看懂相控陣?yán)走_(dá)工作原理及類型簡介

2017-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

我們知道,蜻蜓的每只眼睛由許許多多個(gè)小眼組成,每個(gè)小眼都能成完整的像,這樣就使得蜻蜓所看到的范圍要比人眼大得多。與此類似,相控陣?yán)走_(dá)的天線陣面也由許多個(gè)輻射單元和接收單元(稱為陣元)組成,單元數(shù)目和雷達(dá)的功能有關(guān),可以從幾百個(gè)到幾萬個(gè)。這些單元有規(guī)則地排列在平面上,構(gòu)成陣列天線。利用電磁波相干原理,通過計(jì)算機(jī)控制饋往各輻射單元電流的相位,就可以改變波束的方向進(jìn)行掃描,故稱為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號(hào)送入主機(jī),完成雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的搜索、跟蹤和測量。每個(gè)天線單元除了有天線振子之外,還有移相器等必須的器件。不同的振子通過移相器可以被饋入不同的相位的電流,從而在空間輻射出不同方向性的波束。天線的單元數(shù)目越多,則波束在空間可能的方位就越多。這種雷達(dá)的工作基礎(chǔ)是相位可控的陣列天線,“相控陣”由此得名。

有源相陣控雷達(dá)和無源相陣控雷達(dá)的區(qū)別是就是無源是只有單個(gè)或者幾個(gè)發(fā)射機(jī)子陣原只能接收,而有源是每個(gè)陣原都有完整的發(fā)射和接收單元!

相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點(diǎn):

(1)波束指向靈活,能實(shí)現(xiàn)無慣性快速掃描,數(shù)據(jù)率高;

(2)一個(gè)雷達(dá)可同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立波束,分別實(shí)現(xiàn)搜索、識(shí)別、跟蹤、制導(dǎo)、無源探測等多種功能;

(3)目標(biāo)容量大,可在空域內(nèi)同時(shí)監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個(gè)目標(biāo);

(4)對(duì)復(fù)雜目標(biāo)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng);

(5)抗干擾性能好。全固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)的可靠性高,即使少量組件失效仍能正常工作。

但相控陣?yán)走_(dá)設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)昂貴,且波束掃描范圍有限,最大掃描角為90°~120°。當(dāng)需要進(jìn)行全方位監(jiān)視時(shí),需配置3~4個(gè)天線陣面。

相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá)相比,掃描更靈活、性能更可*、抗干擾能力更強(qiáng),能快速適應(yīng)戰(zhàn)場條件的變化。多功能相控陣?yán)走_(dá)已廣泛用于地面遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)、機(jī)載和艦載防空系統(tǒng)、機(jī)載和艦載系統(tǒng)、炮位測量、靶場測量等。美國“愛國者”防空系統(tǒng)的AN/MPQ-53雷達(dá)、艦載“宙斯盾”指揮控制系統(tǒng)中的雷達(dá)、B-1B轟炸機(jī)上的APQ-164雷達(dá)、俄羅斯C-300防空武器系統(tǒng)的多功能雷達(dá)等都是典型的相控陣?yán)走_(dá)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,固體有源相控陣?yán)走_(dá)得到了廣泛應(yīng)用,是新一代的戰(zhàn)術(shù)防空、監(jiān)視、火控雷達(dá)。

相控陣?yán)走_(dá)有多神?

“宙斯盾”系統(tǒng)的核心就是SPY—1D相控陣?yán)走_(dá),特別是它出眾的預(yù)警搜索能力和識(shí)別能力,仿佛給妄圖“獨(dú)立”的臺(tái)灣新領(lǐng)導(dǎo)人一根救命稻草,一把夢(mèng)幻的保護(hù)傘,而相控陣?yán)走_(dá)又再一次走進(jìn)國人的視線中。說到相控陣?yán)走_(dá)或技術(shù),大家可能很陌生,但如果說起去年美國軍方關(guān)于中國如何監(jiān)測其隱型戰(zhàn)斗機(jī)的報(bào)道,大家可能就清楚了。用一大串電視接收天線來監(jiān)視天空,經(jīng)濟(jì)又有效,這就是最原始、最基礎(chǔ)的雷達(dá),相控陣?yán)走_(dá)。

下面談一談雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展情況。

一、雷達(dá)及其分類

雷達(dá)(Radar,即 radio detecting and ranging),意為無線電搜索和測距。它是運(yùn)用各種無線電定位方法,探測、識(shí)別各種目標(biāo),測定目標(biāo)坐標(biāo)和其它情報(bào)的裝置。在現(xiàn)代軍事和生產(chǎn)中,雷達(dá)的作用越來越顯示其重要性,特別是第二次世界大戰(zhàn),英國空軍和納粹德國空軍的“不列顛”空戰(zhàn),使雷達(dá)的重要性顯露的非常清楚。雷達(dá)由天線系統(tǒng)、發(fā)射裝置、接收裝置、防干擾設(shè)備、顯示器、信號(hào)處理器、電源等組成。其中,天線是雷達(dá)實(shí)現(xiàn)大空域、多功能、多目標(biāo)的技術(shù)關(guān)鍵之一;信號(hào)處理器是雷達(dá)具有多功能能力的核心組件之雷達(dá)種類很多,可按多種方法分類:

(1)按定位方法可分為:有源雷達(dá)、半有源雷達(dá)和無源雷達(dá)。

(2)按裝設(shè)地點(diǎn)可分為;地面雷達(dá)、艦載雷達(dá)、航空雷達(dá)、衛(wèi)星雷達(dá)等。

(3)按輻射種類可分為:脈沖雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)。

(4)按工作被長波段可分:米波雷達(dá)、分米波雷達(dá)、厘米波雷達(dá)和其它波段雷達(dá)。

(5)按用途可分為:目標(biāo)探測雷達(dá)、偵察雷達(dá)、武器控制雷達(dá)、飛行保障雷達(dá)、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)等。

相控陣?yán)走_(dá)是一種新型的有源電掃陣列多功能雷達(dá)。它不但具有傳統(tǒng)雷達(dá)的功能,而且具有其它射頻功能。有源電掃陣列的最重要的特點(diǎn)是能直接向空中輻射和接收射頻能量。它與機(jī)械掃描天線系統(tǒng)相比,有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。例如、相控陣省略了整個(gè)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其中個(gè)別部件發(fā)生故障時(shí),仍保持較高的可*性,平均無故障時(shí)間為10萬小時(shí),而機(jī)械掃描雷達(dá)天線的平均無故障時(shí)間小于1000小時(shí)。下面主要介紹先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)。

二、相控陣?yán)走_(dá)的概況

相控陣技術(shù),早在30年代后期就已經(jīng)出現(xiàn)。1937年,美國首先開始這項(xiàng)研究工作。但一直到50年代中期才研制出2部實(shí)用型艦載相控陣?yán)走_(dá)。60年代,美國和前蘇聯(lián)相繼研制和裝備了多部相控陣?yán)走_(dá),多用于彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng),如美國的AN/FPS-46、AN/FPS-85、MAR、MSR,前蘇聯(lián)的“雞籠”和“狗窩”等。這些都屬于固定式大型相控陣?yán)走_(dá),其共同點(diǎn):采用固定式平面陣天線,天線體積大、輻射功率高、作用距離遠(yuǎn)。其中美國的AN/FPS-85和前蘇聯(lián)的“狗窩”最為典型,70年代,相控陣?yán)走_(dá)得到了迅速發(fā)展,除美蘇兩國外,又有很多國家研制和裝備了相控陣?yán)走_(dá),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(shí)期的相控陣?yán)走_(dá)具有機(jī)動(dòng)性高、天線小型化、天線掃描體制多樣化、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。80年代,相控陣?yán)走_(dá)由于具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),得到了更進(jìn)一步的應(yīng)用。在已裝備和正在研制的新一代中、遠(yuǎn)程防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中多采用多功能相控陣?yán)走_(dá),它已成為第三代中、遠(yuǎn)程防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志。從而,大大提高了防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能。在21世紀(jì),相控陣?yán)走_(dá)隨著科技的不斷發(fā)展和現(xiàn)代戰(zhàn)爭兵器的特點(diǎn),其制造和研究將會(huì)更上一層樓。

三、相控陣原理

相控陣,就是由許多輻射單元排成陣列形式構(gòu)成的走向天線,各單元之間的輻射能量和相位關(guān)是可以控制的。典型的相控陣是利用電子計(jì)算機(jī)控制移相器改變天線孔徑上的相位分布來實(shí)現(xiàn)波束在空間掃描,即電子掃描,簡稱電掃。相位控制可采用相位法、實(shí)時(shí)法、頻率法和電子饋電開關(guān)法。在一維上排列若干輻射單元即為線陣,在兩維上排列若干輻射單元稱為平面陣。輻射單元也可以排列在曲線上或曲面上.這種天線稱為共形陣天線。共形陣天線可以克服線陣和平面陣掃描角小的缺點(diǎn),能以一部天線實(shí)現(xiàn)全空域電掃。通常的共形陣天線有環(huán)形陣、圓面陣、圓錐面陣、圓柱面陣、半球面陣等。綜上所述,相控陣?yán)走_(dá)因其天線為相控陣型而得名。

相控陣?yán)走_(dá)有相當(dāng)密集的天線陣列,在傳統(tǒng)雷達(dá)天線面的面積上目前可安裝一千多到兩千多個(gè)相控陣天線 (F-22約有2000個(gè)),任何一個(gè)天線都可收發(fā)雷達(dá)波,而相鄰的數(shù)個(gè)天線即具有一個(gè)雷達(dá)的功能。掃描時(shí),選定其中一個(gè)區(qū)塊(數(shù)個(gè)天線單元)或數(shù)個(gè)區(qū)塊對(duì)單一目標(biāo)或區(qū)域進(jìn)行掃描,因此整個(gè)雷達(dá)可同時(shí)對(duì)許多目標(biāo)或區(qū)域進(jìn)行掃描或追蹤,具有多個(gè)雷達(dá)的功能。由於一個(gè)雷達(dá)可同時(shí)針對(duì)不同方向進(jìn)行掃描,再加之掃描方式為電子控制而不必由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng),因此資料更新率大大提高,機(jī)械掃描雷達(dá)因受限於機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)頻率因而資料更新周期為秒或十秒級(jí),電子掃描雷達(dá)則為毫秒或微秒級(jí)。因而它更適於對(duì)付高機(jī)動(dòng)目標(biāo)。此外由於可發(fā)射窄波束,因而也可充當(dāng)電戰(zhàn)天線使用,如電磁干擾甚至是構(gòu)想中發(fā)射反相位雷達(dá)波來抵消探測電波等。

四、相控陣?yán)走_(dá)分類

相控陣?yán)走_(dá)大體可分為兩大類,即全電掃相控陣和有限電掃相控陣。全電掃相控陣又可稱固定式相控陣,即在方位上和仰角上都采用電掃,天線陣是固定不動(dòng)的。有限電掃相控陣是一種混合設(shè)計(jì)的天線,即把兩種以上天線技術(shù)結(jié)合起來,以獲得所需要的效果,起初把相掃技術(shù)與反射面天線技術(shù)相結(jié)合,其電掃角度小,只需少量的輻射單元,因此可大大降低設(shè)備造價(jià)和復(fù)雜程度。

天線陣,根據(jù)掃描情況可分為相掃、頻掃、相/相掃、相/頻掃、機(jī)/相掃、機(jī)/頻掃、有限掃等多種體制。相掃系列利用移相器改變相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)波束電掃。頻掃是利用改變工作頻率的方法來實(shí)現(xiàn)波束電掃。相/相掃是利用移相器控制平面陣兩個(gè)角坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)波束電掃。相/頻掃是利用移相器控制平面陣一個(gè)坐標(biāo)而另一坐標(biāo)利用頻率變化控制來實(shí)現(xiàn)波束電掃.機(jī)/相掃是在方位上采用機(jī)掃、仰角上采用相掃。機(jī)/頻掃是在方位上采用機(jī)掃、仰角上采用頻掃。

五、相控陣?yán)走_(dá)的特點(diǎn)

相控陣?yán)走_(dá)之所以具有強(qiáng)大的生命力,因?yàn)樗鼉?yōu)勝于一般機(jī)械掃描雷達(dá)。它具有以下特點(diǎn):

(1)能對(duì)付多目標(biāo)。相控陣?yán)走_(dá)利用電子掃描的靈活性、快速性和按時(shí)分割原理或多波束,可實(shí)現(xiàn)邊搜索邊跟蹤工作方式,與電子計(jì)算機(jī)相配合,能同時(shí)搜索、探測和跟蹤不同方向和不同高度的多批目標(biāo),并能同時(shí)制導(dǎo)多枚導(dǎo)彈攻擊多個(gè)空中目標(biāo)。因此,適用于多目標(biāo)、多方向、多層次空襲的作戰(zhàn)環(huán)境。

(2)功能多,機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。相控陣?yán)走_(dá)能夠同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立控制的波束,分別用以執(zhí)行搜索、探測、識(shí)別、跟蹤、照射目標(biāo)和跟蹤、制導(dǎo)導(dǎo)彈等多種功能。一部相控陣?yán)走_(dá)能起到多部專用雷達(dá)的作用,如“愛國者”的一部多功能相控陣?yán)走_(dá)可以完成相當(dāng)于“霍克”和“奈基”-2型9部雷達(dá)的功能,而且還遠(yuǎn)比它們能夠同時(shí)對(duì)付的目標(biāo)多。因此,可大大減少武器系統(tǒng)的設(shè)備,從而提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)能力。

(3)反應(yīng)時(shí)間短、數(shù)據(jù)率高。相控陣?yán)走_(dá)可不需要天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),波束指向靈活,能實(shí)現(xiàn)無慣性快速掃描,從而縮短了對(duì)目標(biāo)信號(hào)檢測、錄取、信息傳遞等所需的時(shí)間,具有較高的數(shù)據(jù)率。相控陣天線通常采用數(shù)字化工作方式,使雷達(dá)與數(shù)字計(jì)算機(jī)結(jié)合起來,能大大提高自動(dòng)化程度,簡化了雷達(dá)操作,縮短了目標(biāo)搜索、跟蹤和發(fā)控準(zhǔn)備時(shí)間,便于快速、準(zhǔn)確地實(shí)施畦達(dá)程序和數(shù)據(jù)處理。因而可提高跟蹤空中高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)的能力。

(4)抗干擾能力強(qiáng)。相控陣?yán)走_(dá)可以利用分布在天線孔徑上的多個(gè)輻射單元綜合成非常高的功率,并能合理地管理能量和控制主瓣增益,可以根據(jù)不同方向上的需要分配不同的發(fā)射能量,易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)旁瓣抑制和自適應(yīng)抗各種干擾,有利于發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離目標(biāo)和小雷達(dá)反射面目標(biāo)(如隱形飛機(jī)),還可提高抗反輻射導(dǎo)彈的能力。

(5)可靠性高。相控陣?yán)走_(dá)的陣列組較多,且并聯(lián)使用,即使有少量組件失效,仍能正常工作,突然完全失效的可能性最小。此外,隨著固態(tài)器件的發(fā)展,格控陣?yán)走_(dá)的固態(tài)器件越來越多,甚至已生產(chǎn)出全固態(tài)兒控陣?yán)走_(dá),如美國的。“愛國者”雷達(dá),其天線的平均故障間隔時(shí)間高達(dá)15萬小時(shí),即使有10%單元損壞也不會(huì)影響雷達(dá)的正常工作。

當(dāng)然,相控陣?yán)走_(dá)不是十全十美的,也有其缺點(diǎn)。主要是造價(jià)貴,典型的相控陣?yán)走_(dá)比一般雷達(dá)的造價(jià)要高出若干倍。此外,相控陣?yán)走_(dá)對(duì)于短程彈道導(dǎo)彈的襲擊可以說是無能為力,這也是美國及臺(tái)灣為什么擔(dān)心大陸方面在福建沿海部署東風(fēng)導(dǎo)彈的原因。而1991年,海灣戰(zhàn)爭期間,伊拉克用“飛毛腿”導(dǎo)彈襲擊以色列的時(shí)候,其“愛國者”導(dǎo)彈根本無法有效將其擊落,何況短短的臺(tái)灣海峽呢?

有源相陣控雷達(dá)和無源相陣控雷達(dá)的區(qū)別

區(qū)別就是無源是只有單個(gè)或者幾個(gè)發(fā)射機(jī)子陣原只能接收,而有源是每個(gè)陣原都有完整的發(fā)射和接收單元!機(jī)載雷達(dá)經(jīng)歷了從機(jī)械掃描形式到相控陣電子掃描,再到最新的保形"智能蒙皮"天線的發(fā)展過程,電子掃描雷達(dá)在作戰(zhàn)使用中的優(yōu)勢在哪里?未來的綜合式射頻(RF)傳感器系統(tǒng)的總體特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)是哪些?

近50多年來,機(jī)載雷達(dá)不斷采用新的技術(shù)成果,性能不斷提高,其中重要的有全向多脈沖射頻(MPRF)模式和高分辨率多普勒波束銳化(DBS)技術(shù)在雷達(dá)中的實(shí)際應(yīng)用。目前,由于在信號(hào)處理和砷化鎵微波集成電路領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步,雷達(dá)作為戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)主傳感器的地位仍然會(huì)繼續(xù)保持下去。有源ESA的出現(xiàn)是技術(shù)上的又一進(jìn)步。它的每一個(gè)陣元中都有一個(gè)RF發(fā)射機(jī)和靈敏的RF接收機(jī),在各個(gè)發(fā)射/接收(T/R)模塊內(nèi)都有一個(gè)功率放大器、一個(gè)低噪聲放大器和用砷化鎵技術(shù)制造的相位振幅控制裝置。有源ESA雷達(dá)技術(shù)放棄了傳統(tǒng)的中心式高功率發(fā)射機(jī),除了具有無源相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點(diǎn)外,還提高了能量的使用效率并具有自適應(yīng)波束控制、強(qiáng)抗干擾能力和高可*性等優(yōu)點(diǎn)。

西方國家第一代有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)接近定型的有美國裝備F-22和日本裝備FS-X的雷達(dá)。英、法和德國共同研制的AMSAR項(xiàng)目也確定使用先進(jìn)的有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù),為其后續(xù)的歐洲戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)的升級(jí)改裝做準(zhǔn)備。從今天的角度來看,雷達(dá)技術(shù)未來的下一個(gè)發(fā)展方向是保形"智能蒙皮"陣列,它把有源ESA技術(shù)和多功能共用RF孔徑結(jié)合了起來,在天線陣元的安排上,與飛機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)巧妙地配合,實(shí)現(xiàn)寬波段和多功能。保形天線陣列有高性能的處理器并使用空-時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)有效地抑制了外部的噪聲、干擾和雜波并能以最優(yōu)化的方式來探測所感興趣的目標(biāo)。雖然有許多相關(guān)的技術(shù)問題需要解決,但保形"智能蒙皮"技術(shù)并非是個(gè)不切實(shí)際的解決方案,預(yù)計(jì)在20~25年的時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到實(shí)用階段。

在10~15年內(nèi),對(duì)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)射頻傳感器(包括雷達(dá))未來所執(zhí)行的任務(wù)來說,最迫切的需要是增加功能、提高性能,并且還要注重經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性。美國的"寶石路"計(jì)劃已經(jīng)證明,航空電子系統(tǒng)通過采用通用模塊、資源共享和傳感器的空間重構(gòu)(重構(gòu)的設(shè)備包括雷達(dá)、電子戰(zhàn)及通信-導(dǎo)航-識(shí)別等射頻傳感器)可以做到系統(tǒng)的造價(jià)和重量減小一半,而可*性提高三倍。它所確立的綜合模塊化航空電子的設(shè)計(jì)原則已用于JSF戰(zhàn)斗機(jī)的綜合傳感器系統(tǒng)(ISS)和多重綜合式射頻傳感器工程的設(shè)計(jì)中,歐洲類似的用于未來戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)的綜合式射頻傳感器項(xiàng)目也正在實(shí)施。

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