

    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。

    性能特点/相控阵雷达 编辑

    (图)Zhuk-AE主动相控阵雷达Zhuk-AE主动相控阵雷达

    (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,如“爱国者”的一部多功能相控阵雷达可以完成相当于“霍克”和“奈基”-2型9部雷达的功能,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、准确地实施畦达程序和数据处理。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。相控阵雷达的阵列组较多,且并联使用,即使有少量组件失效,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,格控阵雷达的固态器件越来越多,甚至已生产出全固态儿控阵雷达,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。

    当然,相控阵雷达不是十全十美的,也有其缺点。主要是造价贵,典型的相控阵雷达比一般雷达的造价要高出若干倍。此外,相控阵雷达对于短程弹道导弹的袭击可以说是无能为力,这也是美国及台湾为什么担心大陆方面在福建沿海部署东风导弹的原因。 

    工作方法/相控阵雷达 编辑

    (图)苏35的新相控阵雷达苏35的新相控阵雷达

    相控阵,就是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线,各单元之间的辐射能量和相位关是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描,即电子扫描,简称电扫。相位控制可采用相位法、实时法、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平面阵。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。

    相控阵雷达由发射系统、天线阵列和波控机、接收和信号处理系统、中心计算机、数据处理和显示系统等组成。与普通雷达相比,最根本的差别在于它靠控制阵列天线各辐射单元的相位来改变相位波前的倾角,以改变波束方向。发射系统产生一定发射波形的高功率射频信号,馈送到所有天线单元,以便向空中辐射。中心计算机计算出规定波束指向的相邻单元的相位差,然后由波控机算出每个辐射单元的移相器应有的相位并控制驱动器使移相器达到该相位,从而使天线波束准确地指向规定的方向。波束跳跃的最大速度由计算机-波控机所需的计算时间和移相器-驱动器转换所需要的最少时间决定。形成波束的天线阵元数可以改变,因此波束形状可以控制。每个天线单元接收来自目标的回波信号,经过相干相加、放大、检波后送给数据处理和显示系统。收发天线可以是分阵的,也可以是合阵的。由于波束运动无惯性,它在计算机控制下可以实现能量在空间与时间上的最佳分配。计算机在相控阵雷达中起关键作用,它控制整个雷达的工作并参与信号处理、数据处理、信息显示和雷达的自动化监测。因此要求计算机灵活、运算速度高和容量大。相控阵雷达的馈电方式通常分为空间馈电和分支强迫馈电两种形式。

    分类/相控阵雷达 编辑

    (图)诺斯罗普公司为F-16开发新型AESA雷达。
诺斯罗普公司为F-16开发新型AESA雷达。

    相控阵雷达又分为有源(主动)和无源(被动)两类。其实,有源和无源相控阵雷达的天线阵相同,二者的主要区别在于发射/接收元素的多少。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器,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辐射器都配装有一个发射/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/接收组件的制造上,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。

    优点/相控阵雷达 编辑

    (1)波束指向灵活,能实现无惯性快速扫描,数据率高;  
    (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;
    (3)目标容量大,可在空域内同时监视、跟踪数百个目标;
    (4)对复杂目标环境的适应能力强;
    (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。
    美中不足的是,相控阵雷达设备复杂、造价昂贵,且波束扫描范围有限,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。
    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。

     

    中国装备/相控阵雷达 编辑

    中国公开新型相控阵中国公开新型相控阵雷达

    经过十年时间,周万幸造就了“海之星”,不仅让中国成为了第三个拥有自主创新舰载多功能雷达的国家,还被美国中情局评价称,该雷达是中国真正自主创新研制的相控阵雷达。它的研制成功标志着中国第一部舰载多功能相控阵雷达的研制已达国际领先水平。

    新型导弹驱逐舰“武汉”号、“海口”号的高技术装备广受关注。“海口”号上的相控阵雷达是目前最先进的雷达之一,不但能扫描探测目标,还能对发出的导弹进行跟踪,对空探测距离、引导能力和同时处理的目标数量,在世界范围内都处于领先地位。“武汉”号上的超视距雷达可对敌舰艇实施超视距攻击,并且可以同时攻击多批次水面目标。另外,两艘驱逐舰上都安装的三坐标对空警戒雷达能探测方位、距离、高度。

    美国环球战略网2009年10月8号刊登了名为《中国航母预警机》的文章。文章推测中国正将一种类似于曾装备的较大型“空警-200”型预警机的相控阵雷达设备配备在重达21吨、双引擎的“运-7” (Y-7)运输机上。运-7飞机为中国仿制俄罗斯安-24型运输机。中国的“运-7”预警机将承担类似于美国23吨重的E-2型航母舰载预警机作战职责。

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    扩展阅读
    1飞扬军事
    2新浪网
    3铁血网:科普:相控阵雷达工作原理及类型简介
    4网易:美媒:中国为运7装相控阵雷达作为航母预警机,2009年10月10日
    5东方军事网:尹卓委员:我护航军舰的相控阵雷达世界领先,2009年3月3日

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