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相控阵雷达:“蜻蜓之眼”观八方

时间:2023-12-18 22:07:19 军事新闻 我要投稿

  

      当地11月26日,根据伊朗塔斯尼姆通讯社公布的信息,伊朗海军最新型驱逐舰“迪尔曼”号即将正式入列。该驱逐舰最引人注目的技术特征是配备了4部有源相控阵雷达,使其成为伊朗媒体口中的海军首艘“盾舰”。

      雷达作为人类在20世纪的一项重要发明,自问世以来其相关技术及装备发展迅速,并得到广泛应用,而相控阵雷达的出现,则是雷达演进史中的“大事件”。目前,世界上已经有多个国家在舰艇和战机上配备了相控阵雷达。配备相控阵雷达的数质量,成为衡量军队武器装备和防御网络先进与否的一项重要指标。

      那么,到底什么是相控阵雷达?相比传统雷达,相控阵雷达有哪些进步与发展?未来又将有哪些应用前景?请看相关解读。

    图为AN/FPS-108“丹麦眼镜蛇”陆基相控阵雷达。供图:阳 明

      作为雷达“集合体”的相控阵雷达

      影视作品中,我们经常见到雷达进行旋转扫描,这种雷达大多是传统的机械雷达。

      雷达是英文Radar的音译,意为“无线电探测和测距”,即利用电磁波对目标(飞机、船舶、坦克等)进行探测、定位和识别的电子装备。就像探照灯一样,雷达发射一束电磁波,碰到物体以后反射回来,被接收机接收到,于是就能探测到物体。

      机械雷达在工作过程中要一边转动天线一边发射电磁波,这需要一系列特殊的装备,导致雷达的结构复杂、体量庞大。

      转动总有时间差,加上转动盲区大,所以传统的机械雷达侦察能力与它的体量并不匹配,与现代战争的需求差距越来越大。

      这时,相控阵雷达应运而生。广义上来讲,相控阵雷达就是许多小型传统雷达的“集合体”,里面每一个小型传统雷达就是一个阵元。

      我们可以将它比作“蜻蜓之眼”。众所周知,蜻蜓的眼睛是复眼,每只复眼由无数个单眼组成,每个单眼都能完整成像,这就使蜻蜓比人眼能看到的范围大了许多,从而为自身提供更广阔的眼界。

      与之相似,相控阵雷达的天线阵面也是由无数个接收单元和辐射单元组成,很多个小雷达“绑”在一起,构成阵列天线。

      同时,与传统机械雷达依靠天线物理上的机械转动进行扫描不同,相控阵雷达可以发射出很多的波束,边扫描边跟踪,故而具有了许多机械雷达无可比拟的优越性。

      ——目标容量大。相控阵雷达电扫描灵活性、快速性等特点可以让其眼观八方,同时捕捉到多批目标,敌方在其火眼金睛下很难遁形,可控制多枚导弹对多个目标进行打击。

      ——功能多、机动性强。相控阵雷达能同时形成多个独立控制的波束,分别完成搜索、探测和制导导弹等功能,一部雷达就能完成多部专用机械雷达的工作,大大提升了系统的机动能力。

      ——指向灵活、数据率高。相控阵雷达天线无需做指针式圆周转动,摆脱了传统意义的天线扫描方式。电扫描使其波束指向灵活,大大缩短了对目标信号检测、录取、信息传递等所需的时间,因此具有更高的数据率。

      ——抗干扰能力强。相控阵雷达辐射单元多,发射功率高,能够合理地管理能量,根据方向的不同分配不同的能量并进行发射,易于对抗各种干扰。

      ——可靠性高。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。

      当然,相控阵雷达也有一些缺点。一方面,相控阵雷达造价昂贵,典型的相控阵雷达造价是普通雷达的10倍左右;另一方面,相控阵雷达波束扫描范围有限。其最大的扫描角度为90~120度,如果要做到360度全范围扫描,需要几个相控阵雷达才能实现。

      目前,多功能相控阵雷达已广泛应用于机载系统、舰载系统和地面远程预警系统,典型的如俄罗斯C-300防空武器系统的多功能相控阵雷达等。

      从“无源相控阵”走向“有源相控阵”

      就像从“功能手机”到“智能手机”的跨越,相控阵雷达也实现了从无源相控阵雷达到有源相控阵雷达的升级。

      时间回溯到二战时期,德国在“爱神”雷达的基础上研制升级成最初的无源相控阵雷达,其产生的波束在垂直面可控,且全部采用一个电磁波发射机,在雷达阵面上不产生电磁波。

      进入20世纪60年代以后,相控阵雷达的发展进入了高潮。美国和苏联相继研制和装备了多部地面相控阵雷达,多用于弹道导弹防御、外空目标监测及卫星观测。

      20世纪70年代开始,随着人们对相控阵雷达的不断研发,相控阵雷达得到更广泛的应用。80年代以后,砷化镓等半导体器件的出现更是让相控阵雷达的发展如雨后春笋般突飞猛进,并渐渐地开始从无源相控阵雷达走向有源相控阵雷达。

      从外表上看,有源相控阵雷达和无源相控阵雷达并没有太大的区别,都是由很多小单元组成,每一个小单元的天线都能发射和接收信号,也都能通过电磁干涉来控制电磁波束的方向,高速扫描目标空域。

      但从“无源”到“有源”,有源相控阵雷达的优势显而易见。

      性能的进化——

      无源相控阵雷达只有一个发射机和接收机,一次只能产生一个波束,只能通过迅速转移波束扫描多个目标,而且精度较差。如果发射和接收环节出了问题,整个雷达都不能使用。

      而有源相控阵雷达则是每个辐射器都安装了发射和接收的组件,整个雷达可以拥有成千上万个这样的辐射器,就算其中有些辐射器坏了,也不会影响其他辐射器的正常运行;同时,有源相控阵雷达的每个天线元件接收和发射信号都有单独的控制开关,当工作任务量不大的时候,可以只启动部分天线元件工作,从而降低雷达功耗。

      战略威慑性强——

      无源相控阵雷达工作时必须要启动所有的天线元件,系统功耗相对较高。信息处理能力也相对较弱,一般只能在同一时间执行单一任务。

      有源相控阵雷达的组件既能独立发射雷达波,也能接收回波信号,大幅提高了扫描速度。除了传统的搜索跟踪功能外,有源相控阵雷达还具有更加强大的跟踪目标能力,可以同时跟踪多个方向的几百个目标,进行电子对抗干扰和远程通信等。

      第一代有源相控阵雷达系统接近定型的有美国装备F-22和日本装备FS-X的雷达,英、法和德国共同研制的AMSAR项目也确定使用先进的有源相控阵雷达技术,为其后续的欧洲战斗机雷达的升级改装做准备。

      此时“有源”胜“无源”。有源相控阵雷达的出现,在技术层面上要比无源相控阵雷达更加先进,在提高扫描精度和压缩雷达体积等方面,都具有无可比拟的优势。

      未来可期的数字相控阵雷达

      对战机和军舰来讲,雷达就是眼睛。现代战场环境复杂多变,给战机、军舰执行多项作战任务带来了巨大挑战,性能优越、更易携行的相控阵雷达也由此成为举足轻重的存在。比如,由荷兰泰利斯-NL公司、德国EADS公司和加拿大北电公司共同研制的APAR舰载多功能有源相控阵雷达,由4个固定的有源阵面组成,可覆盖360度的方位面,同时完成连续水平搜索、多目标跟踪、导弹制导支援、海面火控支援、目标拦截等任务。

      在2004年,俄罗斯宣称部署55Zh6ME Nebo-M数字相控阵雷达,在远距离也可获得分辨率极高的波束,有效地解决了雷达搜索距离和精确度的矛盾。

      此后,数字相控阵雷达渐渐进入人们的视野。

      数字相控阵雷达利用数字信号处理技术,可以实现低功耗、高稳定、高精度,具有快速的广域扫描速率、高灵敏度、易于软件化、更易实现共形技术等优势。

      在应用的过程中,数字相控阵雷达以其独特的优势广受欢迎。它可以快速测量多目标的距离和速度,应用于导弹、战机,可大幅提高预警系统与反导系统的灵敏度,扩大预警范围,提高拦截能力;或可与地面装备的火控、光电系统相结合,增强对目标的探测识别能力,提升火力打击精确度。

      但与此同时,有些暴露出来的问题也亟待解决。一方面,数字相控阵雷达采用“宽发窄收”的工作模式,通过发送一个宽波束,接收多个窄波束,虽然保证了匹配率,但也限制了发射阵面口径的利用率。另一方面,发射多个波束也会侧面导致能量较为分散,利用率低下。

      不可否认的是,未来的战场上,数字相控阵雷达可能会更加频繁地出现在人们的视野之中。未来战场对于雷达的需求,也逐渐向功能数字化、目标多样化、环境复杂化的方向转变。

      从“看得见”到“看得清”再到“辨得明”,随着科学技术的不断进步,相控阵雷达仍将大放异彩,广泛地应用于陆基、舰(船)载、机载等几乎所有民用和军用领域,“雷达之王”的地位目前不可撼动,其发展也将进入一个全新阶段。(梁丰武 张 毅 董豪杰)

【责任编辑:王金志 】