雷達(dá)的工作原理

1、雷達(dá)的工作原理2008-06-10 23:19:02|分類： 轉(zhuǎn)載資料 |字號訂閱 雷達(dá)(radar)原是“無線電探測與定位”的英文縮寫。雷達(dá)的基本任務(wù)是探測感興趣的目標(biāo)，測定有關(guān)目標(biāo)的距離、方問、速度等狀態(tài)參數(shù)。雷達(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)（包括信號處理機(jī)）和顯示器等部分組成。 雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生足夠的電磁能量，經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送給天線。天線將這些電磁能量輻射至大氣 中，集中在某一個很窄的方向上形成波束，向前傳播。電磁波遇到波束內(nèi)的目標(biāo)后，將沿著各個方向產(chǎn)生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達(dá)的方向，被雷達(dá)天 線獲取。天線獲取的能量經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到接收機(jī)，形成雷達(dá)的回波信號。由于在傳播過

2、程中電磁波會隨著傳播距離而衰減，雷達(dá)回波信號非常微弱，幾乎被噪 聲所淹沒。接收機(jī)放大微弱的回波信號，經(jīng)過信號處理機(jī)處理，提取出包含在回波中的信息，送到顯示器，顯示出目標(biāo)的距離、方向、速度等。 為了測定目標(biāo)的距離，雷達(dá)準(zhǔn)確測量從電磁波發(fā)射時刻到接收到回波時刻的延遲時間，這個延遲時間是電磁波從發(fā)射機(jī)到目標(biāo)，再由目標(biāo)返回雷達(dá)接收機(jī)的傳播時間。根據(jù)電磁波的傳播速度，可以確定目標(biāo)的距離公式為：S=CT/2 其中S為目標(biāo)距離，T為電磁波從雷達(dá)發(fā)射出去到接收到目標(biāo)回波的時間，C為光速 雷達(dá)測定目標(biāo)的方向是利用天線的方向性來實現(xiàn)的。通過機(jī)械和電氣上的組合作用，雷達(dá)把天線的小事指向雷達(dá)要探測的方向，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)

3、，雷達(dá)讀出些時天線小事的指向角，就是目標(biāo)的方向角。兩坐標(biāo)雷達(dá)只能測定目標(biāo)的方位角，三坐標(biāo)雷達(dá)可以測定方位角和俯仰角。 測定目標(biāo)的運動速度是雷達(dá)的一個重要功能，雷達(dá)測速利用了物理學(xué)中的多普勒原理：當(dāng)目標(biāo)和雷達(dá) 之間存在著相對位置運動時，目標(biāo)回波的頻率就會發(fā)生改變，頻率的改變量稱為多普勒頻移，用于確定目標(biāo)的相對徑向速度，通常，具有測速能力的雷達(dá)，例如脈沖 多普勒雷達(dá)，要比一般雷達(dá)復(fù)雜得多。 雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)主要包括作用距離、威力范圍、測距分辨力與精度、測角分辨力與精度、測速分辨力與精度、系統(tǒng)機(jī)動性等。 其中，作用距離是指雷達(dá)剛好能夠可靠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離。它取決于雷達(dá)的發(fā)射功率與天線口徑的乘積，并與目標(biāo)

4、本身反射雷達(dá)電磁波的能力（雷達(dá)散射截面積的大?。┑纫蛩赜嘘P(guān)。威力范圍指由最大作用距離、最小作用距離、最大仰角、最小仰角及方位角范圍確定的區(qū)域。 雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)很多，而且與雷達(dá)的體制有關(guān)，這里僅僅討論那些與電子對抗關(guān)系密切的主要參數(shù)。 根據(jù)波形來區(qū)分，雷達(dá)主要分為脈沖雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)兩大類。當(dāng)前常用的雷達(dá)大多數(shù)是脈沖雷達(dá)。常規(guī)脈沖雷達(dá)周期性地發(fā)射高頻脈沖。相關(guān)的參數(shù)為脈沖重復(fù)周期（脈沖重復(fù)頻率）、脈沖寬度以及載波頻率。載波頻率是在一個脈沖內(nèi)信號的高頻振蕩頻率，也稱為雷達(dá)的工作頻率。 雷達(dá)天線對電磁能量在方向上的聚集能力用波束寬度來描述，波束越窄，天線的方向性越好。但是在 設(shè)計和制造過程中，

5、雷達(dá)天線不可能把所有能量全部集中在理想的波束之內(nèi)，在其它方向上在在著泄漏能量的問題。能量集中在主波束中，我們常常形象地把主波束 稱為主瓣，其它方向上由泄漏形成旁瓣。為了覆蓋寬廣的空間，需要通過天線的機(jī)械轉(zhuǎn)動或電子控制，使雷達(dá)波束在探測區(qū)域內(nèi)掃描。 概括起來，雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)主要包括工作頻率（波長）、脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、發(fā)射功率、天線 波束寬度、天線波束掃描方式、接收機(jī)靈敏度等。技術(shù)參數(shù)是根據(jù)雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)性能與指標(biāo)要求來選擇和設(shè)計的，因此它們的數(shù)值在某種程度上反映了雷達(dá)具有的功 能。例如，為提高遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力，預(yù)警雷達(dá)采用比較低的工作頻率和脈沖重復(fù)頻率，而機(jī)載雷達(dá)則為減小體積、重量等目的，使

6、用比較高的工作頻率和脈沖重 復(fù)頻率。這說明，如果知道了雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)，就可在一定程度上識別出雷達(dá)的種類。 雷達(dá)的用途廣泛，種類繁多，分類的方法也非常復(fù)雜。通?？梢园凑绽走_(dá)的用途分類，如預(yù)警雷達(dá)、搜索警戒雷達(dá)、無線電測高雷達(dá)、氣象雷達(dá)、航管雷達(dá)、引導(dǎo)雷達(dá)、炮瞄雷達(dá)、雷達(dá)引信、戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)、機(jī)載截?fù)衾走_(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)以及防撞和敵我識別雷達(dá)等。 除了按用途分，還可以從工作體制對雷達(dá)進(jìn)行區(qū)分。這里就對一些新體制的雷達(dá)進(jìn)行簡單的介紹。 雙/多基地雷達(dá) 普通雷達(dá)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)安裝在同一地點，而雙/多基地雷達(dá)是將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別安裝在相距 很遠(yuǎn)的兩個或多個地點上，地點可以設(shè)在地面、空中平臺或空間平臺上。由于

7、隱身飛行器外形的設(shè)計主要是不讓入射的雷達(dá)波直接反射回雷達(dá)，這對于單基地雷達(dá)很 有效。但入射的雷達(dá)波會朝各個方向反射，總有部分反射波會被雙/多基地雷達(dá)中的一個接收機(jī)接收到。美國國防部從七十年代就開始研制、試驗雙/多基地雷達(dá)， 較著名的“圣殿”計劃就是專門為研究雙基地雷達(dá)而制定的，已完成了接收機(jī)和發(fā)射機(jī)都安裝在地面上、發(fā)射機(jī)安裝在飛機(jī)上而接收機(jī)安裝在地面上、發(fā)射機(jī)和接收 機(jī)都安裝在空中平臺上的試驗。俄羅斯防空部隊已應(yīng)用雙基地雷達(dá)探測具有一定隱身能力的飛機(jī)。英國已于70年代末80年代初開始研制雙基地雷達(dá)，主要用于預(yù) 警系統(tǒng)。 相控陣?yán)走_(dá) 我們知道，蜻蜓的每只眼睛由許許多多個小眼組成，每個小眼都能成完

8、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)，可以從幾百個到幾萬 個。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送入主機(jī)，完成雷達(dá)對目標(biāo)的搜索、跟蹤和測量。每個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

9、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或者幾個發(fā)射機(jī)子陣原只能接收，而有源是每個陣原都有完整的發(fā)射和接收單元！ 相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點： （1）波束指向靈活，能實現(xiàn)無慣性快速掃描，數(shù)據(jù)率高；（2）一個雷達(dá)可同時形成多個獨立波 束，分別實現(xiàn)搜索、識別、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)同時監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個目標(biāo)；（4）對復(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、造價昂貴，且波束掃描范圍有限，最大掃描角為90120。當(dāng)需要進(jìn)

10、行全方位監(jiān)視時，需配置34個天線陣面。 相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá)相比，掃描更靈活、性能更可靠、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 ANMPQ-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)。 寬帶超寬帶雷達(dá) 工作頻帶很寬的雷達(dá)稱為寬帶超寬帶雷達(dá)。隱身兵器通常對付工作在某

11、一波段的雷達(dá)是有效的，而 面對覆蓋波段很寬的雷達(dá)就無能為力了，它很可能被超寬帶雷達(dá)波中的某一頻率的電磁波探測到。另一方面，超寬帶雷達(dá)發(fā)射的脈沖極窄，具有相當(dāng)高的距離分辨 率，可探測到小目標(biāo)。目前美國正在研制、試驗超寬帶雷達(dá)，已完成動目標(biāo)顯示技術(shù)的研究，將要進(jìn)行雷達(dá)波形的試驗。 合成孔徑雷達(dá) 合成孔徑雷達(dá)通常安裝在移動的空中或空間平臺上，利用雷達(dá)與目標(biāo)間的相對運動，將雷達(dá)在每個不 同位置上接收到的目標(biāo)回波信號進(jìn)行相干處理，就相當(dāng)于在空中安裝了一個“大個”的雷達(dá)，這樣小孔徑天線就能獲得大孔徑天線的探測效果，具有很高的目標(biāo)方位 分辨率，再加上應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)又能獲得很高的距離分辨率，因而能探測到隱身

12、目標(biāo)。合成孔徑雷達(dá)在軍事上和民用領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如戰(zhàn)場偵察、火控、制 導(dǎo)、導(dǎo)航、資源勘測、地圖測繪、海洋監(jiān)視、環(huán)境遙感等。美國的聯(lián)合監(jiān)視與目標(biāo)攻擊雷達(dá)系統(tǒng)飛機(jī)新安裝了一部AN/APY3型X波段多功能合成孔徑雷達(dá)， 英、德、意聯(lián)合研制的“旋風(fēng)”攻擊機(jī)正在試飛合成孔徑雷達(dá)。 毫米波雷達(dá) 工作在毫米波段的雷達(dá)稱為毫米波雷達(dá)。它具有天線波束窄、分辯率高、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等特 點，同時它工作在目前隱身技術(shù)所能對抗的波段之外，因此它能探測隱身目標(biāo)。毫米波雷達(dá)還具有攻擊能力，特別適用于防空、地面作戰(zhàn)和靈巧武器，已獲得了各國 的調(diào)試重視。例如，美國的“愛國者”防空導(dǎo)彈已安裝了毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭，目前正在研

13、制更先進(jìn)的毫米波導(dǎo)引頭；俄羅斯已擁有連續(xù)波輸出功率為10千瓦的毫米 波雷達(dá)；英、法等國家的一些防空系統(tǒng)也都將采用毫米波雷達(dá)。 激光雷達(dá) 工作在紅外和可見光波段的雷達(dá)稱為激光雷達(dá)。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng) 等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。隱身兵器通常是針對微波雷達(dá)的，因此激光雷達(dá) 很容易“看穿”隱身目標(biāo)所玩的“把戲”；再加上激光雷達(dá)波束窄、定向性好、測量精度高、分辨率高，因而它能有效地探測隱身目標(biāo)。激光雷達(dá)在軍事上主要用于 靶場測量、空間目標(biāo)交會測量、目標(biāo)精密跟蹤和瞄準(zhǔn)、目標(biāo)成像識別、導(dǎo)航、精確制導(dǎo)、綜合

14、火控、直升機(jī)防撞、化學(xué)戰(zhàn)劑監(jiān)測、局部風(fēng)場測量、水下目標(biāo)探測等。 美國國防部正在開發(fā)用于目標(biāo)探測和識別的激光雷達(dá)技術(shù)，已進(jìn)行了前視下視激光雷達(dá)的試驗，主要探測偽裝樹叢中的目標(biāo)。法國和德國正在積極進(jìn)行使用激光雷 達(dá)探測和識別直升機(jī)的聯(lián)合研究工作。 相控陣?yán)走_(dá)有多神？ “宙斯盾”系統(tǒng)的核心就是SPY1D相控陣?yán)走_(dá)，特別是它出眾的預(yù)警搜索能力和識別能力，仿 佛給妄圖“獨立”的臺灣新領(lǐng)導(dǎo)人一根救命稻草，一把夢幻的保護(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，

15、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。它是運用各種無線電定位方法，探測、識別各種目標(biāo)，測定目標(biāo)坐標(biāo)和其它情報的裝置。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、信號處理器、電源等組成。其中，天線是雷達(dá)實現(xiàn)大空域、多功能、多目標(biāo)的技術(shù)關(guān)鍵之一；信號處理器是雷達(dá)具有多

16、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)

17、點。例如、相控陣省略了整個天線驅(qū)動系 統(tǒng)，其中個別部件發(fā)生故障時，仍保持較高的可靠性，平均無故障時間為10萬小時，而機(jī)械掃描雷達(dá)天線的平均無故障時間小于1000小時。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，美國首先開始這項研究工作。但一直到 50年代中期才研制出2部實用型艦載相控陣?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：采用固定式平面陣 天線，天線

18、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。這一時期的相控陣?yán)走_(dá)具有機(jī)動性高、天線小型化、天線掃描體制多樣化、應(yīng)用范圍廣等特點。80年代，相控陣?yán)走_(dá)由于具有很多獨特的優(yōu) 點，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)

19、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，其制造和研究將會更上一層 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算機(jī)控制移相器改變天線孔徑上的相位分布來實現(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、實時法、 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

20、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，能以一部天線實現(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。 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，天線陣是固定不動的。有限電掃相控陣是一種混合設(shè)計的天線，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)備造價和復(fù)雜程度。 天線陣

21、，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)系來實現(xiàn)波束電掃。頻掃是利用改變工作頻率的方法來實現(xiàn)波束電掃。相/相掃是利用移相器控制平面陣兩個角坐標(biāo)實現(xiàn)波 束電掃。相頻掃是利用移相器控制平面陣一個坐標(biāo)而另一坐標(biāo)利用頻率變化控制來實現(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 相控陣?yán)走_(dá)之所以具有強(qiáng)大的生命力，因為它優(yōu)勝于一般機(jī)械掃描雷達(dá)。它具有以下特點： （1）能對付多目標(biāo)。相控陣?yán)走_(dá)利用電子掃描的靈活性、快速性和按時分割原理或多波束，可實現(xiàn) 邊搜索邊

22、跟蹤工作方式，與電子計算機(jī)相配合，能同時搜索、探測和跟蹤不同方向和不同高度的多批目標(biāo)，并能同時制導(dǎo)多枚導(dǎo)彈攻擊多個空中目標(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)動性強(qiáng)。相控陣?yán)走_(dá)能夠同時形成多個獨立控制的波束，分別用以執(zhí)行搜索、探 測、識別、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)比它們能夠同時對付的目標(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)動能力。 （3）反應(yīng)時間短、數(shù)據(jù)率高。相控陣?yán)走_(dá)可不需要天線驅(qū)動系統(tǒng)，

23、波束指向靈活，能實現(xiàn)無慣性快 速掃描，從而縮短了對目標(biāo)信號檢測、錄取、信息傳遞等所需的時間，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)字計算機(jī)結(jié)合起來，能 大大提高自動化程度，簡化了雷達(dá)操作，縮短了目標(biāo)搜索、跟蹤和發(fā)控準(zhǔn)備時間，便于快速、準(zhǔn)確地實施畦達(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

24、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?！皭蹏摺崩走_(dá)，其天線的 平均故障間隔時間高達(dá)15萬小時，即使有10單元損壞也不會影響雷達(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。主要是造價貴，典型的相控陣?yán)走_(dá)比一般雷達(dá)的造 價要高出若干倍。此外，相控陣?yán)走_(dá)對于短程彈道導(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

25、用“飛毛腿”導(dǎo)彈襲擊以色列的時候，其“愛國者”導(dǎo)彈根本無法有效將其擊落，何況短短的臺灣海峽呢？ 有關(guān)相控陣?yán)走_(dá)的進(jìn)一步說明 相控陣?yán)走_(dá)又稱作相位陣列雷達(dá)，是一種以改變雷達(dá)波相位來改變波束方向的雷達(dá)，因為是以電子方 式控制波束而非傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動天線面方式，故又稱電子掃描雷達(dá)。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相 控陣天線 (F-22約有2000個)，任何一個天線都可收發(fā)雷達(dá)波，而相鄰的數(shù)個天線即具有一個雷達(dá)的功能。掃描時，選定其中一個區(qū)塊(數(shù)個天線單元)或數(shù)個區(qū)塊 對單一目標(biāo)或區(qū)域進(jìn)行掃描，因此整個雷達(dá)可同時對許多目標(biāo)或區(qū)域進(jìn)行掃描或追蹤，具有多個

26、雷達(dá)的功能。由於一個雷達(dá)可同時針對不同方向進(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，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)動頻率因而資料更新周期為秒或十秒級，電子掃描雷達(dá)則為毫秒或微 秒級。因而它更適於對付高機(jī)動目標(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。 相控陣?yán)走_(dá)對於飛機(jī)的匿蹤性能也相當(dāng)重要，傳統(tǒng)的機(jī)械雷達(dá)之機(jī)械結(jié)構(gòu)會造成相當(dāng)大的回波，使用無機(jī)械結(jié)構(gòu)的相控陣?yán)走_(dá)就能使這一影響更小。而偵查時發(fā)射的窄波束也減低了被發(fā)現(xiàn)的機(jī)會，并使得敵方的電戰(zhàn)系統(tǒng)難以發(fā)揮功能。 相控陣?yán)走_(dá)何以有此功效呢？在做進(jìn)一步認(rèn)識之前

27、，筆者先簡單介紹雷達(dá)原理及其演進(jìn)。雷達(dá)是高科技產(chǎn)物，但其基本原理是很簡單的。 雷達(dá)是一種發(fā)射電磁波，藉由解算回波之種種數(shù)據(jù)來達(dá)到探測目的的一種裝置。隨著年代的演進(jìn)而增加新的功能，但都不脫離兩個基本步驟：發(fā)射雷達(dá)波以及解算回波。 電磁波的發(fā)射，是利用正負(fù)電荷之往返震蕩而發(fā)出的，在雷達(dá)上是在天線上產(chǎn)生正負(fù)電荷并使之震蕩 如圖一。發(fā)出電磁波之強(qiáng)度分布如圖二，為一橫躺在x軸上的8字繞y軸轉(zhuǎn)動後所產(chǎn)生的立體形狀，類似紅血球一般，天線指向y軸而以橫躺的8字中心為 中心。設(shè)由原點向任一方向畫直線與此紅血球形交於p點，則原點到p點的長度代表該方向電磁波強(qiáng)度。也就是說在垂直於y軸之平面上電磁波最強(qiáng)，隨著與此 平

28、面之夾角增加電磁波隨之減弱，在天線方向上則沒有電磁波。以上所提對相控陣?yán)走_(dá)原理之理解并不是那么重要，不過將有助於我們觀察雷達(dá)天線的陣列情形。 當(dāng)然，單一天線發(fā)射的雷達(dá)波依然是以球面擴(kuò)散的，強(qiáng)度與距離平方成反比，所以當(dāng)然不可能只用一 個天線就能做成雷達(dá)啦，一定要有其他方法的，除了增強(qiáng)功率外，就是讓雷達(dá)波盡量平行發(fā)射啦。為了達(dá)到此目的，目前主要有拋物面雷達(dá)以及平面陣列雷達(dá)，兩者 都是機(jī)械掃描雷達(dá)，但後者之原理與相控陣?yán)走_(dá)有些相近。 拋物面雷達(dá)在拋物面焦點處安裝發(fā)射天線，經(jīng)拋物面反射成近乎平行波束，目前直升機(jī)雷達(dá)以及陸基 防空雷達(dá)、機(jī)場雷達(dá)等多使用這種雷達(dá)。這種雷達(dá)現(xiàn)在漸漸被取代，因為拋物面相當(dāng)難做

29、，一般都是用球面或橢球面來近似，不論如何進(jìn)似，終究不是真正拋物面， 因此就容易出現(xiàn)誤差。此外，這種雷達(dá)只由一個天線作收發(fā)工作，因而對單一天線性能要求就相當(dāng)高，而天線故障整個雷達(dá)也就掛了。 這種雷達(dá)不是沒有好處的，他能接收單一天線感測不到的強(qiáng)度的回波：天線有其能感測的最低電磁波 強(qiáng)度(單位面積的功率)，若強(qiáng)度小於這個值，就無法感測或被當(dāng)雜波濾除。拋物面天線可將回波反射回位於焦點的天線，故此時天線接收到的強(qiáng)度就是拋物面接收 到之雷達(dá)波強(qiáng)度之加成。(副圖：雷達(dá)波的加成示意) 平面陣列雷達(dá)則是在一個平面上布上許多天線，藉由波的干涉原理來制造近平行波束，基本發(fā)射原理與相控陣?yán)走_(dá)相近故留待稍後解釋之。西方

30、標(biāo)準(zhǔn)的第三代戰(zhàn)機(jī)以及俄國第四代戰(zhàn)機(jī) (除了MiG-31)多用這種雷達(dá)，中國自行研發(fā)的殲雷十也是平面陣列雷達(dá)。 此類雷達(dá)還仰賴合成孔徑技術(shù)，雷達(dá)的性能除了探測距離、資料更新率等等外，還有個很重要 的，解析度。解析度不高的雷達(dá)無法精確知道敵人的位置，只能知道敵人來襲卻無法反制，因此要提高解析度，雷達(dá)的解析度與波束發(fā)散角(最外側(cè)行進(jìn)方向與中央 線的夾角)有關(guān)，發(fā)散角越小解析度越高，而要降低發(fā)散角，就要加大天線。再某些時候這是不好做的，因而有人想到能否利用相間的小天線(天線陣列)來達(dá)成相 同效果，實驗證明是可行的，藉由對陣列上每個天線接收到的數(shù)據(jù)的合成處理，可以達(dá)到涵蓋這些陣列的拋物面雷達(dá)的解析度。也

31、就是說，當(dāng)兩天線相距d距離時， 其解析度同等於以d為直徑的拋物面雷達(dá)，不過接收功率僅為2個天線之接收功率和。也因為沒有拋物面將回波加成，因此對於強(qiáng)度小於單一天線能感測強(qiáng)度之 最小值之回波，此種雷達(dá)是無法感應(yīng)的。 不論是拋物面或平面陣列式雷達(dá)，皆屬於機(jī)械掃描雷達(dá)，*機(jī)械轉(zhuǎn)動天線面來改變波束方向，因此其資料更新率與機(jī)械轉(zhuǎn)動周期有關(guān)，這受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等問題影響而不會太快，一般更新周期以秒計。 拋物面雷達(dá)於平面陣列雷達(dá)之比較 口徑相同時，兩者的解析度相同，不過拋物面雷達(dá)接收到的功率是整個面接收到的能量的加成，故能 接收強(qiáng)度較小的回波。而平面陣列雷達(dá)接收到的功率是每個天線的加成，其平面不可能全部都是天線，

32、因此總功率低於拋物面雷達(dá)，且無法接收強(qiáng)度低於天線感測下 限的回波。因為制造工藝的因素，加上相同的解析度，因此戰(zhàn)機(jī)上拋物面雷達(dá)漸漸被取代。就好像如果可能的話，所有的天文學(xué)家都會希望有一個直徑跟地球一樣大 的望遠(yuǎn)鏡，但那是不可能的，因此只能藉由整合分開的小望遠(yuǎn)鏡來達(dá)到要求的解析度。 關(guān)於雷達(dá)天線的指向 從觀察雷達(dá)天線的方向(就是電偶極/electric dipole的方向)，可以大概知道雷達(dá)的功能。仔細(xì) 觀察時，會發(fā)現(xiàn)目前飛機(jī)上的平面陣列雷達(dá)，其天線都是水平放置的，而像俄羅斯 X-35/Kh-35天王星反艦導(dǎo)彈上的平面陣列雷達(dá)之天線，就是垂直放置的。詳細(xì)情形我目前也不太清楚，我猜想這是因為這些飛機(jī)

33、雷達(dá)需要兼顧對地性 能(平面陣列雷達(dá)出現(xiàn)後的飛機(jī)一般都已具備對地能力)，而掠海飛行的反艦飛彈不需要下視，只要要求視野寬廣即可。 前面提到電磁波的發(fā)射，以及電偶極方向與電磁波強(qiáng)度之關(guān)系。從那里我們可以看出水平放置以及垂 直放置的天線發(fā)出電波的能量分布，并從中得到放置方式與功能的關(guān)系。在前者，電磁波在俯仰方向上是最強(qiáng)的，往兩側(cè)漸漸減弱；在後者，水平方向是最強(qiáng)的，而 往上下兩側(cè)漸漸減弱。所以說當(dāng)天線水平放置時，可以在俯仰方向維持高強(qiáng)度雷達(dá)波。故推測可能是為了兼顧對地處理能力而做這種布置。 再引用名貼 一文 問：有源相陣控雷達(dá)和無源相陣控雷達(dá)的區(qū)別是什么？ 答：區(qū)別就是無源是只有單個或者幾個發(fā)射機(jī)子陣

34、原只能接收，而有源是每個陣原都有完整的發(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)的總體特點和關(guān)鍵技術(shù)是哪些？您將從本文中得到啟發(fā) 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) 中的實際應(yīng)用。目前，由于在信號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繼續(xù)保持下去。 電子掃描技術(shù)的發(fā)展 雷達(dá)波束天線電子掃描應(yīng)用的第一步是無源電子掃描陣列

35、（ESA），其主要優(yōu)點是實現(xiàn)了波束 的無慣性掃描，在作戰(zhàn)中有助于對輻射能量的控制?，F(xiàn)役的此種類型的雷達(dá)有美國空軍的B1-B和俄羅斯的米格-31裝備的雷達(dá)，在研的有法國裝備其陣風(fēng) 戰(zhàn)斗機(jī)的RBE-2雷達(dá)。 有源ESA的出現(xiàn)是技術(shù)上的又一進(jìn)步。它的每一個陣元中都有一個RF發(fā)射機(jī)和靈敏的RF接收機(jī)，在各個發(fā)射/接收（T/R）模塊內(nèi)都有一個功率放大器、一 個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)抗干擾能力和高可靠性等優(yōu)點。 西方國家第一代有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)接近定

36、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 是個不切實際的解決方案，預(yù)計在2025年的時間內(nèi)就可以達(dá)到實用

37、階段。 在1015年內(nèi)，對戰(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-識別等射頻傳感器）可以做 到系統(tǒng)的造價和重量減小一半，而可靠性提高三倍。它所確立的綜合模塊化航空電子的設(shè)計原則已用于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目也正在實施。 作戰(zhàn)性能 電子掃描技術(shù)，尤其是有源電子掃描陣列，與傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線相比有以下

38、幾個突出的優(yōu)點： 敏捷波束 由于ESA消除了天線的機(jī)械慣性，因此其波束指向速度極為敏捷。例如，在 60的錐形角內(nèi)，波束的重新定位時間小于1毫秒，因此這就為載機(jī)在作戰(zhàn)使用的戰(zhàn)術(shù)上帶來了很大的優(yōu)勢： 高效的搜索模式（波束掃描時不會浪費時間）； 目標(biāo)的駐留時間和修正時間可以分別達(dá)到最優(yōu)化的狀態(tài)，同時滿足了探測和跟蹤的需要； 連續(xù)探測（警告后確認(rèn)）技術(shù)可極大地增大探測的距離； 快速跟蹤形式（初探測距離上建立跟蹤）； 對多目標(biāo)跟蹤的高度精確性（相當(dāng)于對單目標(biāo)的跟蹤）； 獨立的搜索和跟蹤功能（對搜索區(qū)之外的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤）； 用主波瓣或近旁波瓣對導(dǎo)彈進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸； 可同時工作在空-空和空-面狀態(tài)（地

39、形跟蹤功能已和空-空搜索狀態(tài)結(jié)合在一起）； 高度隨機(jī)性的搜索模式（減小了雷達(dá)信號被敵方截獲和利用的機(jī)會）。 多功能和高性能 因為有源ESA陣列單元內(nèi)組合了接收和發(fā)射模塊，微波能量的損耗大為減少，與行波管相比高效率的砷化鎵功率放大器使整個輻射陣元的累加功率很高，對于同一 個安裝空間（同樣的功率和天線罩）來說，有源ESA所輻射的有效功率要比MSA大10dB（距離要遠(yuǎn)75%）。這樣，有源ESA可以先看到目標(biāo)，極大 地提高了作戰(zhàn)的能力，特別是在目標(biāo)反射截面（RCS）日益減小的今天。 ESA的另一個很有價值的特點是能夠自適應(yīng)控制發(fā)射和接收波束的形狀，因此，可以實現(xiàn)一些特殊的功能和模式。 模式可選擇的波束

40、形狀，例如空-空狀態(tài)使用筆狀波束，空-面狀態(tài)使用余割波束； 用方位扇面波束發(fā)射，若干個筆狀波束接收（見圖1），可最大程度地發(fā)現(xiàn)高速目標(biāo)、旋轉(zhuǎn)翼目標(biāo)產(chǎn)生的槳葉閃爍和隱身目標(biāo)產(chǎn)生的RCS閃爍； 寬的發(fā)射波束結(jié)合若干個筆狀接收波束可有效地產(chǎn)生一種射頻凝視陣列（見圖），這使得作戰(zhàn)搜索模式具有了一種使目標(biāo)無法逃脫的性能。 視場（FOV） 對于ESA，主波束的增益沿著視線的陣列投影面積按比例下降，但對增益的降低可用增加駐留時間的方法來補(bǔ)償（要以降低掃描效率為代價），最大可用視場通常限制在以視軸為中心的60錐形角內(nèi)， FOV的角度越寬越好，要想達(dá)到這一目的可使用多個天線陣列。 應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)使用環(huán)境時，一種

41、可行的配置方式是前視用主陣列，兩個較小的側(cè)陣列做補(bǔ)充，這樣可以在近距離上覆蓋飛機(jī)的兩側(cè)，增強(qiáng)了對環(huán)境的感知能力。 通常，目標(biāo)在遠(yuǎn)距離被前向主陣列波束截獲，并在轉(zhuǎn)入交戰(zhàn)的時間里在較近的距離上交給旁陣列。在超視距距離上的一種常用的作戰(zhàn)機(jī)動戰(zhàn)術(shù)叫F形頂點機(jī)動，用主 陣列波束對目標(biāo)建立起跟蹤后，飛行員推加力使飛機(jī)加速，然后發(fā)射導(dǎo)彈，再轉(zhuǎn)向規(guī)避敵方的反擊。導(dǎo)彈的中距離制導(dǎo)要求在命中目標(biāo)之前保持對目標(biāo)的照射和目標(biāo) 數(shù)據(jù)的更新，把這些工作交由旁陣列波束完成，這樣飛行員可以選擇一個較為安全的寬角度規(guī)避。 電子對抗能力強(qiáng) 自適應(yīng)波束可形成對旁瓣和主波束干擾的一種有效的對抗措施，它要求有源ESA能分割成多達(dá)30個

42、以上的分陣列，每一個分陣列都與一個接收機(jī)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 相關(guān)聯(lián)，分陣列的數(shù)字化輸出值以自適應(yīng)的方式進(jìn)行組合以形成一個在感興趣的目標(biāo)方向取得較高增益的天線波束，同時，在干擾方向上的增益則很小或為零。有源 ESA的自適應(yīng)波束形成能力是機(jī)載雷達(dá)在復(fù)雜的電磁環(huán)境中得以保持其作戰(zhàn)能力的主要因素。 有源ESA其他特點還有，它有較寬的工作帶寬和瞬時帶寬，并有多樣化的波形和掃描模式，這些都有助于增強(qiáng)雷達(dá)的電子對抗能力。 隱蔽性好 信號管理將是未來戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)的一項重要的系統(tǒng)，它要求雷達(dá)要采用低截獲概率的波形，最大程度地減小雷達(dá)信號被敵方接收機(jī)探測到的可能性，同時雷達(dá)天線在整個飛機(jī)的雷達(dá)反射截面積（RCS）中不應(yīng)占

43、據(jù)較大部分，在這方面有源ESA有很大的優(yōu)勢。 有效的低截獲概率的基礎(chǔ)是對雷達(dá)輻射信號在時域、空域和頻域上的有效管理，能夠加以自主運用的方面包括:權(quán)衡發(fā)射峰值功率和累計時間的能力，權(quán)衡旁瓣發(fā)射 波束水平和發(fā)射峰值功率的能力，在最低可接受的距離上探測感興趣的目標(biāo)，減小所必需的峰值功率的能力。陣列較寬的瞬時帶寬能被用于減小峰值功率，同時，自 適應(yīng)波束控制可以使雷達(dá)在已知的有威脅性的方向上不發(fā)射電磁信號，這樣可有效地減小被敵方接收機(jī)截獲的可能性。多種偽隨機(jī)頻率、波形和掃描模式將會消弱敵 方接收機(jī)破譯交疊信號和確認(rèn)雷達(dá)輻射信號的能力，特別是在電磁環(huán)境復(fù)雜的環(huán)境中。 雙基模式可使機(jī)載雷達(dá)達(dá)到最佳的隱蔽效果

44、，具體運用過程是：裝備有高功率發(fā)射機(jī)和高增益轉(zhuǎn)向天線的飛機(jī)在安全的遠(yuǎn)距離位置對目標(biāo)進(jìn)行照射，目標(biāo)回波信號由 一架或多架飛機(jī)的雷達(dá)接收和處理，而這些雷達(dá)全部工作在無源狀態(tài)。一個具有多個分陣列和自適應(yīng)波束控制能力的ESA系統(tǒng)能夠產(chǎn)生多重接收波束，它們與發(fā)射 波束的交疊確定了搜索的范圍。頻率、時間和波束位置數(shù)據(jù)可使用旁瓣通過隱蔽的手段傳輸以在時間上協(xié)調(diào)發(fā)射和接收同步，雖然輻射源會引起敵人的注意（包括定 向干擾），但攻擊飛機(jī)可以在不引起目標(biāo)警覺和干擾的情況下獲得實時的雷達(dá)數(shù)據(jù)。 可靠性好 有源ESA系統(tǒng)沒有像MSA系統(tǒng)那樣的運動部件，因而具有極高的使用可靠性。它高度結(jié)構(gòu)化的通用模塊，由10002000

45、個TR模塊組成的陣元面中， 即使其中有5的模塊發(fā)生故障，雷達(dá)性能只有輕微的損失，不會出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。其重構(gòu)及備用能力儲備的使用極大地提高了雷達(dá)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的可靠性。未來 有源ESA雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的一個目標(biāo)是兩次重大故障之間的平均時間要與飛機(jī)壽命相當(dāng)，有效地減少二線和三線維修設(shè)施的需要，并在其使用壽命內(nèi)減少了維護(hù) 費用。 綜合式RF傳感器 目前，戰(zhàn)斗機(jī)使用有若干種RF傳感器，它們是分別研制開發(fā)的，并松散地組合成整個航空電子設(shè)備系統(tǒng)，它大致可分為如下類別： 寬帶電子對抗系統(tǒng)（2-18吉赫并可擴(kuò)展到35和94吉赫）； 雷達(dá)（相對來說帶寬較窄，即X/Ku波段）； 用于導(dǎo)彈遙測的C/ X/Ku波段數(shù)

46、據(jù)鏈； 雷達(dá)高度表（4吉赫）； L波段系統(tǒng)（IFF, JTIDS, GPS）； V/UHF通信及導(dǎo)航輔助系統(tǒng)。 如果采用綜合式機(jī)載傳感器的原則，就要求使用高度集成化和模塊化的組件，在一套綜合式RF傳感器使用共用孔徑的情況下，可將其分為三個主要的系統(tǒng)： C/X/Ku波段的綜合式雷達(dá)、EW、數(shù)據(jù)鏈和雷達(dá)高度表系統(tǒng)； 寬帶電子戰(zhàn)系統(tǒng)； 綜合式通信、導(dǎo)航、識別（CNI）系統(tǒng)。 當(dāng)幾個天線共用一個孔徑但同時履行多個功能時，就要求這個寬帶孔徑能獨立地提供多個可控波束。雖然這種方法有很大的優(yōu)勢，但在技術(shù)實現(xiàn)上有很大的難度，主要難點是系統(tǒng)同時工作時怎樣隔離和控制信號間的相互調(diào)制，以時分和孔徑分割法可以部分解決

47、這些難點。 雷達(dá)/電子戰(zhàn)主孔徑，可以設(shè)計成一種支持連續(xù)覆蓋C波段的高端、X波段和Ku波段的寬帶多功能ESA，它會提供共用的時序或同步的雷達(dá)、電子戰(zhàn)和數(shù)據(jù)鏈工 作狀態(tài)。多重（兩個或三個）陣列將會用于所必需的角度覆蓋，陣列的大小和形狀取決于設(shè)備安裝空間、雷達(dá)旁瓣、角分辨率、增益和發(fā)射功率的要求。為滿足各種 波束形狀的需要，每個陣列將分為多個（30個以上）分陣列以使孔徑可以針對某個特定的功能進(jìn)行較好地調(diào)整及支持幾項功能同時運作。 技術(shù)難點 實現(xiàn)綜合式RF傳感器關(guān)鍵要依靠： 系統(tǒng)的設(shè)計和研制 設(shè)計一個復(fù)雜的綜合式RF傳感器系統(tǒng)需要非常強(qiáng)的系統(tǒng)工程設(shè)計水平，關(guān)鍵任務(wù)包括需求分析、系統(tǒng)論證及配置、子系統(tǒng)功

48、能及性能說明和接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與飛機(jī) 設(shè)計人員的密切合作可以把傳感器系統(tǒng)與飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的確切大小、位置、視場、信號及孔徑數(shù)量、功率、體積及重量預(yù)算、冷卻和發(fā)電機(jī)等因素結(jié)合起來，另外， 權(quán)衡費用、性能和保障性也是極為重要的。正在出現(xiàn)的有助于未來綜合式RF傳感器設(shè)計的系統(tǒng)技術(shù)包括：多傳感器數(shù)據(jù)融合、傳感器資源管理、自適應(yīng)信號管理、 目標(biāo)識別和合成環(huán)境。 陣元設(shè)計 共用孔徑必須滿足寬帶（C到Ku波段）、多極化、大角度波束掃描和低后向散射（隱形）等有沖突的多種需求。 對陣元帶寬和雙極化的需要（用于電子戰(zhàn)）排除了使用普通類型的相控陣列輻射元的可能，因為這些器件通常只能達(dá)到所需帶寬的30%甚至更小，而對于共

49、用孔徑 來說則要求達(dá)到50%甚至更多才行。一種有前途的的超寬帶輻射元稱為錐形凹槽。把兩個錐形凹槽正交組合起來可以實現(xiàn)信號的雙極化，它們分別提供垂直和水平 線性極化。 隱身技術(shù) 傳感器孔徑對于整個飛機(jī)的RCS具有較大的潛在影響，整個系統(tǒng)的設(shè)計要實現(xiàn)較低的系統(tǒng)RCS，需要考慮的因素包括天線陣列、天線罩及相關(guān)的頻率可選面（FSS）、與機(jī)身的接觸面及孔徑內(nèi)雷達(dá)吸波材料的布置。 砷化鎵微波集成電路（MMIC） 高性能砷化鎵MMIC技術(shù)對于建立下一代以有源ESA為基礎(chǔ)的綜合式RF傳感器起著重要作用。一個典型的X波段T/R模塊結(jié)構(gòu)有三個功能部分：高功率放大 器、低噪聲放大器和多功能增益/相位控制。在T/R模

50、塊中把雷達(dá)和電子戰(zhàn)功能結(jié)合起來增加了帶寬，因此只有高度的集成化才能容納下獨立的接收通道（窄帶、 寬帶和多重極化）。 微波器件的封裝 低成本的微波器件封裝技術(shù)是滿足經(jīng)濟(jì)性要求的關(guān)鍵。即使把每一個T/R模塊的目標(biāo)價定為400500英鎊，所有模塊的總價值大約要占有源ESA總造價的35%，而要達(dá)到這個價格目標(biāo)還是有困難的，需要微波封裝技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)。 光-電子器件 在綜合式機(jī)載傳感器結(jié)構(gòu)中使用多個共用孔徑依靠的是實用的高性能寬帶RF和數(shù)字式分布網(wǎng)絡(luò)， 光纖的使用使整個結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔徑和IMA分系統(tǒng)的安裝位置有了很大的靈活性，其內(nèi)在的低傳輸損耗和噪聲排除了以往困擾安裝設(shè)計的有關(guān)長度和線路問題。與多股 的銅

51、導(dǎo)線相比，光纖的另一個優(yōu)點是體積小、重量輕。有源ESA使用光-電子技術(shù)的另一個好處是可以獲得時間上幾乎是無延遲的波束掃描，在瞬時的寬帶工作模 式下分陣元波束掃描可達(dá)500兆赫以上。 射頻的處理 要把雷達(dá)、電子戰(zhàn)和數(shù)據(jù)鏈等一些普通的RF模塊組合成為一體化的綜合式RF系統(tǒng)，所面臨的主要挑戰(zhàn)是要滿足載波頻率、信號帶寬、調(diào)制和動態(tài)范圍等功能截然 不同的各各方面的要求。為最大程度地滿足這些不同的要求，開發(fā)開放式系統(tǒng)的RF結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（如標(biāo)準(zhǔn)化接口、底板、頻率方案和控制策略）時，要依據(jù)盡量 減少專用RF模塊類型的原則，例如要使頻率轉(zhuǎn)換器、接收機(jī)、波形發(fā)生器、射頻/中頻轉(zhuǎn)換等滿足整體性能的要求。 軟件 現(xiàn)

52、有的新一代雷達(dá)系統(tǒng)的軟件占有重要地位，例如，臺風(fēng)ECR-90雷達(dá)的實時控制軟件有50萬行程序，未來的綜合式RF傳感器的軟件將會更大。目前的 軟件開發(fā)所使用的語言有Ada和軍標(biāo)-2167A，它們都可以在預(yù)期的時間內(nèi)做出高質(zhì)量的軟件，但目前的問題是設(shè)計周期長、相關(guān)軟件的成本很高。另一種很 有前景的解決方法是快速樣本和自動代碼生成技術(shù)，它依靠的是新一代的軟件工具和開發(fā)環(huán)境，這種開發(fā)環(huán)境可以直接從高水平的功能模塊和邏輯模型工具中產(chǎn)生出 應(yīng)用目標(biāo)代碼，這種代碼還能在高級目標(biāo)硬件平臺模型上運行，以驗證所生成軟件的可靠性。 從上世紀(jì)60年代開始，歷經(jīng)40余年的努力，有源電子掃描陣（AESA），通常也稱為有源

53、相控陣技術(shù)，終于在機(jī)載雷達(dá)上取得了成功的應(yīng)用。 美國國防部國防科學(xué)委員會主席的一份關(guān)于發(fā)展美國軍用機(jī)雷達(dá)的建議報告中特別強(qiáng)調(diào)了有源相 控陣技術(shù)可以極大地擴(kuò)展雷達(dá)的功能和提高雷達(dá)的性能， 21世紀(jì)美國的戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)、預(yù)警與監(jiān)視飛機(jī)的雷達(dá)都應(yīng)是AESA體制的。事實上，除了F-22和F-35等新一代戰(zhàn)機(jī)都毫無例外地裝備AESA雷達(dá)外，美 國對第三代現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、預(yù)警和監(jiān)視飛機(jī)的AESA改進(jìn)都已列入計劃，并得到了相應(yīng)的財政支持。業(yè)內(nèi)一種普遍的觀點認(rèn)為：從現(xiàn)在起再過十年，不掌握 AESA雷達(dá)制造能力的廠商將沒有立足之地。除美國之外，俄國、法國、德國、荷蘭、瑞典、英國、以色列等西方國家也正在這一技術(shù)領(lǐng)

54、域進(jìn)行廣泛的合作開發(fā)和 大量的資金投入。 近50多年來，機(jī)載雷達(dá)不斷注入新的技術(shù)成果，性能大幅度提高。新技術(shù)是提高雷達(dá)探測能力 的原動力。在單脈沖跟蹤體制未獲使用前，圓錐掃描體制的雷達(dá)很難對付敵方施放的角度欺騙干擾；沒有相參體制的脈沖多普勒雷達(dá)，就無法對付借著強(qiáng)大的地雜波 掩護(hù)的低空入侵的飛機(jī)和導(dǎo)彈；沒有頻率捷變體制的雷達(dá)，就很難同現(xiàn)代戰(zhàn)爭中廣泛采用的各種雜波干擾相抗衡。相控陣技術(shù)是近年來正在發(fā)展的新技術(shù)，它比單脈 沖、脈沖多普勒等任何一種技術(shù)對雷達(dá)發(fā)展所帶來的影響都要深刻和廣泛。進(jìn)入上世紀(jì)80年代，機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)才初獲應(yīng)用。先進(jìn)的機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)是近期， 即本世紀(jì)初才進(jìn)入服役。AESA的成

55、功應(yīng)用是對傳統(tǒng)機(jī)載雷達(dá)的一次革命，她極大地擴(kuò)展了雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域和提高了雷達(dá)的工作性能，進(jìn)而提高和豐富了作戰(zhàn)飛機(jī) 執(zhí)行任務(wù)的能力和作戰(zhàn)模式。 采用AESA技術(shù)的機(jī)載雷達(dá)將會至少在以下方面實現(xiàn)巨大的性能突破： &8226;雷達(dá)作用距離大幅度增長：由于AESA雷達(dá)T/R模塊中的射頻功率放大器（HPA）同天線輻射器緊密相連，而接收信號幾乎直接耦合到 各T/R模塊內(nèi)的射頻低噪聲放大器（LNA），這就有效地避免了干擾和噪聲疊加到有用信號上去，使得加到處理器的信號更為純凈，因此，AESA雷達(dá)微 波能量的饋電損耗較傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)大為減少。 &8226;解決了可靠性的瓶頸問題：由于信號的發(fā)射和接收是由成百上千

56、個獨立的收/發(fā)和輻射單元組成，因此少數(shù)單元失效對系統(tǒng)性能影響不大。試 驗表明，10%的單元失效時，對系統(tǒng)性能無顯著影響，不需立即維修；30失效時，系統(tǒng)增益降低3分貝，仍可維持基本工作性能。這種柔性降級 （graceful degradation）特性對作戰(zhàn)飛機(jī)是十分需要的。 &8226;解決了同時多功能的難題：所謂同時多功能，即指有源相控陣能在同一時間內(nèi)完成一個以上的雷達(dá)功能。它可以用一部分T/R模塊完成一種 功能，用另外的T/R模塊完成其它功能；也可用時間分隔的方法交替用同一陣面完成多種功能。如雷達(dá)在進(jìn)行地圖測繪（SAR/GMTI）、地物回避、地形跟 隨、威脅回避的同時，還可實現(xiàn)對空中目標(biāo)的

57、搜索和跟蹤，并對其進(jìn)行攻擊。由于AESA是由多個子陣組成，而每個子陣又是由多個T/R模塊組成，因此，可以 通過數(shù)字式波束形成（DBF）技術(shù)、自適應(yīng)波束控制技術(shù)和射頻功率管理等技術(shù)，使雷達(dá)的功能和性能得到極大的擴(kuò)展，可以滿足各種條件下作戰(zhàn)的需要。并能因 此而開發(fā)出很多新的雷達(dá)功能和空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)。 &8226;隱身飛機(jī)和現(xiàn)代空戰(zhàn)需要相控陣?yán)走_(dá)：隱身飛機(jī)配裝相控陣?yán)走_(dá)（PESA 或者是AESA）幾乎是唯一的選擇。迄今為止還沒有出現(xiàn)使用機(jī)械掃描雷達(dá)的隱形飛機(jī)，也說明了這一點。低攔載概率（LPI）和低觀測特性（LO）是隱身飛 機(jī)能否實現(xiàn)隱身和順利完成作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵。在當(dāng)前極為嚴(yán)峻的電子干擾環(huán)境中，LPI，即機(jī)載雷達(dá)輻射的電磁波被敵方攔截概率的高低是一項重要的性能指 標(biāo)。在攻擊有專用電子干擾飛機(jī)掩護(hù)的機(jī)群或單機(jī)時，強(qiáng)烈的電磁干擾將使傳統(tǒng)的雷達(dá)無法正常工作。AESA天線口徑場的幅度和相位都可以隨意控制，可使天線 旁瓣的零值指向敵方干擾源，使之不能收到足夠強(qiáng)度的雷達(dá)信號，從而無法實施有效干擾。通過數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)，可以使主波束分離成兩個波束，使其