相位陣列雷達概述

7/7相位陣列雷達概述

──bycaptａinＰicaｒd傳統(tǒng)雷達的限制在介紹相位陣列雷達之前,先簡單地歸納出仰賴機械旋式旋轉以及拋物面天線技術的傳統(tǒng)式雷達的幾個重大基本限制:1.波束角太寬、旁波瓣太大傳統(tǒng)式的陸基與艦載雷達使用拋物面天線等未經(jīng)任何相位合成的雷達天線，其波束角的大?。蠢走_波束的集中程度）取決于天線的孔徑（即直徑）大小。波束角越小,意味著將雷達射頻能量集中在更小的面積上,雷達的偵測距離與解析度也越好。又,如果以維持相同波束角為條件，則波長越長的雷達，就需要比短波長雷達孔徑更大的天線。一般而言，雷達波強度隨距離的平方成反比。長距離艦基/陸基雷達為求增加搜索距離,都使用較大的波長以利于長距離傳遞；但天線的尺寸卻不可能無限制地增大，導致傳統(tǒng)式搜索雷達都有一個不小的波束角,加上波長越大解析度自然越低，解析度自然難以讓人滿意.例如艦艇在搜索第二代掠海反艦飛彈這類低ＲCＳ的目標時,傳統(tǒng)長程搜索雷達即便在目標進入搜索范圍后,第一次掃瞄到目標時,往往因為訊號強度不足或干擾而沒有足夠的「證據(jù)」,只好先將資料放入暫存區(qū)，等天線下一回轉動到相同位置時,再比對暫存區(qū)中的目標是否依舊存在；故傳統(tǒng)雷達必須連續(xù)在同一方位上多次（通常是三次,例如美國的SPS-48E）偵測到同一訊號,才會將之列為追蹤對象，浪費不少寶貴的反應時間。為了彌補這個弱點，這類長程搜索雷達只好將雷達旋轉速度降低（往往需要十秒鐘以上才能回轉一圈)，讓天線在同一個位置上停留更久,以接收更多的脈沖訊號,然而這樣又會使目標更新速率惡化.除了精確度的問題外，傳統(tǒng)雷達天線在輻射雷達波時，也會產(chǎn)生一系列周邊的旁波瓣；對于雷達而言,旁波瓣是有害而無益的損耗（因為主波瓣才有偵測效益），不僅浪費射頻能量,更因旁波瓣散射他處而大幅增加被敵方察覺與干擾的機率.由于一般雷達采用周期掃瞄方式進行搜索,讓方位角很窄的雷達主波束依序完成空域掃瞄，因此對電子支援系統(tǒng)等信號接收裝備而言,雷達主波瓣經(jīng)常是一閃即逝,而且每隔十數(shù)秒至數(shù)十秒才能收到一次，難以直接對其追蹤與鎖定；因此，這類雷達信號接收器主要是靠著持續(xù)而穩(wěn)定、朝四面八方輻射的旁波瓣來鎖定敵方雷達。所以一般而言,旁波瓣是最容易讓雷達「露餡」的頭號元兇.干擾方面，目前最主要的電子反制手法就是在對方雷達的旁波瓣中灌入強大信號,使雷達誤以為這是目標回波，如果進入旁波瓣的干擾強度高于主波瓣，雷達便失去偵測目標的能力,所以旁波瓣又是讓雷達被敵方干擾的最大罩門。2。機械旋轉機構的限制對于艦載或陸基雷達而言,傳統(tǒng)式雷達天線靠著旋轉來涵蓋所有方位;而如果要持續(xù)追蹤同一個目標的軌跡，就要等天線完成一個旋轉周期回到原先位置后，才能作目標資料的更新.如同前述,長距離艦載/陸基搜索雷達由于天線尺寸重量較大，加上必須在同一方為累積足夠的脈沖信號,因此轉速都不可能太快；例如，美制SPS－49艦載對空搜索雷達的旋轉周期是30秒／周，意味每分鐘只能實施兩次目標資料更新。又，如同前述，傳統(tǒng)式雷達需要對同一目標掃瞄三次左右，才能獲得足夠的資訊,進一步使問題惡化。此等更新速率在面對高速突進的目標時,將顯得力不從心；對于艦艇而言，這樣的更新速率很難有效應付各式新一代高速先進超音速反艦飛彈。至于用來描繪目標軌跡的艦載追蹤雷達則擁有較快的天線轉速（例如每秒轉一周）以及較短的波長，盡量縮短目標更新時間,但也使得天線較難持續(xù)接收同一目標傳回的訊號，偵測距離大幅縮短.因此，長距離偵測以及精確追蹤對傳統(tǒng)式雷達而言,是不可兼得的魚與熊掌。戰(zhàn)斗機上的射控雷達也有類似情況；傳統(tǒng)式戰(zhàn)機雷達天線也需要旋轉機構來改變天線方位,以掃瞄各個空域.戰(zhàn)機雷達往往也會提供自動鎖定模式，在此模式下,天線靠著伺服機械的帶動持續(xù)對準目標的方位。由于機械運動的速率有限,導致目標更新速率過慢,致使戰(zhàn)斗機雷達在進行多目標精確追蹤等耗費較多資源的工作時，需將天線掃瞄范圍限制在左右各40度、上下各10度的范圍內(nèi),才能獲得可接受的目標更新速率。這種限制意味著戰(zhàn)機雷達專注于視距外多目標接戰(zhàn)時，能處理的空域范圍極為有限，也不可能同時兼顧空對空與空對地等不同需求。范圍過窄的另一問題就是：敵機很容易藉由急遽的運動（側轉、改變高度）或?qū)C群散開，進而逃出戰(zhàn)機雷達的有效搜索范圍。此外，許多天線具有自動鎖定模式,藉由機械伺服機構將天線持續(xù)對準目標；不過由于伺服機構動作速度有限，目標同樣也能藉由大范圍劇烈機動來擺脫雷達的鎖定。以冷戰(zhàn)時代美國長程攔截能力最優(yōu)秀的F－１４戰(zhàn)機而言,雖然號稱能同時以鳳凰飛彈攻擊６個目標,不過前提是這六個目標必須在天線縱軸左右各40度以內(nèi)。欲以傳統(tǒng)方式增加天線伺服機構的動作速度，例如使用低阻尼超高速雷達伺服馬達,可改進的幅度也十分有限，終究不是治本之道。3.倚賴都卜勒慮波技術都卜勒技術是一種廣泛被雷達采用的慮波技術；藉由測量雷達回波的都卜勒頻移，訊號處理裝置就能將地形背景、海面波浪、天空中鳥群產(chǎn)生的低速率訊號濾除,只保留相對速度較高的目標──也就是人為的飛機或飛彈；而艦載近迫武器系統(tǒng)(如早期的美制方陣系統(tǒng))更是以都卜勒慮波器排除低速目標(包括水面快艇或慢速飛行器)，專挑高速來襲的反艦飛彈。不過正由于都卜勒慮波器的特性，使得敵機能以側轉等方式使雷達與目標的相對速度瞬間降低或歸零，于是就自動被都卜勒慮波器排除,造成目標流失.在19９1年波灣戰(zhàn)爭中,便有一架伊拉克Ｍiｇ—25利用連續(xù)的側轉,一連使美國Ｆ—1５戰(zhàn)機發(fā)射的好幾枚AIＭ—7麻雀半主動雷達導引空對空飛彈脫鎖,一路沖至目視纏斗的距離，才被機動性較高的美軍Ｆ—1５以機炮擊落。為了應付這種戰(zhàn)術，某些雷達的操控軟體在發(fā)現(xiàn)目標準備進行脫鎖動作時，立即關閉都卜勒慮波器避免丟失目標,不過如此又會使問題回到原點。

解決之道：相位陣列雷達欲解決前述傳統(tǒng)機械動作雷達天線的幾個根本問題，基本原則就是「用天線元件直接改變雷達波束指向」，而不是「轉動天線」,因為小型電子元件的開關切換的速度比機械伺服快得多;而這種不靠天線運動就能改變波束指向的雷達,一般稱為「電子掃瞄雷達」。電子掃瞄技術主要有兩種，第一是頻率掃瞄(以改變波束頻率的方式變換指向），第二則是改變波束的相位：其中，頻率掃瞄只能在一個維度上改變波束指向，故此種雷達多半是利用旋轉基座改變雷達水平方位，并以頻率掃瞄方式在垂直方向改變雷達波指向,進而達到三維(方位、高度、距離)偵測能力,例如美國海軍的SPS—48Ｃ／Ｅ或者俄羅斯海軍的頂板(Toppｌａt(yī)e）就屬于這類雷達;由于仍需要機械式旋轉天線，因此頻率掃瞄雷達并不能根除傳統(tǒng)式雷達的先天弱點。至于改變波束相位的方式由于可同時在水平與垂直方向進行,才真正實現(xiàn)了「天線固定就能在三度空間內(nèi)改變波束方向」的理想;由于這類雷達以大量的小型天線元件構成天線陣列，故一般稱為「相位陣列雷達」（PhaseArrayRaｄar），大陸則多半翻為「相控陣列雷達」，此種雷達在今后都將是新型高性能雷達的主流發(fā)展方向.相位陣列雷達以「大量密集排列的小型天線元件（又稱移相器，PhaseＳhｉfteｒ)」取代「單一的一個大天線」；與高中物理課本楊格雙狹縫實驗相同，各天線單元發(fā)射的電磁波以建設性干涉原理強化并合成一個接近筆直的雷達主波瓣,而旁波瓣則由于破壞性干涉而大幅減低。此外，每個小型天線元件的開/關均可個別控制，換言之就是藉由不同的開/關時機，制造各天線單元之間的相位差；由高中物理課本的海更士波前原理可得知，透過各天線單元發(fā)射波束的相位差，就能改變所合成的雷達波束的指向。相位陣列雷達從根本上解決了前述傳統(tǒng)機械式雷達的種種先天問題。由于小型天線元件的開關切換都是在瞬間完成,意味著相位陣列雷達可在微秒內(nèi)完成波束指向的改變，在極短的時間內(nèi)就能將天線對應到的搜索空域掃瞄完畢，掃瞄速率是機械式天線的數(shù)十甚至一百倍，因此在掃瞄范圍內(nèi)都能維持很高的目標更新速率。由于相位的控制迅速而自由，因此可運用自動回饋機制,在雷達波束與可疑目標接觸后，便立刻控制波束回頭對該目標多送幾道波束進行確認，之后才繼續(xù)掃瞄其他的方位；因此目標只要進入相位陣列雷達的偵測范圍,多半很快就可有效搜獲(除非雷達截面積太?。?，不像傳統(tǒng)式天線得等伺服機構下一次將天線對準同一方位才能進一步累積資訊。此外,相位陣列天線的單元可分成好幾組子天線,各自執(zhí)行不同的工作。藉由天線分割運作，相位陣列雷達能對搜索范圍內(nèi)的大量目標各分派一道波束(＂\l＂註二＃註二”注二），因此能獲致更遠的偵測距離以及更大的精確度,而旁波瓣也遠低于傳統(tǒng)式天線（HYPEＲＬIＮＫ""\l”註八＃註八"注八），這方面的表現(xiàn)將不及主動相位陣列雷達.主動相位陣列技術的未來發(fā)展將目光放遠,主動相位陣列天線技術提供了一個「效能優(yōu)異、功能強大」的電磁波收發(fā)工具；既然如此，只要擁有適當?shù)目刂栖涹w,這種杰出天線的功能就不僅止于作為「雷達」而已。許多新一代整合式電子戰(zhàn)系統(tǒng)或者是高頻寬資料傳輸系統(tǒng),都以相位陣列天線來取代傳統(tǒng)天線,目的就是要獲得更高的性能。在電子戰(zhàn)方面,以操控靈敏、波束筆直精準、功率強大的主動相位陣列天線取代傳統(tǒng)天線后，無論對于主動式的電磁波干擾或被動式的截收，性能表現(xiàn)都會大大地增強:對被動截收而言，相位陣列天線由于分割彈性廣泛、反應靈敏，將提供極高的定位精確度,使載臺可在不需要以本身雷達朝敵方電磁波來源進一步確認的情況下，便獲得精確度足以直接發(fā)射武器攻擊的目標方位資訊；對主動反制而言，主動相位陣列天線能制造功率更強大的干擾波束以及更迅捷多變的干擾模式，自由的天線分割能力使其能同時產(chǎn)生多道波束分別干擾不同的目標，而優(yōu)秀的旁波瓣抑制能力可將天線外泄至其他方位的電磁波降至最低.此外,未來日漸成熟的主動相消干擾技術(發(fā)射震幅與頻率與敵方雷達波相同但相位完全相反的電磁波,如控制得當，有機會徹底消除載臺自身的雷達回波，在敵方雷達螢幕上完全隱形)，由于需要極高的敵方雷達電磁訊號精確分析處理能力以及正確而即時的相消干擾波束產(chǎn)生能力，因此天線部分也以最精確靈敏的主動相位陣列天線為上選。而發(fā)展中的直接能量電磁脈沖（ＥMＰ）硬殺科技，也得依靠主動相位陣列天線筆直而強大的波束，將脈沖能量投射至敵方電子回路與硬體上造成實體損壞。瑞典Erｉcsson為JAS－39戰(zhàn)機開發(fā)的MIDAS整合式電戰(zhàn)防護系統(tǒng)，便采用平板式主動相位陣列天線,無論在被動截收監(jiān)聽距離、威脅標定精確度都遠勝過傳統(tǒng)式同類系統(tǒng)；拜優(yōu)秀的天線機能以及杰出的后端控制軟硬體，Ericｓson宣稱加裝此一整合于機體內(nèi)的內(nèi)建式系統(tǒng)后，JAＳ-39的整體電子作戰(zhàn)能力將不輸給現(xiàn)役其他需要外掛大量各式電戰(zhàn)莢艙的專業(yè)防空壓制(SEAＤ）戰(zhàn)機,而且不需要占用任何機上掛架。在資料傳輸方面，現(xiàn)階段美國等先進國家大力發(fā)展的網(wǎng)基作戰(zhàn)，包括協(xié)同接戰(zhàn)能力（ＣＥＣ）、全球即時精準打擊作戰(zhàn)、同時指揮大量無人載具、整合戰(zhàn)區(qū)內(nèi)所有單位/載臺的感測裝置去持續(xù)追蹤匿蹤目標等工作,傳輸?shù)馁Y料量即為龐大，絕非現(xiàn)有包括Lｉnｋ—16在內(nèi)的戰(zhàn)術網(wǎng)路系統(tǒng)所能負荷；而主動相位陣列雷達強大的發(fā)射能力，正好為這些傳輸工作提供了良好的解決方案,其高指向性的筆直波束亦使這些通訊難以被接收方以外的第三者截獲。綜合以上，主動相位陣列天線技術不僅在偵測的老本行有著更出色的表現(xiàn),在電子軟/硬殺與戰(zhàn)術通訊/資料傳遞等領域也展現(xiàn)了不可限量的潛力.不過相位陣列天線高指向性的特點，在進行通訊用途時，傳輸?shù)母鱾€載臺必須保持在特定的相對位置而不能任意運動，才能順利傳輸筆直的波束,而傳輸之前各載臺必須精確標定彼此之間的相對位置才能開始傳輸資料，這在使用上會造成一些不便,美軍在測試協(xié)同接戰(zhàn)能力的相關設備時,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這個問題；反觀傳統(tǒng)資料傳輸天線的波束朝著四面八方「廣播」，只要在主波瓣與各旁波瓣收訊范圍內(nèi)都能收到訊號。以未來二十年內(nèi)全球性能最強的戰(zhàn)機用雷達──美國F－2２戰(zhàn)斗機的AＰG-77主動相位陣列雷達的性能表現(xiàn),就能從中領略主動式相位陣列雷達領先于被動式相位陣列雷達之處,以及其不可限量的發(fā)展前景。目前APG-７7的機鼻陣列天線由1500至２200個瓦片式砷化鎵T／R單元構成,能劃分為多個獨立的子雷達、被動電子截收器、電子反制系統(tǒng)，在同一時間內(nèi)各自操作,未來還可能增添位于機身側面的陣列天線，使F—22的雷達視野范圍激增。拜主動相位陣列天線賦予的超高波形調(diào)整速率、資料更新速率以及分配彈性之賜，ＡPＧ—77能同時執(zhí)行多個波形、資料更新速率各異的對空/對地模式。又,由于T／R元件精確敏捷的控制，APＧ—77能實行靈敏而嚴格的電磁波管制，在維持所需的戰(zhàn)況意識(SituaｔionAwarenｅsｓ,ＳＡ）的條件下,隨時對雷達波束的強度、發(fā)射時間與波束范圍進行調(diào)整，將其減至最低，最大限度地減少因電磁波外泄而遭敵方截收偵獲的機率。此外，ＡPG-77亦具備封閉回路追蹤(Ｃｌosｅd—lｏopｔｒaｃkｉng)能力,也就是持續(xù)修正雷達波的能量與脈沖頻率，在保持有效獲得目標的前提下將雷達波的能量降至最低。而在ALR-94整合式電子戰(zhàn)系統(tǒng)的支援下，ＡPＧ—77能將雷達波束窄化成有如雷射般(僅２X2度）,能強化波束探測能力,并將其他方位的電磁輻射降至最低。將來ＡPG-77還有許多更具前瞻性的發(fā)展,例如美國空軍曾以ＡPＧ-77進行通訊傳輸測試,結果顯示此雷達天線在數(shù)秒之內(nèi)的資料傳輸量(包括傳送與下載),以目前的Lｉnk-16資料鏈得耗時３0~６0分鐘才能傳輸完畢，這對于現(xiàn)階段經(jīng)?？嘤趥鬏旑l寬不足的美軍而言有如天降甘霖。此外,美國空軍亦打算以ＡPG-7７的硬體為基礎,搭配新研發(fā)的控制軟體，發(fā)展一種電子軟/硬殺武器,其功能包括直接以集中的高功率波束，燒毀敵方在空中、地面的雷達天線或電子硬體設備,或者利用其強大的資料傳輸能力，在敵方軍用資料傳輸網(wǎng)路內(nèi)散布病毒，預計在2０１0年代正式推出。主動相位陣列天線的終極發(fā)展目標,便是透過同一套能任意分配、改變頻率的主動陣列天線系統(tǒng),配合不同功能的控制軟體，進而包辦一個武力投射平臺上所有相關的電磁波收發(fā)機能（HYPERLＩNＫ”"＼ｌ”註九＃註九”注九）。這種全功能陣列天線能根據(jù)戰(zhàn)場上的需求,將天線分組來執(zhí)行所需的各種功能，而分配給各功能的Ｔ／R單元數(shù)量也是完全根據(jù)任務所需。前述美國ＡＰG-77以及歐洲EＡDS集團正為ＥF-20０0戰(zhàn)機發(fā)展的新型CＡＥＳＡR主動相位陣列雷達，便打算以一面陣列雷達天線包辦以往在一架戰(zhàn)機上需要各式天線分工合作才能完成的全部機能,包括多功能雷達（包括對空、地貌追沿等)、電子反制、電子反反制、被動電子信號監(jiān)聽截收、敵我識別、通信傳輸、導航、飛彈導控傳輸?shù)鹊?而德國海軍研發(fā)中的「2020年水面艦艇計畫」(FＤZ-2020）中,也預計