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有源相控阵与无源相控阵雷达

作者:ZongYu时间:2022-08-12来源:EEPW

有源相控阵与无源

本文引用地址:http://846420.com/article/202208/437292.htm

 

历史中有太多改变了人类世界的发明创造,从人类的第一项技术,火,到如今无数科学家正在全力攻克的可控核聚变。从古至今,无数的人们先扑后继,努力按照人类的意愿改变这颗蓝色的星球,有太多的故事要讲,有无数的技术值得我们铭记。而我们今天要谈论的技术,它的萌芽始于1842年,一位来自奥地利的物理学家——多普勒。他发现物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移blue shift);在运动的波源后面时,会产生相反的效应。这便是雷达测速的基础原理——多普勒效应。随后,一代代的科学家在这个地基的基础之上,有意或是无意的添砖加瓦,1917年,罗伯特·沃特森·瓦特(Robert Watson-Watt)成功设计雷暴定位装置,它宣告了雷达的诞生。最终,在1940年的不列颠空战之中,雷达证明了自己在上的价值,悄然改变了人类历史的轨迹。

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多普勒效应

雷达的工作原理十分简单,与我们平时接触最多的声波反射原理相当接近。当我们朝空旷的山洞中大喊一声,我就会听到回声被反射回来,我们知道声音在空气中的大概速度,就可以通过接收到回声的时间差算出山洞中的石壁距离我们有多远。雷达的探测方式与上述原理大致一致,但是将探测的介质由声音换成了电磁波,雷达由发射机发射电磁波,当电磁波在空中接触到一些物体后,有一小部分会被反射,被雷达的接收机捕获,在加上上文所说的多普勒效应,我们变相知道了物体相对于我们的速度,这便是雷达探测的基本原理。

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雷达基础原理图

如今的雷达技术已经相当成熟,雷达的种类也已经百花齐放。如果按照雷达信号形式分类有:脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等;按照雷达采用的技术和信号处理的方式有:相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达等;按雷达频段分,可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。而今天笔者想和各位读者聊一聊

所谓就是“相位控制雷达”的简称,它是用天线扫描方式不同来区别出的一类雷达,与其相对应的是机械扫描雷达。顾名思义,相位控制就是通过控制电磁波的相位差,利用电磁波的干涉现象来控制电磁波的发射方向的一种技术,对比于传统的机械扫描雷达,有着革命性的优势。传统的机械扫描雷达采用凹面镜样式的抛物面来收缩视角,因此想要提高雷达精度,就只能采用增大雷达天线面积的方法实现,而增大了雷达天线面积势必导致雷达重量的增加,就会进一步降低雷达电机的旋转速度,扫描速度和扫描精度,在传统机械扫描雷达上成了鱼与熊掌的关系。而相控阵技术的出现,彻底解决了这个问题。

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传统机械扫描雷达结构

已知最早的相控阵雷达出现于1937年,由纳粹德国建造的“猛犸”雷达系统,而对于“猛犸”雷达的资料不多,甚至对于其采用的是有源相控阵还是无源相控阵技术还尚有争议,笔者在这里先不做讨论,这里就按照美国国家档案和记录管理局的结论,二战德国设计制造的“猛犸”早期预警雷达是已知世界最早的相控阵雷达。

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电磁波干涉

对于有源相控阵和无源相控阵雷达从外表上看并没有太大的区别,都是有很多小单元组成,每一个小单元的天线都能发射和接收信号,也都能通过上文提到的电磁干涉来控制电磁波束的方向,高速扫描目标空域。而不同的是,无源相控阵上是由一个统一的放大器来调节每个小单元上的信号强度。其优势也显而易见:在制造价格和制造难度都不高的前提下,

大幅提高了相对于机械雷达的扫描速度。而其劣势也相对明显,只有一个放大器装置,相当于把鸡蛋都放在了一个篮子里,只要雷达有一部分遭到损坏,就有很大概率会让整个雷达停止工作,而且由于每个单元的信号强度都是统一分配的,其功能和信号的灵活程度,也受到了很大的影响。而有源相控阵则是像蜻蜓的复眼,由无数相互独立的收发单元组成,每个小单元拥有独立的放大器,这些一组组的雷达模块被称为T/R模块,每个T/R模块接收到的电磁波信号都是弱信号,T/R模块的天线根据自己的需要将电磁波信号放大到需要的程度。这样每个T/R模块都能独立完成任务,一个雷达就可以同时实现多种功能,除了传统的搜索跟踪外,还可以进行电子对抗干扰和远程通讯等等。

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相控阵雷达

所以,在技术层面上,有源相控阵要比无源相控阵更加先进,无论是扫描精度,还是雷达的体积,无源相控阵都占不到优势。做一个不恰当的比喻,有源相控阵和无源相控阵就像是智能手机与功能手机的区别。但是,有源相控阵它的制造难度和成本高,后期维护费用更是远高于无源相控阵,所以就连当今海军实力最强的美国,也只在其最新服役的“宙斯盾”驱逐舰(阿利伯克级 block IIA)中,只有部分装备有源相控阵雷达(AN/SPY-6(V) 空中搜索雷达),其主要对空搜索雷达依然采用的是无源阵列;而我国海军起步晚,后发优势明显,

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AN/SPY-6(V) 空中搜索雷达

2014年入列的首艘052D型驱逐舰昆明舰开始就使用了由南京电子技术研究所(14所)所研发的346A型有源相控阵雷达,部分性能超过美军的“宙斯盾”雷达系统。我国也成了世界上第一个在海军主力海军舰艇中全面使用有源相控阵技术的国家。

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346A “海之星”有源相控阵雷达

2022年6月17日,我国首艘国产采用直通甲板,电磁弹射型航空母舰福建舰正式下水,八万余吨的排水量,打破了保持了82年的欧亚大陆最大吨位战舰纪录(原纪录保持者为旧日本海军于1940年下水,满载满水量72810吨的大和级战列舰)。在全民为其三条中压直流电磁弹射器欢呼的同时,有一些眼尖的军迷发现了一些更让人欣喜的“小细节”,那就是其两座H/PJ-111130毫米舰炮(以下简称1130近防炮)全面换装了新型相控阵雷达,成为了世界上第一种采用了相控阵雷达的近防炮系统,这无疑标志着我国相控阵技术在小型化上走在了绝对的领先位置。

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福建舰上换装了新型相控阵雷达的1130近防炮

1130近防炮是由我国自主研制的、目前世界上射速最高的舰防拦截武器系统,其采用了11管30毫米加特林炮设计,全自动控制,拥有两个弹仓共1280发备弹,最高射速高达11000发/分,也就是说,在最快射速下,每秒钟将有166发钨合金脱壳穿甲弹出膛,能迅速在舰船一侧拉出一条钢铁之墙,能轻易撕碎两公里内任何敌空中目标。

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正在高速射击的1130近防炮

但是,我国的1130近防系统系统之前一直采用传统雷达、红外、和光学传感器追踪目标,在应对以三马赫(1020米/秒)以下的目标时有着极高的拦截效率,但是随着各种高超声速的出现,这套雷达系统就有些捉襟见肘了。因此顺应武器的发展,福建舰上的近防系统也首次使用了相控阵雷达,上文提到过,相控阵雷达反应迅速,可以同时对多个空域展开搜索,同时跟踪更多的高速飞行单位,而且可靠性很高,就算是损失了10%的T/R模块对其影响依旧不大,甚至在30%的T/R模块都被击毁的情况下,有源相控阵仍然可以工作,这对于军舰最后的防御手段——近防炮,来说可谓是至关重要,在未来的大海之上,

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1130近防炮所发射的DEC115型30mm钨合金尾翼稳定脱壳穿甲弹

各种高超声速武器的出现,战局是真正的瞬息万变,以国产346A海之星有源相控阵雷达为例,其最大发现距离为450公里,如果以现在最先进的高超声速反舰导弹鹰击21型

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下挂鹰击21高超声速反舰导弹的轰-6K

(很尬尴,这方面最先进的盾和矛都是我国生产并装备的)对其发起攻击,如果导弹以8马赫(2720米/s)的突防速度进行攻击,在450公里的距离上,留给军舰的反应时间只有165秒左右,在如此紧急的时间内,近防系统要完成开机,索敌,抵抗海面复杂的杂波,最终锁定目标,在两公里的距离上组织攻击并将其击毁这一系列操作,对于传统近防雷达来说,几乎是不可能的任务。但是换装了最新的有源相控阵雷达,拦截高超声速武器变成了可能(虽然笔者认为成功概率也不会很高)。作为除了美国之外最强大的航空母舰福建舰,为其配备如此豪华的雷达系统是一定的。但是看我国以往的作风,未来有源相控阵系统应该会在我军中推广开来,助力解放军成为一支现代化的世界一流军队。

虽然相控阵技术最先应用于,但随着近期的趋势,在不远的未来相控阵技术很有可能进入汽车电子领域,为普通老百姓服务。

作为无人驾驶领域的先驱者之一,2012年末,谷歌开始公开测试其无人驾驶汽车,而谷歌所采用的无人驾驶技术,是依靠机械扫描激光雷达对于周边环境进行精确建模,同时辅以摄像头、毫米波雷达和超声波雷达等手段达到观察环境的目的。这种方案的优势十分明显:激光雷达的探测精度高,而且对于芯片的图像处理能力要求不高,节省下的算力可以用于其他地方,对于在恶劣天气下激光雷达可靠性降低的情况,其定向毫米波雷达可以作为补充,保障行车安全。但是这种方法的劣势也很明显:由于使用了多种传感器、雷达辅助其可靠性必然降低,而且,在大雾、沙尘等能见度低的恶劣天气中,虽然毫米波雷达可以正常工作,但是毫米波雷达只能判断前方有没有物体,不能精确识别物体的形状,对于城市道路上复杂的路况和各种信号灯来说,显然是杯水车薪,加上其高昂的成本想在市场上全面铺开基本上是不可能的。

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谷歌Waymo自动驾驶

而这一领域另一个大厂,特斯拉则采用了另一种方案。特斯拉致力于降低智能驾驶的使用成本,以便在市场上全面铺开,所以其选择的是市场中已经成熟的摄像头技术,辅以强大的AI算力来达到自动驾驶目的,降低成本的目的确实已经达到了,但是其自动驾驶实际的效果嘛,只能说未来可期。

而今年来在上大放异彩的有源相控阵技术,在笔者看来,很可能是未来自动驾驶的出路之一。使用激光相控阵雷达,由于没有机械转动扫描结构,在体积和成本都大幅下降的前提下,可以做到几乎实时的扫描效率,在如今瞬息万变的复杂路况下,减少了对于环境反应的延迟性问题,大大提高了自动驾驶的安全性;而且对比于传统几种传感器,激光相控阵雷达在全天候都有不错的可用性。但是,没有十全十美的事物,相控阵雷达做不到360°的视野,甚至其最大也只能有90°的扫描视野,因此只能靠增加雷达数量的方式来防止死角的出现。

总的来说雷达的原理十分简单,但要实现高性能的雷达还有许许多多的技术壁垒,所以在如今在成为少数国家的专利。庆幸的是我国拥有非常成熟的雷达技术,相信在不远的未来相控阵雷达的技术将渐渐脱离军事,来到万千寻常百姓的家中,为我们的生活增添更多的便利。

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图片来源于网络,侵删


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