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曾服役于广西边防五师十三团特务连、广西边防五师师直工兵营营部,现流浪于广东省东莞市。 《军人荣耀网》创建者之一,http://www.jrryw.com欢迎你的光临!

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引用 现代战场的千里眼--相控阵雷达  

2009-11-15 13:11:47|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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引用

鹰击长空现代战场的千里眼--相控阵雷达

普通雷达的波束扫描是靠雷达天线的转动而实现的,又称为机械扫描雷达。

而相控阵雷达是用电的方式控制雷达波束的指向变化进行扫描的,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依靠旋转天线来使雷达波束转动,但它自有自己的“绝招”,那就是使用“移相器”来实现雷达波束转动。相控阵雷达天线是由大量的辐射器(小天线)组成的阵列(正方形、三角形等),辐射器少则几百,多则数千,甚至上万,每个辐射器的后面都接有一个可控移相器,每个移相器都由电子计算机控制。当相控阵雷达搜索远距离目标时,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,即使是上万千米外的洲际导弹和几万千米远的卫星,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,产生多个波束,有的搜索、有的跟踪、有的引导。正是由于这种雷达摒弃了一般雷达天线的工作原理,人们给它起了个与众不同的名字———相控阵雷达,表示“相位可以控制的天线阵”的含义。 现代战场的千里眼--相控阵雷达 - 鹰击长空 - 本博军事指导--现代战场的千里眼--相控阵雷达 - 鹰击长空 - 本博军事指导--

       相控阵雷达有两种,一种是有源相控阵雷达,一种是无源、相摔阵雷达。两者的区别存于:有源相控阵雷达的天线是一种称为T/R模组的接收与发射装置,每一块T/R模组都能产生电磁波;而无源相控阵雷达则是使用统一的发射机和接收机,外加具有相位控制能力的相控阵天线而成,天线本身不能产生雷达波。有源与无源相控阵雷达在功能上无太大的区别,不过有源相控阵的收发装置只有T/R模组,所以结构重量轻,故障率低,即使几个相邻阵元出现故障和损坏,也不会对整个系统的性能造成影响。而无源相控阵雷达与传统雷达l有天线及处理系统的差别,结构重量、生存率等均不能与有源相控阵雷达相比。因此,有源相控阵雷达是未来战斗机机载雷达的发展方向。
      中国研制相控阵雷达已有多年,在地对空导弹系统、炮兵侦测系统和新型驱逐舰上已有实际应用。但是机载相控阵雷达必须解决好三个难题:
       一是T/R模组的体积。一般是28个T/R单元使用一组共用元件,一个模组中共用单元的数量越多越好,但共用组件故障时对雷达性能的影响也就较显著。所以,两者必须平衡。
       二是大功率低压电源。相控阵雷达的天线阵元要求的电压不高,但所需电流却很大。作为机载相控阵雷达系统中的电源,必须可靠性高,体积小,重量轻。
       三是冷却。相控阵雷达的天线阵面上密着数百上千个T/R模组,热功率相当高,如何对其冷却是保证雷达可靠、正常工作的条件。有源相控阵雷达技术难点较多,而无源相控阵雷达相对来说技术难度较小,装备比较容易,作为有源相控阵雷达的替代品或机载雷达的低端产品,不失为一种首选方案

 

机载雷达经历了从机械扫描形式到相控阵电子扫描,再到最新的保形"智能蒙皮"天线的发展过程,电子扫描雷达在作战使用中的优势在哪里?未来的综合式射频(RF)传感器系统的总体特点和关键技术是哪些?您将从本文中得到启发
近50多年来,机载雷达不断采用新的技术成果,性能不断提高,其中重要的有全向多脉冲射频(MPRF)模式和高分辨率多普勒波束锐化(DBS)技术在雷达 中的实际应用。目前,由于在信号处理和砷化镓微波集成电路领域技术的进步,雷达作为战术飞机主传感器的地位仍然会继续保持下去。
电子扫描技术的发展
雷达波束天线电子扫描应用的第一步是无源电子扫描阵列(ESA),其主要优点是实现了波束的无惯性扫描,在作战中有助于对辐射能量的控制。现 役的此种类型的雷达有美国空军的B1-B和俄罗斯的米格-31装备的雷达,在研的有法国装备其"阵风"战斗机的RBE-2雷达。
有源ESA的出现是技术上的又一进步。它的每一个阵元中都有一个RF发射机和灵敏的RF接收机,在各个发射/接收(T/R)模块内都有一个功率放大器、一 个低噪声放大器和用砷化镓技术制造的相位振幅控制装置。有源ESA雷达技术放弃了传统的中心式高功率发射机,除了具有无源相控阵雷达的优点外,还提高了能 量的使用效率并具有自适应波束控制、强抗干扰能力和高可靠性等优点。
西方国家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。从今天的角度来看,雷达技术未来的下一个发展方向是保形"智能蒙皮"阵列,它把有源ESA技术 和多功能共用RF孔径结合了起来,在天线阵元的安排上,与飞机机身的结构巧妙地配合,实现宽波段和多功能。保形天线阵列有高性能的处理器并使用空-时自适 应处理技术有效地抑制了外部的噪声、干扰和杂波并能以最优化的方式来探测所感兴趣的目标。虽然有许多相关的技术问题需要解决,但保形"智能蒙皮"技术并非 是个不切实际的解决方案,预计在20~25年的时间内就可以达到实用阶段。
在10~15年内,对战术飞机射频传感器(包括雷达)未来所执行的任务来说,最迫切的需要是增加功能、提高性能,并且还要注重经济性和可维护性。美国的" 宝石路"计划已经证明,航空电子系统通过采用通用模块、资源共享和传感器的空间重构(重构的设备包括雷达、电子战及通信-导航-识别等射频传感器)可以做 到系统的造价和重量减小一半,而可靠性提高三倍。它所确立的综合模块化航空电子的设计原则已用于JSF战斗机的综合传感器系统(ISS)和多重综合式射频 传感器工程的设计中,欧洲类似的用于未来战术飞机的综合式射频传感器项目也正在实施。
作战性能
电子扫描技术,尤其是有源电子扫描阵列,与传统的机械扫描天线相比有以下几个突出的优点:
敏捷波束
由于ESA消除了天线的机械惯性,因此其波束指向速度极为敏捷。例如,在 60°的锥形角内,波束的重新定位时间小于1毫秒,因此这就为载机在作战使用的战术上带来了很大的优势:
● 高效的搜索模式(波束扫描时不会浪费时间);
● 目标的驻留时间和修正时间可以分别达到最优化的状态,同时满足了探测和跟踪的需要;
● 连续探测(警告后确认)技术可极大地增大探测的距离;
● 快速跟踪形式(初探测距离上建立跟踪);
● 对多目标跟踪的高度精确性(相当于对单目标的跟踪);
● 独立的搜索和跟踪功能(对搜索区之外的目标进行跟踪);
● 用主波瓣或近旁波瓣对导弹进行远距离的数据传输;
● 可同时工作在空-空和空-面状态(地形跟踪功能已和空-空搜索状态结合在一起);
● 高度随机性的搜索模式(减小了雷达信号被敌方截获和利用的机会)。
多功能和高性能
因为有源ESA阵列单元内组合了接收和发射模块,微波能量的损耗大为减少,与行波管相比高效率的砷化镓功率放大器使整个辐射阵元的累加功率很高,对于同一 个安装空间(同样的功率和天线罩)来说,有源ESA所辐射的有效功率要比MSA大10dB(距离要远75%)。这样,有源ESA可以"先看到"目标,极大 地提高了作战的能力,特别是在目标反射截面(RCS)日益减小的今天。
ESA的另一个很有价值的特点是能够自适应控制发射和接收波束的形状,因此,可以实现一些特殊的功能和模式。
● 模式可选择的波束形状,例如空-空状态使用笔状波束,空-面状态使用余割波束;
● 用方位扇面波束发射,若干个笔状波束接收,可最大程度地发现高速目标、旋转翼目标产生的桨叶闪烁和隐身目标产生的RCS闪烁;
● 宽的发射波束结合若干个笔状接收波束可有效地产生一种射频"凝视阵列",这使得作战搜索模式具有了一种使目标"无法逃脱"的性能。
视场(FOV)
对于ESA,主波束的增益沿着视线的阵列投影面积按比例下降,但对增益的降低可用增加驻留时间的方法来补偿(要以降低扫描效率为代价),最大可用视场通常限制在以视轴为中心的60°锥形角内, FOV的角度越宽越好,要想达到这一目的可使用多个天线阵列。
应用于战术飞机使用环境时,一种可行的配置方式是前视用主阵列,两个较小的侧阵列做补充,这样可以在近距离上覆盖飞机的两侧,增强了对环境的感知能力。
通常,目标在远距离被前向主阵列波束截获,并在转入交战的时间里在较近的距离上交给旁阵列。在超视距距离上的一种常用的作战机动战术叫F形顶点机动,用主 阵列波束对目标建立起跟踪后,飞行员推加力使飞机加速,然后发射导弹,再转向规避敌方的反击。导弹的中距离制导要求在命中目标之前保持对目标的照射和目标 数据的更新,把这些工作交由旁阵列波束完成,这样飞行员可以选择一个较为安全的宽角度规避。
电子对抗能力强
自适应波束可形成对旁瓣和主波束干扰的一种有效的对抗措施,它要求有源ESA能分割成多达30个以上的分阵列,每一个分阵列都与一个接收机和模/数转换器 相关联,分阵列的数字化输出值以自适应的方式进行组合以形成一个在感兴趣的目标方向取得较高增益的天线波束,同时,在干扰方向上的增益则很小或为零。有源 ESA的自适应波束形成能力是机载雷达在复杂的电磁环境中得以保持其作战能力的主要因素。
有源ESA其他特点还有,它有较宽的工作带宽和瞬时带宽,并有多样化的波形和扫描模式,这些都有助于增强雷达的电子对抗能力。
隐蔽性好
信号管理将是未来战术飞机的一项重要的系统,它要求雷达要采用低截获概率的波形,最大程度地减小雷达信号被敌方接收机探测到的可能性,同时雷达天线在整个飞机的雷达反射截面积(RCS)中不应占据较大部分,在这方面有源ESA有很大的优势。
有效的低截获概率的基础是对雷达辐射信号在时域、空域和频域上的有效管理,能够加以自主运用的方面包括:权衡发射峰值功率和累计时间的能力,权衡旁瓣发射 波束水平和发射峰值功率的能力,在最低可接受的距离上探测感兴趣的目标,减小所必需的峰值功率的能力。阵列较宽的瞬时带宽能被用于减小峰值功率,同时,自 适应波束控制可以使雷达在已知的有威胁性的方向上不发射电磁信号,这样可有效地减小被敌方接收机截获的可能性。多种伪随机频率、波形和扫描模式将会消弱敌 方接收机破译交叠信号和确认雷达辐射信号的能力,特别是在电磁环境复杂的环境中。
双基模式可使机载雷达达到最佳的隐蔽效果,具体运用过程是:装备有高功率发射机和高增益转向天线的飞机在安全的远距离位置对目标进行照射,目标回波信号由 一架或多架飞机的雷达接收和处理,而这些雷达全部工作在无源状态。一个具有多个分阵列和自适应波束控制能力的ESA系统能够产生多重接收波束,它们与发射 波束的交叠确定了搜索的范围。频率、时间和波束位置数据可使用旁瓣通过隐蔽的手段传输以在时间上协调发射和接收同步,虽然辐射源会引起敌人的注意(包括定 向干扰),但攻击飞机可以在不引起目标警觉和干扰的情况下获得实时的雷达数据。
可靠性好
有源ESA系统没有像MSA系统那样的运动部件,因而具有极高的使用可靠性。它高度结构化的通用模块,由1000~2000个T/R模块组成的阵元面中, 即使其中有5%的模块发生故障,雷达性能只有轻微的损失,不会出现灾难性的故障。其重构及备用能力储备的使用极大地提高了雷达系统执行任务的可靠性。未来 有源ESA雷达系统能够实现的一个目标是两次重大故障之间的平均时间要与飞机寿命相当,有效地减少二线和三线维修设施的需要,并在其使用寿命内减少了维护 费用。
综合式RF传感器
目前,战斗机使用有若干种RF传感器,它们是分别研制开发的,并"松散地"组合成整个航空电子设备系统,它大致可分为如下类别:
● 宽带电子对抗系统(2-18吉赫并可扩展到35和94吉赫);
● 雷达(相对来说带宽较窄,即X/Ku波段);
● 用于导弹遥测的C/ X/Ku波段数据链;
● 雷达高度表(4吉赫);
● L波段系统(IFF, JTIDS, GPS);
● V/UHF通信及导航辅助系统。
如果采用综合式机载传感器的原则,就要求使用高度集成化和模块化的组件,在一套综合式RF传感器使用共用孔径的情况下,可将其分为三个主要的系统:
● C/X/Ku波段的综合式雷达、EW、数据链和雷达高度表系统;
● 宽带电子战系统;
● 综合式通信、导航、识别(CNI)系统。
当几个天线共用一个孔径但同时履行多个功能时,就要求这个宽带孔径能独立地提供多个可控波束。虽然这种方法有很大的优势,但在技术实现上有很大的难度,主要难点是系统同时工作时怎样隔离和控制信号间的相互调制,以时分和孔径分割法可以部分解决这些难点。
雷达/电子战主孔径,可以设计成一种支持连续覆盖C波段的高端、X波段和Ku波段的宽带多功能ESA,它会提供共用的时序或同步的雷达、电子战和数据链工 作状态。多重(两个或三个)阵列将会用于所必需的角度覆盖,阵列的大小和形状取决于设备安装空间、雷达旁瓣、角分辨率、增益和发射功率的要求。为满足各种 波束形状的需要,每个阵列将分为多个(30个以上)分阵列以使孔径可以针对某个特定的功能进行较好地调整及支持几项功能同时运作。
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