有源相控阵雷达到底有多厉害?

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缺点

有源相控阵每个阵元都可以独立的发射和接收电磁波,而无源相控阵雷达只有一个中央发射机和中央接收机。无源相控阵雷达的阵元有点类似于偏折透镜一样。并不能独立的发射和接收电磁波。

中国在相控阵雷达方面研究的非常不错,俄罗斯人研究的不好。

雷达非常耳熟,但它的原理又是什么呢?
传統雷達與相控陣雷達之區別
要說相控陣雷達的原理,就不得不提一下傳統雷達的工作方式。影視中,如果非要出現雷達畫面的話,傳統雷達就是最好的道具,因為傳統雷達動感十足,快速旋轉的
天線
便于营造紧迫感。
传统机械式雷达通过不停转动来扫描目标
雷達探測目標距離的原理:雷達波從發射到從目標返回的總時間,乘上光速,等於目標距離的兩倍。
傳統雷達依靠360度旋轉來掃描目標,而相控陣雷達與它的區別是,絕大多數相控陣雷達都是不動的,既然不動,那它又是如何掃描不同方向的呢?
答案是,相控陣雷達不是「一個雷達」,本質上,它是很多個「傳統雷達」的共同體。
相控陣雷達的天線
很容易就能發現,相控陣雷達的天線由無數個小單元天線組成,這些小單元天線叫做「陣元」,對於有源相控陣雷達來說,每一個陣元都是獨立控制的,它們既能獨立發射雷達波,也能接收雷達波的回波信號。
相控陣雷達不但不動,而且天線陣列也是平面的,那奇怪了,它到底是如何調整掃描方向的?顧名思義,「相控陣」就是控制每個陣元產生電磁波的相位與幅度,以此強化電磁波在指定方向上的強度,並壓抑其他方向的強度,從而實現讓
電磁波
束的方向發生改變。
相控陣雷達掃描不同方向動畫示意圖
這就是相控陣雷達的基本工作原理,人們常把傳統機械式掃描雷達比喻為「個體戶」,而把相控陣雷達說成是「合作社」。人們還把它說成是21世紀的雷達,是否裝配相控陣雷達也是第四代戰鬥機一個非常重要的標準。而很多第三代機,把老式雷達改裝成相控陣雷達後,戰鬥力迅速提高。
F-16装上相控阵雷达后,火鸡变凤凰
下面,我们就来看看,相控阵雷达有哪些先进之处。
没有机械运动
相控阵雷达因为省去了整个天线的机械驱动系统,所以它的可靠性非常高,平均无故障时间远远高于传统雷达。另外,相控阵雷达的思想有点儿类似于互联网,某些节点坏了不影响整体功能的使用,数百个或上千个阵元中,就算有百分之十的阵元损坏,相控阵雷达依然可以使用。
分身有术
相控阵雷达是否强大,跟“阵元”是否先进和阵元数量的多少有很大的关系。阵元的数量可以是几百个,也可以是上万个,像美国的“铺路爪”陆基相控阵预警雷达,就有15360个能发射电磁波的阵元和2000个不发射电磁波的阵元。15360个阵元分成96组,与其他不发射电磁波的辐射器搭配起来,本质上相当于96部雷达的组合体。
美国的“铺路爪”长程预警雷达,主要用于监视弹道导弹,它可以探测导弹的弹道、发射点,计算出弹著点的位置。同时,它还可以用于监视和探测太空中的卫星。
正是因为有非常多的阵元,所以,军舰面对敌方导弹的饱和攻击时,可以把所有阵元分成若干组,每一组分别跟踪和对付一个目标。我们经常听到某种战机或者军舰能同时对付多少个多少个目标,其实,这其中的大部分功劳主要是属于战机或者军舰上的相控阵雷达。
F-35战机配备的AN / APG-81相控阵雷达,既可以跟踪空中的目标,还能监视地面上坦克和车辆,以及海面上的船只。
快速切换
蜻蜓的复眼
蜻蜓的眼睛又大又鼓,占据着头部的绝大部分,它是世界上眼睛最多的昆蟲之一,由上萬只「小眼」組成,蜻蜓的視力很棒,還能向上、向下、向前、向後看而不必轉頭。
相控陣雷達跟蜻蜓的復眼有相似之處,每一個陣元相當於蜻蜓的每一隻小眼。在很多人的眼裡,雷達就是會發射和接收電磁波的鐵傢伙,但是其實,人類的眼睛又何嘗不是這樣?人的眼睛依靠接收可見光這種電磁波從而看見東西,而雷達,本質上就是「人著眼」,它是戰機、軍艦和衛星的眼睛,沒有雷達,拳頭再硬也無用武之地。
傳統雷達像人類的眼睛,估計還是獨眼龍那種,想看到左邊,就得把頭扭向左邊;而相控陣雷達,相當於蜻蜓的復眼,看左邊和右邊都不用扭頭。這樣的好處是,相控陣雷達探測和跟蹤目標的速度極快,如果要調整100度的方向,普通雷達因為要轉動,大約需要1秒,而相控陣雷達所需時間不到1毫秒。
它是雷達界的全能冠軍
在過去,軍艦上安裝有不同種類的雷達,體積龐大、重不說,另一個麻煩是干擾,常常是,一種雷達工作時,另一種雷達就會受到干擾,嚴重的甚至不能同時工作。
由於相控陣雷達由電腦控制,所以它的方位指向和波段切換速度極快,能夠同時完成對空、對地、對海不同目標的探測,如此的話,它可以把原來需要多種不同種類雷達才能完成的任務一下子接過來,實現火控雷達、搜索雷達、預警雷達等合而為一。另外,相控陣雷達還可以進行戰機間通信,如果集中波速,可以對敵實施電磁干擾戰。
相控陣雷達可以在1秒內關機,1秒內開機,好處是,當軍艦遇到依靠雷達信號進行引導的「反雷達導彈」時,可以迅速地把朝向來襲導彈方向的雷達關機,同時,其他方向的雷達保持開啓。
智能蒙皮
相控陣雷達由多個獨立的收發陣元组成,未来技术成熟后,这些阵元可以分散到机身各处,与机身彻底融为一体,这就是战机的智能蒙皮,它能让飞机的机身更紧凑,进一步减少风阻。
预警机背着一个“大圆盘”,这是不得已而为之。未来智能蒙皮成熟后,大圆盘或许不再存在。
以上,人们把相控阵雷达说成是21世纪的雷达,并把它作为第四代战机最重要的评判标准之一,实在是一点不为过。

相控阵雷达是雷达领域最先进的存在,是人类雷达技术的集大成者。相比机械扫描雷达的工作方式,有源相控阵雷达速度快,低延时。没有搜索死角。并且可以同时扫描跟踪多方向多批次的目标,抗干扰能力强。逐渐成为了目前机载雷达和舰用雷达的主要发展方向。那么什么是相控阵雷达?相控阵雷达有哪些优缺点?有源相控阵和无源相控阵的区别是什么?相控阵雷达有多强?

什么是相控阵雷达?

虽然现在升级的PESA雷达也具备一定的ECCM(电子反干扰)能力,但距离AESA的抗干扰能力仍有很大的差距,这是两种技术本质上带来的差异,无法弥补。甚至传统的DRFM(数字射频存储)技术干扰器在AESA面前根本就不起作用。如果敌方干扰器采用宽带干扰的话,会导致每个频率的干扰功率大大降低,而实际上即便这样,AESA还可以在瞬间改变到某一特定频率,并再次躲过干扰。

当然,AESA雷达也不是什么都好,比如它太贵了,功率太大了,对散热系统要求很高。而且对软件的依赖性更强,因为干的活又多又杂,就需要处理非常复杂的信号数据,等等。

优点

  • 探测距离更远,因为内部由多个小的雷达组成,可以在一个方向上集成更强的雷达波束。所以相控阵雷达一般都拥有比传统雷达更远的探测距离。比如舰用相控阵雷达的探测距离一般都有400公里以上,而传统火控雷达只有200公里多点。而大型相控阵预警雷达则拥有几千公里的探测距离,这是传统的雷达所不具备的优势。
  • 功能更全面。相比于传统雷达,相控阵雷达波束更加灵活。可以快速扫描,几乎没有延时。数据处理能力很强。一个雷达可以形成多个,多方位的独立雷达波束。可以分别对不同的目标实施搜索,识别,跟踪和制导。而传统的雷达每个功能都需要一部雷达来实现。
  • 处理目标的能力更强,可以适应更加复杂的环境。相控阵雷达可以同时对不同方向上的不同目标同时监控和跟踪。而且目标容量大,可以处理的数量可以达到数百个。对环境的要求不高,可以在几乎所有的复杂环境下工作。
  • 抗干扰能力更强,可靠性高。因为相控阵雷达阵元的电磁波能量集中,所以对于电子干扰的抗性较强。而且由于其阵元大多是独立存在的,所以即使是在战时部分阵元损坏,依然可以正常工作!

相控阵雷达相当于苍蝇一样的复眼,所以能够搜索到很多目标,然后再找到重点。

性能强大自然工艺要求也高。相当于要把发射机,接收机,移相器,功率放大管等关键部件都集合在一个很小的部件上,实际上就是说每一个收发组件都是一个微型的雷达,这么多雷达一起工作,要想不互相干扰相当复杂。电路设计要仔细精心合理,同时制作工艺也要过关,不然很容易损坏。在雷达的总成本中,这些组件要占在8成左右。

有源相控阵雷达(APAR)的核心,在于其使用的雷达天线采用了有源电子扫描阵列(AESA),所以我们一般也会把AESA直接说成是有源相控阵雷达,虽然不严谨,但意思大家都懂就可以了。与之作为对比的,则是无源电子扫描阵列(PESA)天线。

相控阵雷达并非是一个单独的雷达,而是由一个个传统的雷达组合而成。相控阵雷达天线看上去是一个平板,实际上那只是雷达的整流罩。内部是由一个个小的雷达单元所组成的。这就是相控阵雷达的阵元。

只知道1997年我们没有,之后就雨后春笋一样的有啦。

现代战机多采用有源相控阵雷达,主要是它的优势很多,会很灵活的的快速改变波束在空间的指向,还容易获得更大的功率,可靠性也高。机械扫描的雷达需要雷达不停的左右上下转动来发射和接收雷达波,一是转动的期间有空档,二是高频率的转动会使得故障比较高,两者相比,机械雷达无故障时间为100小时,而有源相控阵雷达则达到2000小时,这个差距可就大多了。

4、维护性可靠性强

因为PESA所有天线模块都在单个频率下工作,因此单次发射的雷达波束频率是固定的,这就让敌人更容易发现并进行干扰(只需要对抗一个频率)。而AESA同时能够发出多个不同频率的雷达波束,抗干扰能力就要强得多。

无源相控阵雷达总体来说是相控阵雷达中的低端产品,技术难度小。而有源相控阵雷每个天线都装备有一个单独的发射接收单元,在电磁波的频宽以及信号处理和设计冗余上都比无源相控阵有更大的优势。这个优势主要表现在雷达的功率,波束的强度以及控制上都要优秀的多。所以有源相控阵雷达比无源相控阵雷达更加的先进。取代无源相控阵雷达也是大势所趋!

一部相控阵雷达,相当于多部不同用途雷达的功能总和

相控阵雷达优点虽然很多,但是好的雷达伴随着的同样也有缺点。缺点之一就是贵。造价高昂!集成了多种功能的相控阵雷达一直都是超级贵的装备。而且还有另外一个缺点,就是体积庞大,特别费电。在现有海军装备中,应该是耗电排第一的存在。目前的中华神盾和美国宙斯盾驱逐舰之所以造这么大,正是为了给舰用相控阵足够的空间。还有为其供应足够的电力。

阵风战机使用的AESA雷达

相控阵雷达相比传统雷达的优缺点

(相控阵雷达指向原理)

PESA其实跟AESA有很大的相似之处,比如都是由大量(几百到几千个)的天线模块构成,而提升雷达性能的主要途径,都是增加模块的数量。而由于提供给每个模块的信号的相位可以通过电子方式来改变,因此PESA和AESA都可以使雷达“指向”特定方向(通过利用波的相长/相消特性),而无需转动雷达。

在雷达工作时,雷达天线并不转动,而是通过控制每个阵元的发出电磁波的相位和幅度,强化电磁波在特定方向上的强度。从而控制整个雷达波的方向变化。而相控阵雷达有源和无源的区别就在于雷达阵元是不是能够单独的发射和接受电磁波。

这样一来,AESA的优势就比较明显了。

2、提升雷达隐身性

美国部署在大型X波段巨型海基相控阵雷达的直径达到了17.8米。宽73米(240英尺),长119米。其塔架从底端到天线罩顶端有86米多长,排水量约50000吨。这部可以探测4800公里远的海基预警雷达的造价更是达到了22亿美元,顶的上半艘尼米兹级航母的造价了!

有源和无源的区别,为什么有源相控阵更先进

3、抗干扰能力强

APG-79 AESA雷达,主要配备超级大黄蜂舰载机

AESA雷达可以同时形成多个分组,且频率各异。每一个分组即一个雷达波束,而各个波束可分别同时执行扫描、跟踪、火控、对抗等不同的任务。因此与PESA相比,AESA雷达具有更快的扫描速率,可以同时搜索并跟踪更多的目标。

有源雷达才有电扫描的方式,更加快速高效,由于雷达波指向灵活,可以迅速根据目标运动情况适时跟踪、识别、制导,由于体积较大,想集成使用到飞机上一直十分困难。同时在设计、使用过程中,有源雷达还需要考虑地形地波形成的干扰,所以目前世界上能成功研制有源雷达的国家十分有限。据悉,我国出口的枭龙战机上就配备了有源雷达,可见我国已经掌握了制造研发该型雷达的技术。而我国最新的歼-20战机配备的也是国产最新的有源相控阵雷达,这是我国歼-20形成战斗力的重要保证。

同时有源相控雷达在传递能量过程中损失也小。主要是因为收发组件,在天线单元的后面,电流量发射出去路径短,传输过程中损失小。这样就对雷达提高发现距离更有利。而传统的机械扫描雷达,发射组件离天线单元距离远,这样电波量路径长,损失大;大概能少3-4倍。这样探测距离上就明显不如有源相控阵雷达那么远。另外,有源相控阵多功能性强大,大量收发组件都是独立工作的,效率高。

而AESA的每一个模块都是独立的(类似于OLED的每一个像素可以自发光),都具备完整的发射/接受(T/R)功能。理论上讲可以让每一个模块都执行不同的任务。但考虑到功率太小没有实际意义,所以AESA通常会使用软件对所有模块进行分组,让每一个分组的功率尽可能大一些,而每一组则可以执行不同的任务。

有源相控阵雷达是雷达自己发出电磁波去寻找目标,缺点就是暴露自己的位置,容易被对方反辐射导弹击中。

既然全是小雷达,那么想要增加功率就增加收发组件数就可以了,同时照射目标时,有源相控阵雷达可由计算时控制,在目标身上停留更多时间,从而到得更精确的数据,停留的时间长了自然雷达波照射目标的时间也长,返回的雷达波也会更多,自然也就能就让雷达看到更远更清楚。

AESA抗干扰能力强,其实也意味着它的干扰能力(电子战)也很强。由于AESA能够形成非常窄的雷达波束(例如:2°x2°),所以可以将功率集中在较小的区域上,从而提高干扰的效果,甚至比峰值功率较大的PESA雷达更有效。

有源雷达的一个重要的优势就是可以在水平、高低两个方向电子扫描,从而防止遗漏和出现探测死角。但是有源雷达的一个重要缺陷就是耗电,由于电能使用效率较低,只有大约30%左右,大量的电能都被转化为热能,所以使用起来需要专门的冷却系统对雷达进行冷却,这也大大增加了机载雷达的使用效率,这也是国外很多国家无法安装机载有源雷达的原因,同时由于用电量大,实际上也会造成雷达使用效能的下降。

无源相控阵雷达就是自己不发射电磁波,只接收对方的电磁波。

相控阵雷达一个阵面之上集成了数百个乃至几千个小的雷达,类似于动物的复眼。功能十分强大。现代盾舰上的相控阵雷达,是集成了多个雷达的共同体。自从相控阵雷达上舰之后,舰艇显得特别的简洁,没有那么多到处堆放的雷达天线。这主要是因为一部相控阵雷达,集成了舰艇上的几乎所有的警戒,制导,航海以及其他的火控雷达。一部相控阵可以做到的,传统雷达需要多不雷达才能完成。

另外,AESA雷达所需的维护要比PESA少得多,升级更方便,并且使用寿命也更长。比如F-35上的APG-81雷达寿命几乎是飞机机身寿命的两倍。

所以AESA雷达也被称为LPI(低拦截概率)雷达,并广泛装备于隐形战斗机和先进舰艇。

1、多目标、多任务能力

一般来说,地面的大型雷达使用有源相控阵雷达。战斗机使用无源相控阵雷达雷达。

不同的是,在PESA雷达中,只有一个主微波频率信号发生源(发射器)。这个源信号被放大后,分配给每个模块,也就是说每一个模块的频率是相同的。这样带来的优势就是所有功率全部用来执行一个任务,所以探测距离更远。但问题也随之而来,由于所有模块都在单个频率下工作,因此敌人更容易发现并干扰雷达波束。

有源相控阵雷达是区别于无源相控阵雷达,具有波束多、指向性强、追踪目标多、覆盖死角小等优点,从使用性能上看,有源雷达可以随时改变频率,更加有利于抗干扰;可靠性更高,一个TR单元坏了,其他的仍可以继续使用,战时有源雷达可以同时探测、跟踪多个目标,战术性能远远优于无源雷达。不过有源雷达能耗较大、集成缩小较为困难。

苏-27战斗机配备的NO01火控雷达

另外,AESA雷达的特性还使其可以形成紧密聚焦波束的能力,获得更高的信号增益,因此具有更好的方向性和探测精度。比如公开资料显示,俄罗斯的Irbis-E可以形成10°x10°波束,而美国的APG-77可以形成2°x2°的超窄波束。

在任何时间,AESA的每个天线模块都可以不同的频率运行,而且,每个模块可以以每秒约1000次的速度来更改其工作频率。其结果就是,AESA雷达波束不再以单个频率工作,而是能够将信号发射散布在很宽的频率范围内,因此AESA雷达信号会被敌方预警雷达认为是天空背景噪声而忽略。

PESA雷达发射器的任何故障都将导致整个雷达完全停用。但AESA因为所有的T/R模块都是独立的,一个模块的故障对整个雷达来说几乎可以忽略不计。

(AESA多任务多目标示意图)

总之,没有最好的雷达,只有最合适的,AESA再先进也取代不了所有的PESA,在没有进一步的技术突破之前,二者还会一直共存相当长的时间。

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