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    有源相控陣與無源相控陣雷達

    作者:ZongYu時間:2022-08-12來源:EEPW收藏

    有源相控陣與無源

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202208/437292.htm

     

    歷史中有太多改變了人類世界的發明創造,從人類的第一項技術,火,到如今無數科學家正在全力攻克的可控核聚變。從古至今,無數的人們先撲后繼,努力按照人類的意愿改變這顆藍色的星球,有太多的故事要講,有無數的技術值得我們銘記。而我們今天要談論的技術,它的萌芽始于1842年,一位來自奧地利的物理學家——多普勒。他發現物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面,波被壓縮,波長變得較短,頻率變得較高(藍移blue shift);在運動的波源后面時,會產生相反的效應。這便是雷達測速的基礎原理——多普勒效應。隨后,一代代的科學家在這個地基的基礎之上,有意或是無意的添磚加瓦,1917年,羅伯特·沃特森·瓦特(Robert Watson-Watt)成功設計雷暴定位裝置,它宣告了雷達的誕生。最終,在1940年的不列顛空戰之中,雷達證明了自己在上的價值,悄然改變了人類歷史的軌跡。

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    多普勒效應

    雷達的工作原理十分簡單,與我們平時接觸最多的聲波反射原理相當接近。當我們朝空曠的山洞中大喊一聲,我就會聽到回聲被反射回來,我們知道聲音在空氣中的大概速度,就可以通過接收到回聲的時間差算出山洞中的石壁距離我們有多遠。雷達的探測方式與上述原理大致一致,但是將探測的介質由聲音換成了電磁波,雷達由發射機發射電磁波,當電磁波在空中接觸到一些物體后,有一小部分會被反射,被雷達的接收機捕獲,在加上上文所說的多普勒效應,我們變相知道了物體相對于我們的速度,這便是雷達探測的基本原理。

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    雷達基礎原理圖

    如今的雷達技術已經相當成熟,雷達的種類也已經百花齊放。如果按照雷達信號形式分類有:脈沖雷達、連續波雷達、脈部壓縮雷達和頻率捷變雷達等;按照雷達采用的技術和信號處理的方式有:相參積累和非相參積累、動目標顯示、動目標檢測、脈沖多普勒雷達、合成孔徑雷達、邊掃描邊跟蹤雷達等;按雷達頻段分,可分為超視距雷達、微波雷達、毫米波雷達以及激光雷達等。而今天筆者想和各位讀者聊一聊。

    所謂就是“相位控制雷達”的簡稱,它是用天線掃描方式不同來區別出的一類雷達,與其相對應的是機械掃描雷達。顧名思義,相位控制就是通過控制電磁波的相位差,利用電磁波的干涉現象來控制電磁波的發射方向的一種技術,對比于傳統的機械掃描雷達,有著革命性的優勢。傳統的機械掃描雷達采用凹面鏡樣式的拋物面來收縮視角,因此想要提高雷達精度,就只能采用增大雷達天線面積的方法實現,而增大了雷達天線面積勢必導致雷達重量的增加,就會進一步降低雷達電機的旋轉速度,掃描速度和掃描精度,在傳統機械掃描雷達上成了魚與熊掌的關系。而相控陣技術的出現,徹底解決了這個問題。

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    傳統機械掃描雷達結構

    已知最早的相控陣雷達出現于1937年,由納粹德國建造的“猛犸”雷達系統,而對于“猛犸”雷達的資料不多,甚至對于其采用的是有源相控陣還是無源相控陣技術還尚有爭議,筆者在這里先不做討論,這里就按照美國國家檔案和記錄管理局的結論,二戰德國設計制造的“猛犸”早期預警雷達是已知世界最早的相控陣雷達。

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    電磁波干涉

    對于有源相控陣和無源相控陣雷達從外表上看并沒有太大的區別,都是有很多小單元組成,每一個小單元的天線都能發射和接收信號,也都能通過上文提到的電磁干涉來控制電磁波束的方向,高速掃描目標空域。而不同的是,無源相控陣上是由一個統一的放大器來調節每個小單元上的信號強度。其優勢也顯而易見:在制造價格和制造難度都不高的前提下,

    大幅提高了相對于機械雷達的掃描速度。而其劣勢也相對明顯,只有一個放大器裝置,相當于把雞蛋都放在了一個籃子里,只要雷達有一部分遭到損壞,就有很大概率會讓整個雷達停止工作,而且由于每個單元的信號強度都是統一分配的,其功能和信號的靈活程度,也受到了很大的影響。而有源相控陣則是像蜻蜓的復眼,由無數相互獨立的收發單元組成,每個小單元擁有獨立的放大器,這些一組組的雷達模塊被稱為T/R模塊,每個T/R模塊接收到的電磁波信號都是弱信號,T/R模塊的天線根據自己的需要將電磁波信號放大到需要的程度。這樣每個T/R模塊都能獨立完成任務,一個雷達就可以同時實現多種功能,除了傳統的搜索跟蹤外,還可以進行電子對抗干擾和遠程通訊等等。

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    相控陣雷達

    所以,在技術層面上,有源相控陣要比無源相控陣更加先進,無論是掃描精度,還是雷達的體積,無源相控陣都占不到優勢。做一個不恰當的比喻,有源相控陣和無源相控陣就像是智能手機與功能手機的區別。但是,有源相控陣它的制造難度和成本高,后期維護費用更是遠高于無源相控陣,所以就連當今海軍實力最強的美國,也只在其最新服役的“宙斯盾”驅逐艦(阿利伯克級 block IIA)中,只有部分裝備有源相控陣雷達(AN/SPY-6(V) 空中搜索雷達),其主要對空搜索雷達依然采用的是無源陣列;而我國海軍起步晚,后發優勢明顯,

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    AN/SPY-6(V) 空中搜索雷達

    2014年入列的首艘052D型驅逐艦昆明艦開始就使用了由南京電子技術研究所(14所)所研發的346A型有源相控陣雷達,部分性能超過美軍的“宙斯盾”雷達系統。我國也成了世界上第一個在海軍主力海軍艦艇中全面使用有源相控陣技術的國家。

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    346A “海之星”有源相控陣雷達

    2022年6月17日,我國首艘國產采用直通甲板,電磁彈射型航空母艦福建艦正式下水,八萬余噸的排水量,打破了保持了82年的歐亞大陸最大噸位戰艦紀錄(原紀錄保持者為舊日本海軍于1940年下水,滿載滿水量72810噸的大和級戰列艦)。在全民為其三條中壓直流電磁彈射器歡呼的同時,有一些眼尖的軍迷發現了一些更讓人欣喜的“小細節”,那就是其兩座H/PJ-111130毫米艦炮(以下簡稱1130近防炮)全面換裝了新型相控陣雷達,成為了世界上第一種采用了相控陣雷達的近防炮系統,這無疑標志著我國相控陣技術在小型化上走在了絕對的領先位置。

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    福建艦上換裝了新型相控陣雷達的1130近防炮

    1130近防炮是由我國自主研制的、目前世界上射速最高的艦防攔截武器系統,其采用了11管30毫米加特林炮設計,全自動控制,擁有兩個彈倉共1280發備彈,最高射速高達11000發/分,也就是說,在最快射速下,每秒鐘將有166發鎢合金脫殼穿甲彈出膛,能迅速在艦船一側拉出一條鋼鐵之墻,能輕易撕碎兩公里內任何敵空中目標。

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    正在高速射擊的1130近防炮

    但是,我國的1130近防系統系統之前一直采用傳統雷達、紅外、和光學傳感器追蹤目標,在應對以三馬赫(1020米/秒)以下的目標時有著極高的攔截效率,但是隨著各種高超聲速的出現,這套雷達系統就有些捉襟見肘了。因此順應武器的發展,福建艦上的近防系統也首次使用了相控陣雷達,上文提到過,相控陣雷達反應迅速,可以同時對多個空域展開搜索,同時跟蹤更多的高速飛行單位,而且可靠性很高,就算是損失了10%的T/R模塊對其影響依舊不大,甚至在30%的T/R模塊都被擊毀的情況下,有源相控陣仍然可以工作,這對于軍艦最后的防御手段——近防炮,來說可謂是至關重要,在未來的大海之上,

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    1130近防炮所發射的DEC115型30mm鎢合金尾翼穩定脫殼穿甲彈

    各種高超聲速武器的出現,戰局是真正的瞬息萬變,以國產346A海之星有源相控陣雷達為例,其最大發現距離為450公里,如果以現在最先進的高超聲速反艦導彈鷹擊21型

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    下掛鷹擊21高超聲速反艦導彈的轟-6K

    (很尬尷,這方面最先進的盾和矛都是我國生產并裝備的)對其發起攻擊,如果導彈以8馬赫(2720米/s)的突防速度進行攻擊,在450公里的距離上,留給軍艦的反應時間只有165秒左右,在如此緊急的時間內,近防系統要完成開機,索敵,抵抗海面復雜的雜波,最終鎖定目標,在兩公里的距離上組織攻擊并將其擊毀這一系列操作,對于傳統近防雷達來說,幾乎是不可能的任務。但是換裝了最新的有源相控陣雷達,攔截高超聲速武器變成了可能(雖然筆者認為成功概率也不會很高)。作為除了美國之外最強大的航空母艦福建艦,為其配備如此豪華的雷達系統是一定的。但是看我國以往的作風,未來有源相控陣系統應該會在我軍中推廣開來,助力解放軍成為一支現代化的世界一流軍隊。

    雖然相控陣技術最先應用于,但隨著近期的趨勢,在不遠的未來相控陣技術很有可能進入汽車電子領域,為普通老百姓服務。

    作為無人駕駛領域的先驅者之一,2012年末,谷歌開始公開測試其無人駕駛汽車,而谷歌所采用的無人駕駛技術,是依靠機械掃描激光雷達對于周邊環境進行精確建模,同時輔以攝像頭、毫米波雷達和超聲波雷達等手段達到觀察環境的目的。這種方案的優勢十分明顯:激光雷達的探測精度高,而且對于芯片的圖像處理能力要求不高,節省下的算力可以用于其他地方,對于在惡劣天氣下激光雷達可靠性降低的情況,其定向毫米波雷達可以作為補充,保障行車安全。但是這種方法的劣勢也很明顯:由于使用了多種傳感器、雷達輔助其可靠性必然降低,而且,在大霧、沙塵等能見度低的惡劣天氣中,雖然毫米波雷達可以正常工作,但是毫米波雷達只能判斷前方有沒有物體,不能精確識別物體的形狀,對于城市道路上復雜的路況和各種信號燈來說,顯然是杯水車薪,加上其高昂的成本想在市場上全面鋪開基本上是不可能的。

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    谷歌Waymo自動駕駛

    而這一領域另一個大廠,特斯拉則采用了另一種方案。特斯拉致力于降低智能駕駛的使用成本,以便在市場上全面鋪開,所以其選擇的是市場中已經成熟的攝像頭技術,輔以強大的AI算力來達到自動駕駛目的,降低成本的目的確實已經達到了,但是其自動駕駛實際的效果嘛,只能說未來可期。

    而今年來在上大放異彩的有源相控陣技術,在筆者看來,很可能是未來自動駕駛的出路之一。使用激光相控陣雷達,由于沒有機械轉動掃描結構,在體積和成本都大幅下降的前提下,可以做到幾乎實時的掃描效率,在如今瞬息萬變的復雜路況下,減少了對于環境反應的延遲性問題,大大提高了自動駕駛的安全性;而且對比于傳統幾種傳感器,激光相控陣雷達在全天候都有不錯的可用性。但是,沒有十全十美的事物,相控陣雷達做不到360°的視野,甚至其最大也只能有90°的掃描視野,因此只能靠增加雷達數量的方式來防止死角的出現。

    總的來說雷達的原理十分簡單,但要實現高性能的雷達還有許許多多的技術壁壘,所以在如今在成為少數國家的專利。慶幸的是我國擁有非常成熟的雷達技術,相信在不遠的未來相控陣雷達的技術將漸漸脫離軍事,來到萬千尋常百姓的家中,為我們的生活增添更多的便利。

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