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你知道舰载相控阵雷达的现状及发展趋势吗

2011-08-17 06:06:43 本文行家:带刺的大理石

一、前言   现代海上战争中,舰艇所面临的主要威胁是来自空中各种兵器的攻击。为了有效地解决水面舰艇编队在复杂电磁干扰环境下抗击空中、海上多方向、多批次饱和攻击的威胁,世界各国海军相继发展了舰载相控阵雷达。该雷达装舰后将带来以下优越性:   (1)具有多种功能,一部舰用相控阵雷达可以代替一部警戒雷达、一部目标指示雷达、几部跟踪雷达,从而使舰上雷达天线配置上的矛盾和信号相互干扰问题得到妥善解决;   

 

2舰载相控阵雷达

一、前言
  现代海上战争中,舰艇所面临的主要威胁是来自空中各种兵器的攻击。为了有效地解决水面舰艇编队在复杂电磁干扰环境下抗击空中、海上多方向、多批次饱和攻击的威胁,世界各国海军相继发展了舰载相控阵雷达。该雷达装舰后将带来以下优越性:
  (1)具有多种功能,一部舰用相控阵雷达可以代替一部警戒雷达、一部目标指示雷达、几部跟踪雷达,从而使舰上雷达天线配置上的矛盾和信号相互干扰问题得到妥善解决;
  (2)能与区域防空导弹武器系统紧密配合,构成有效的对空防御作战系统,能抗击空、海多目标、多方向、多批次的饱和攻击;
  (3)自动化程度高,系统反应时间短,自适应能力好,抗干扰能力强,有利于适应复杂多变、空然袭击的战场环境;
  (4)与舰用指挥控制系统紧密配合,构成新型指控系统,突破了传统的作战系统与各分系统相对独立松散耦合方式,而形成整体性强的紧密耦合优化组合方式,大大提高了舰艇的作战能力;
  (5)天线波束采用电子稳定技术,取代了复杂而笨重的机电稳定系统,更适合于装舰。
  由于上述优越性的存在,以及相控体制本身的优点,使相控阵雷达成为舰艇雷达发展的必然趋势。目前美、俄、欧洲、日本等国家以及我国台湾地区竟相研制并装备了舰载相控阵雷达,以提高水面舰艇的作战能力。
  相控阵雷达的诞生是雷达技术体制的一个重要变革,相控阵雷达的优越性已为大家所公认,但几十年来发展的历程却是缓慢而艰难的。因此,研究相控阵雷达的发展规律,预测它的发展前景,对促进和推动相控阵雷达的发展将是十分有意义的。
二、相控阵雷达发展历程
1.相控阵雷达的孕育期
   20世纪40年代到50年代是相控阵雷达概念的提出和验证阶段。40年代初提出雷达天线用移相器来进行波束扫描的设想,第二次世界大战期间,第一代相控阵雷达诞生。由于采用机电移相器,雷达既笨重又复杂,数据率不高,未能发挥相控阵雷达的优越性。因此,只是作了原理性的验证,在相当长的时期内,未推广应 用。
2.无源相控阵雷达时期
  从60年代到80年代初期,相控阵雷达的理论和技术取得了重要的进展:
  (1)研制成功PIN管和铁氧体的电子移相器,取代了机械移相器;
  (2)相控阵天线的理论和实践趋向成熟,如最佳性能的单元设计、控制互耦、降低旁瓣、抑制“盲点”等方面都取得重要突破;
  (3)微电子和计算机的迅速发展为相控阵雷达发展提供了基础。
  50年代后期,由于对洲际导弹防御的需要,而常规机扫雷达又无法满足这些要求,相继研制成了一系列战略相控阵雷达,如美国的AN/FPS-46、PAR、PAVEPAWS,前苏联的“狗窝”等,占领了战略防御的重要地位。
   在战术应用领域,60年代初期,美国研制成功舰载相控阵雷达AN/SPS-33,曾装于核动力航空母舰和巡洋舰。由于功能单一,而重量却为AN /SPY-1D相控阵雷达的13倍,则被换装未再应用。另一“台风”计划中的舰载相控阵雷达AN/SPG-59,只作了样机试验,后因该雷达过于笨重,造价高、效率低,性能满足不了要求,故于1967年取消了该项目,这说明60年代战术相控阵雷达技术不够成熟,还不具备与常规雷达的竞争能力。
   70年代后期到80年代初期,随着相控技术和电子元器件的迅速发展,几种性能优良的战术相控阵雷达,如美国海军“宙斯盾”系统中的AN/SPY-1、陆军防空导弹“爱国者”系统中的AN/MPQ-53、炮位侦察校射用的AN/TPQ-37等开始装备部队,而且在使用中显示出了它的优越性。在海湾战争中,“ 爱国者”导弹成功拦截了伊拉克的“飞毛腿”导弹,充分证明了相控阵雷达的重大作用。
3.有源相控阵雷达时期
  从80年代后期至90年代,有源固态相控阵雷达逐渐成为主流,技术上发展的重点有:
  (1)自适应阵列理论的发展与应用;
  (2)高可靠、低成本的固态收发(T/R)组件;
  (3)信号处理和数字波束形成技术(DBF);
  (4)射频合成和分配的光纤技术。
   随着有源相控技术和固态收发组件的发展,80年代后期开始,各国都大力开展有源相控阵雷达的研制工作,其代表性的产品有英国的舰用多功能电扫自适应雷达(MESAR),英、法、意合作的欧洲多功能相控阵雷达(EMPAR)等。有源相控阵雷达将进一步发挥相控阵雷达的潜力,预计2010年前进入成熟阶段, 将在更多的领域得到推广和应用。 
三、舰载相控阵雷达的装备及研制现状
   美国是研制和使用舰载相控阵雷达最早的国家,不论在技术水平上还是装备的品种和数量上均领先和超过其它国家。早在第二次世界大战期间,美国海军就在主力舰上装备了MK-8舰载相控阵雷达,以后又不断研制和装备了AN/SPY-1、AN/SPQ-11、FLEXAR、FAST、FARS和有源相控阵雷达。 法国也是研制和装备舰载相控阵雷达比较早的国家,1978年已研制出DRBJ-11样机,现在又研制ARABEL和TRISKEL相控阵雷达。前苏联从 80年代初开始研制舰载相控阵雷达,现已研制和装备了“天空哨兵”、CCB-33和CCB-501相控阵雷达。英国研制舰载相控阵雷达虽然比美、法、前苏 联等国家较晚,但正在奋起直追,目前正在研制具有先进水平的多功能自适应电扫雷达(MESAR)。其它国家和地区也都竞相研制和装备舰载相控阵雷达,如 意、英、法联合研制的欧洲多功能相控阵雷达、意大利的RAN-20S、日本的OPS-24、荷兰的SMART、瑞典的ELSA和中国台湾地区的“长白”等 相控阵雷达。
四、舰载相控阵雷达发展趋势
1.固态有源阵是舰载相控阵雷达的发展方向
   多功能相控阵雷达的技术体制有2种基本类型:一种是集中馈电的无源阵技术体制,即雷达的发射机是一个整体式分机,集中向天线阵面馈电;另一种是固态有源  阵技术体制,其发射机是分布式,在天线阵面上的每个或数个辐射单元后面均接有固态收发组件,由于天线阵面上存在着数千个直接向空间辐射能量的功率源器件, 所以称为有源相控阵雷达。
  有源相控阵雷达与无源相控阵雷达相比,存在以下明显的优点:
  (1)由于有源相控阵雷达的发射机直接分布在阵面上,因此发射馈线损耗小,与无源相控阵雷达相比,减少4倍以上,则使雷达的探测距离明显增大;
   (2)由于有源相控阵雷达的天线阵面上的每一个单元相当于一部小发射机,只有当20%以上的收发组件失效后才会严重影响雷达性能。当仅有10%组件失效 时,雷达的作用距离仅减少3%左右,影响甚小。相反,无源相控阵雷达是采用一部集中式发射机,当发射机出现故障时,会导致整部雷达不能工作。由此可见,有  源比无源相控阵雷达的任务可靠性有较大提高;
  (3)有源相控阵雷达可发射灵活易变的大占空比发射波形,使其发射的脉冲功率大大降低,不易被敌方侦察机截获,具有良好的低截获概率性能。而无源相控阵雷达因受大功率发射管的制约,雷达工作占空比受到限制,使其发射的脉冲功率较大,易被敌方侦察和截获并受到干扰;
  (4)采用大量砷化镓微波集成电路的有源相控阵雷达,可明显减小雷达的体积、重量以及降低成本和提高可行性,更适于装舰;
  (5)有源相控阵雷达更有利于采用先进的数字波束形成技术,实现天线波束自适应控制,使其零点对准干扰方向,大大提高了抗干扰能力。
   总之,有源相控阵雷达是集现代阵列理论、超大规模集成电路、高速计算机、先进固态器件及光电技术为一体的新技术产物,充分体现了现代化科学的发展水平,  它具有多功能、远距离、高精度、高灵活性、高可靠性以及优良的抗干扰能力等鲜明特征,为舰载雷达的发展开辟了新的里程。
  鉴于上述优点,世界 上很多国家竞相研制固态有源相控阵雷达,并取得了可喜成果。英国普莱赛雷达公司和海军科学研究中心共同研制的MESAR(多功能电扫自适应雷达)雷达是固 态有源相控阵雷达的典型代表。它采用了砷化镓微波集成电路有源收发模块、数字波束形成、部分自适应阵列、数字脉压、可编程波形产生、可编程信号处理以及光  纤传输等新技术。该雷达能同时跟踪多达50个目标,并能有效对付饱和攻击和严重的电子干扰,最大作用距离可达几百公里。该型雷达的研制,为舰载固态有源阵  相控阵雷达的发展指明了方向。 
  2.广泛应用自适应技术
  未来的复杂、多变海战环境要求舰载相控阵雷达能在各种条件下自适应工作,使雷达与使用环境始终处于最佳的匹配状态。目前舰载相控阵雷达开始研究和应用下列几种技术。
  (1)自适应波束形成和调零
  在波控计算机的控制下,自适应形成雷达主瓣波束。根据输入特性,按照一定的算法准则进行自适应加权控制,使方向图零位自动对准干扰方向,从而最大限度地提高信噪比,有效抑制干扰。
  (2)自适应波束控制
   其目的是完成雷达资源的自适应分配,它要求舰载相控阵雷达按一定的准则检测到目标后,用高的增益(窄波束)或长的驻留时间去确认并跟踪目标;对于受干扰  的区域,根据干扰和杂波干扰的严重程度,分别采用相应的更高增益和更长的驻留时间去对抗干扰和抑制海杂波;跟踪状态(特别是低角跟踪状态)采用比搜索状态 更高的数据率。
  (3)自适应旁瓣对消
  设置按一定规律排列的N个辅助天线,对辅助天线收到的干扰信号进行自适应加权处理, 使之与主瓣收到的干扰信号相对消,达到抑制干扰的目的。要实现自适应旁瓣相消,需解决相消器权集的自适应处理。目前提出的权集自适应处理方法有:最陡下降  法(迭代公式简单,易于数字电路实现);共轭梯度法(运算量较小和收敛速度较快);矩阵直接求逆法(可适用于变化极快的干扰环境)。
  (4)自适应波形
   对于不同的环境采用不同的波形(不同脉冲宽度和不同脉冲重复频率)以获得最佳的探测性能。如美国的FLEXAR舰载相控阵雷达,采用14000种不同的 信号波形,通过可编程信号处理机与多模发射机及三通道接收机有机结合,自适应地改变雷达波形,使其与雷达工作环境匹配。
  (5)极化自适应
  所谓极化自适应是适时地调整天线发射电磁波的极化,使它与干扰环境相适应(如抗雨杂波采用右旋极化,抗海杂波适用水平极化),从而达到有效抑制杂波干扰的目的,提高雷达发现目标和跟踪目标的能力。
  此外,在舰载相控阵雷达中,还采用自适应频率捷变、自适应动目标显示、自适应工作方式选择、自适应恒虚警接收、自适应航迹相关等技术,提高了舰载相控阵雷达发现、跟踪、抗干扰、可靠性等综合能力。
  近几年来,数字波束形成的应用和实时自适处理的发展使舰载相控阵雷达的自适应能力提高到一个新水平。数字波束形成是采用数字技术实现瞬时多波束,并能对干扰源自适应瞄零,有很强的自适应处理能力,并可获得超分辨率和超低旁瓣性能。
  3.光电技术广泛应用
   光纤与波导、同轴电缆、微带线相比具有传输性能好,可实现多信号的多路传输,光功率分配网络可以很好避免电磁干扰及各路信号之间的串扰,光纤对温度变化  的敏感较之同轴电缆与微带线低一个数量级,光纤的传输速率高、损耗低等优点,可使舰载相控阵雷达的性能得到较大改善。因此,光电技术在舰载相控阵雷达中的 应用越来越广泛。
  (1)在相控阵天线中的应用
  为了保证相控阵雷达中各路发射信号在-40 dB旁瓣电平时的幅度与相位一致性,其性能分别要求达到0.1 dB(幅度)和1°(相位),从而给微波功率分配网络的结构设计、安装和调整等带来一系列困难。如果用光分配网络来取代微波功率分配网络,就能解决上述问  题。美国罗姆航空发展中心已成功研制利用光纤传输的光信号来控制高精度相控阵天线。如果使用集成的单片光电器件,就能使相控阵天线达到更高的精度(11 位)。
  (2)在波束形成网络中的应用
  传统的波束形成网络是用馈线功率分配器、功率相加器和固定移相器等来实现的,如用光纤代替时,光纤既可作为传输信道,又可作为光信号分配器和实时信号延时所需的调节器,可获得很高的相加网络的相位精度且抗电磁干扰性能好,温度稳定性也高。
  (3)在数字波束形成网络中的应用
   舰载相控阵雷达有多达数千个收发组件,因此数字波束形成处理器与收发组件之间的接口以及射频、中频的控制信号的传输,若用一般的导线和电缆,不但会出现  阵列空间无法容纳的困难,而且还会导致射频接口处引入的幅相误差更难解决。光纤有较大的带宽,一根光纤上能运载许多信号(全部信息与收/发组件的对接可用 一根光纤来完成),而且重量轻、体积小,这无疑是解决数字波束形成的一种有效而实用的技术。
  (4)采用光纤传输相控阵雷达的控制信号
   为了实现相控阵天线波束的高速灵活扫描,需要向成千上万个数字式移相器提供大量的波束控制信号;为了完成变极化控制,也需对成千上万个天线单元提供极化  控制信号;为了获得超低旁瓣天线,除用移相器进行相位补偿外,往往还需对各单元的信号幅度实施补偿和调整,同样也需要向各单元提供控制信号;将这些信号从 计算机送至上述有关部分,也需要一个控制信号的分配系统。采用光纤传输这些控制信号,就可利用光纤的高传输速率来简化系统结构、节省设备量、缩小体积、减  轻重量,提高抗电磁干扰能力。
  (5)在信号处理和数据处理中的应用
  采用光纤和光电集成电路处理雷达信号,比用电子线路、声表器 件或电荷耦合器件的性能优越得多。用光纤可有效地构成宽带延迟线(能达1 ms的延迟时间,时间带宽积可达106,超过常规和其它发展中的延迟线的3个数量级)自适应横向滤波器和匹配滤波器。目前已研制出用铌铵锂化合材料作衬底 的光集成电路元件,预计近期可研制出3 000 Hz采样速率的光电集成A/D变换电路,可用于雷达信号和数据处理。
  (6)在相控阵校准系统中的应用
   为了使相控阵雷达的性能达到最佳状态,必须对其监控和校准。由于幅相控制的要求更加严格,将有源阵单元全部置于开环控制状态是不现实的,需要实现一种通  用的内置校准和监控,这就需要注入一个校准信号。校准信号注入精度的要求是很严格的,用光纤分支接头能满足其需求。这种分支接头具有很高的插入相位稳定 度,并可把一路参考信号分配给多个带有小探针或其它射频注入耦合器的光电检测器。
  4.进一步缩小体积、减轻重量、降低成本和提高可靠性及维修性
  (1)缩小体积、减轻重量、降低成本
   由于舰艇的空间有限,要求舰载相控阵雷达应尽可能做到体积小和重量轻,降低造价。目前,可采取如下措施:在微波集成电路技术上力争有所突破,研制质优、  价廉的收/发组件;采用微带线和光电技术;采用设计和组装的系统研究法;采用新体制,如螺旋移相单元和圆顶天线相结合的新体制等;利用最优成本公式及阵列  稀化技术,减少舰载相控阵组成单元的数量,采用整体子阵组件方法;采用具有单片芯片插件的混合组件;采用组件的自动化生产和组装技术等。
  (2)提高可靠性和可维修性
   舰载相控阵雷达所处的工作环境条件及舰船对雷达系统性能的特殊要求,使舰载相控阵雷达的可靠性设计比陆用相控阵雷达更为重要,也更加困难。因此,在提高  舰载相控阵雷达可靠性方面需采用固态技术,特别是采用固态有源收/发组件;实行标准化,最大限度地减少元件品种;降低元件额定值,选用已确认的可靠元件;  采用负载分配法、有选择的在线备份法;采用功能模件化、重新组合法等。
  为了提高舰载相控阵雷达的可维修性,可采取以下措施:尽量采用模块化技 术;使用智能维修设备,提高故障定位精度;进行设备内部关键元器件的可接近性设计,使那些最容易出故障的部件最容易接近;尽量减少每个可更换单元对外连接  线的数目;采用标准化部件、插入式单元;采用过载保护装置等。
五、结束语
  总之,舰载相控阵雷达发展的总趋势是以固态有源阵和数字波束形成为核心,综合应用有关高新技术,使其潜力得到更充分的发挥。随着有源阵列、数字波束形成、超低旁瓣天线、大容量实时处理、光电技术和MMIC等高新技术的迅速发展,将把舰载相控阵雷达的发展推向一个崭新的阶段。

参考文献 

[1]JANE’S RADAR AND ELECTRONIC WARFARE SYSTEM 2001~2002[Z].2002. 
[2]JANE’S RADAR AND  ELECTRONIC WARFARE SYSTEM 2002~2003[Z].2003. 
[3]舰载相控阵雷达文集[C].北京:海军装备论证研究中心,1992. 
[4]王松山.舰用相控阵雷达技术文集[C].西安:机械电子部第二十研究所,1988. 
[5]美国海军武器装备手册[M].北京:解放军出版社,2002. 
[6]张忠华,孙晓昶.光控相控阵雷达[J].电讯技术,2004,44(2). 
[7]第八届全国雷达学术年会论文集[C].成都:电子科技大学出版社,2002.

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参考资料:
[1] 作者姓名:王 剑,罗 军作者单位: 南京理工大学 .海军装备研究院
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带刺的大理石曹磊,2010年电气自动化技术专科毕业,2009年底从事雷电防护行业,针对军用设施做防护技术支持工作。11年7月接触小百科,目前为海军百科管理员。酷爱军事,对军史,军事装备,装备建设背景,有着浓厚的兴趣。

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