機載有源相控雷達

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機載有源相控雷達

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:22 am

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有源相控陣雷達21世紀機載雷達的革命07-01-11《航空知識》雜誌

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:23 am

  記者:您剛才講到,機載雷達目前發展的最高階段是相控陣雷達。什麼是相控陣?

  賁德:雷達在搜索目標時,需要不斷改變波束的方向。改變波束方向的傳統方法是轉動天線,使波束掃過一定的空域、地面或海面,稱為機械掃描。把天線做成一個平面,上面有規則地排列許多個輻射單元和接收單元,稱為陣元。利用電磁波的相干原理,通過電腦控制輸往天線各陣元電流相位的變化來改變波束的方向,同樣可進行掃描,稱為電掃描。接收單元將收到的雷達回波送入主機,完成雷達的搜索、跟蹤和測量任務。這就是相控陣技術。利用相控陣技術的雷達稱為相控陣雷達。由於改變電控移相器的相位可在瞬間完成,因而可實現在瞬間改變天線波束指向,這種無慣性的波束掃描,賦予相控陣雷達許多卓越的特性。與機械掃描雷達相比,相控陣雷達的天線無需轉動,波掃描更靈活,能跟蹤更多的目標,抗幹擾性能好,還能發現隱形目標。

  相控陣雷達分有源和無源兩種。有源相控陣是指在天線陣中每個天線單元下面都連接一個T/R元件,T/R元件中不僅有移相器,而且還包含有對射頻信號進行功率放大的功率放大器,對回波信號進行放大的低雜訊放大器(LNA)、可變衰減器、控制開關等。而無源相控陣雷達則是使用統一的發射機和接受器,外加具有相位控制能力的相控陣天線組成,天線本身不能產生雷達波。

  記者:目前國際上有一種說法,稱有源相控陣雷達的研製帶來了新世紀機載火控雷達的革命。您如何看待?

  賁德:這要從有源相控陣雷達的發展談起。自20世紀50年代末相控陣雷達問世以來,相控陣雷達技術在地面雷達和艦載雷達中得到廣泛應用。但遲遲未能在機載雷達中應用,這主要是受體積重量的限制及器件性能和成本的制約。

  美國早在1964年就開始了機載有源相控陣的研究工作,開展了微電子用於雷達(MERA)計畫,研製了一個604單元的有源陣列。一直到20世紀90年代,代表機載火控雷達發展方向的有源相控陣火控雷達APG-77才研製成功;在歐洲,英國、法國和德國在聯合研製機載多功能固態陣列雷達(AMSAR),將用於法國的“陣風”戰鬥機和歐洲聯合戰鬥機的研製計畫中;另外,日本、俄羅斯和以色列也都在研製機載有源相控陣火控雷達。

  記者:為什麼這麼多國家都紛紛投入到研製有源相控陣雷達的行列中來?它有哪些卓越的性能?

  賁德: 首先是它的射頻功率效率高。在機械掃描雷達中,發射機產生的射頻功率經饋線網路送到天線陣面輻射出去,收、發雙向產生的射頻損耗一般要有5分貝以上。在有源相控陣天線中,T/R元件緊挨著天線單元,T/R元件中的功率放大器和天線單元間的損耗及天線單元和T/R元件中的低雜訊放大器間的損耗可以忽略不計,這對提高雷達探測性能的作用是明顯的。

  其次,具有多功能性。由於相控陣天線波束控制的靈活性,使雷達能以時分割的方式實現多功能,可同時跟蹤多批目標,一部雷達可以達到幾部機械雷達的功能。它能邊掃描邊跟蹤(與機械掃描的TWS概念不同,搜索和跟蹤在時間上和空間上分別是獨立的),同時跟蹤多批目標。在完成空空功能的同時,還可實現空/地、信標等功能,這是機械掃描雷達無法做到的。

  第三,可提高探測和跟蹤能力。由於波束指向靈活可控,可以根據需要確定射頻能量在觀察空域中的分配,在有可能出現目標的方向上,集中能量,增大發現目標的距離。可根據目標的性質,決定波束在目標上的駐留時間,改善跟蹤穩定性。還可採用序列檢測的方法改善探測性能。

  第四,具有形成不同形狀波束的能力。因為相控陣天線口徑上的相位和幅度分佈是可控的,所以可以根據需要形成不同的波束,如針狀波束、寬波束、扇形波束和余割平方波束等。還可以實現自適應波束,在存在干擾的方向上,形成零點,以抑制有源幹擾,使雷達工作更有效。

  第五,具有極高的可靠性。在有源相控陣雷達中,去掉了可靠性差的大功率行波管發射機,取消了易出故障的機械旋轉部件,使雷達系統可靠性大幅度提高。更重要的是天線陣是多路並行工作,T/R元件非常可靠,即使個別元件出故障,對雷達系統性能的影響並不明顯,即具有故障弱化功能。就是60%的元件發生故障,雷達系統仍可保持高性能工作;30%的元件失效,雷達性能下降3分貝。諾斯洛普·格魯曼公司的工程師認為有源相控陣雷達能很好地有效運行數年。Raytheon公司認為APG-79雷達的嚴重故障間隔平均時間可超過15000小時,並聲稱其相控陣天線可能在10~20年內無需維護。

  第六,雷達隱身性能好。雷達具有較低的雷達截面積(RCS),起到隱身作用。原因是:天線以電掃描代替了機械掃描,去掉了對電磁波反射大的天線座及傳動裝置;相控陣天線在工作時不轉動,這有異於機械掃描天線面總是垂直於波束指向方向,因而降低了入射方向的電磁波的反射,致使RCS降低。相控陣雷達易於實現能量管理,再加上天線陣的低副瓣性能,因而,相控陣雷達具有低截獲概率和隱身能力。

  第七,相控陣天線可以分成子陣多路並行工作,為時空自適應信號處理提供了條件,因而能實現對地面慢速目標的監測。

  基於這些優點,所以我們可以說,有源相控陣雷達的研製標誌著機載火控雷達進入了新時代。

  記者:據瞭解,美國一直在研究有源相控陣雷達在未來戰爭中的作用,並且已經開始在新一代戰鬥機上安裝該系統,而其他國家這方面的有關報導還沒有看到。

  賁德:由於有源相控陣雷達具有機械掃描雷達不可比擬的優越性,技術上一旦突破,立即就會被多種戰鬥機所採用。目前,世界上只有美國將這一技術實用化。

  APG-77裝備F-22戰鬥機已投入使用,裝備F-35的APG-81正在進行飛行試驗,F-15C、F-16C/D和F/A-18E/F已從裝備機械掃描雷達升級為裝備有源相控陣雷達。

  美軍部分戰機火控雷達演變情況(紅色為有源相控陣雷達)
  70年代80年代90年代當前
  F-15C APG-63 APG-70 APG-63(V)2
  F-16C/D APG-68 APG-80
  F/A-18E/F APG-65 APG-73 APG-79
  F-22 APG-77
  F-35 APG-81

  採用有源相控陣火控雷達後,目標探測性能、目標容量、可靠性都大為提高。以F/A-18飛機的火控雷達為例,APG-79與APG-73相比,對空中目標的探測距離前者為後者的3倍,探測和跟蹤的目標數量為2倍,可靠性為5倍,而工作和維護成本僅為40%。

  記者:隨著技術的進步,未來對機載雷達的發展有哪些更高的要求?

  賁德:由於軍事上的需求,在第二次世界大戰中誕生了機載雷達,此後的技術進步又促進了機載雷達的高速發展。機載雷達的未來,當然也取決於需求牽引和技術推動。客觀要求使機載火控雷達面臨許多新的挑戰,隱身飛機的出現,要看的目標變小了;電子戰技術的不斷進步,使其所處的電磁環境更為複雜;如何使雷達更適合裝機要求;雷達如何更可靠等等,都對未來機載火控雷達提出了更高的要求。

  主要要求有:威力大,可先敵發現,掌握戰場主動權,能對付隱身目標;對空、地功能更完善;在戰爭環境下生存能力強;體積小、重量輕,適於不同平臺結構形式的安裝;更高的可靠性。

  記者:根據這些要求,機載火控雷達的技術發展趨勢有哪些?

  賁德:根據對機載火控雷達的高要求,未來的機載火控雷達要採用更多的先進技術。同時也應該看到,基礎工業的進步也為雷達性能的提高創造了條件。新材料、新器件、新工藝的出現將為研製出性能更優良的雷達發揮巨大作用。

  主要技術發展趨勢:1、共形天線技術。欲使雷達具有大的威力和高的角解析度,就需要大的天線。但大的天線在飛機上安裝又成了問題,機頭空間有限,背在機背上影響飛機的氣動性能。比較好的解決辦法是把天線和機身融合在一起,把天線潛入飛機蒙皮內,即所謂的“敏感蒙皮”,這是今後要研究的課題。

  2、雙/多基地工作方式。這是一種多機聯合工作方式,一架飛機提供射頻大功率照射,目標回波則由處於無源工作狀態的戰鬥機雷達所接收,這種工作方式的好處是有利於抗幹擾,避免反輻射導彈攻擊,更有意義的是這種工作方式有利於對隱身目標的探測。

  3、無源探測工作方式。雷達發射機不工作,由接收機接收目標的電磁輻射,測到的目標資訊與載機自身的運動軌跡參數進行資料處理,可獲得目標的座標參數及運動軌跡。

  4、時空自適應處理技術有效地從雜波和幹擾背景中提取有用的目標回波資訊。

  5、多功能共用孔徑天線。超寬頻陣列天線可使雷達、電子幹擾(ECM)、電子支援(ESM)、通信、導航等功能一起實現。

  6、光控技術。為了提高距離解析度,要求雷達信號帶寬不斷加大,當前X波段信號帶寬可達1吉赫茲(GHZ),對應的信號脈衝寬度為0.001微秒。此時,如果天線的口徑相對較大,在大角度掃描時,口徑的渡越時間可能大於信號脈寬,相控掃描技術受到限制。而要用延時掃描技術或稱即時掃描技術,需要用光纖做可控延遲線。另外,微波信號的傳輸和分配也可用光纖完成。

  7、寬禁帶半導體器件的應用。寬禁帶半導體材料由氮化鎵、碳化矽和鋁鎵氮組成,用這些材料做成的器件具有結溫高(可達600°C)、效率高(高達50%以上)、
極高的功率密度(比砷化鎵提高10倍)、高的擊穿電壓(可達50V)。對於雷達工程師,這些指標可謂是大喜訊,可大大減輕T/R元件和雷達系統設計上的壓力。

  8、微電子機械系統(MEMS)技術的應用。在相控陣天線中,MEMS可用於移相器和開關中,MEMS的優點是具有極寬的頻帶,插入損耗小、驅動功率小、成本低、重量輕,對改進相控陣天線的性能具有非常重要的意義。

  9、“瓦片”形式的T/R組件。從結構形狀上T/R元件可分為“磚頭”狀(長條形)和“瓦片”狀(薄片形)兩種。當前有源相控陣天線所用的T/R元件為長條形,而今後要發展共形陣,特別是要研製“敏感蒙皮”這樣的相控陣天線,薄片形的T/R元件將是關鍵技術。就是把薄片形的T/R組件用於通常的陣列,這會帶來減小體積和減輕重量的好處。要研製薄片形T/R元件,要涉及新工藝的採用和新的設計方法,會有諸多技術問題要解決。

  總的說,有源相控陣已成為成熟可用的技術,它具有機械掃描雷達不可比擬的優越性,是現代機載火控雷達的發展方向。隨著技術進步的推動和實際需求的牽引,有源相控陣機載火控雷達將會採用更多的新技術、新材料、新器件,雷達的性能也會提升到更高的水準。  責任編輯:寒蘭

http://jczs.news.sina.com.cn/p/2007-01-11/1508426179.html
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回復: 機載有源相控雷達

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:26 am

  國際線上報導:美國國防部國防科學委員會主席的一份關於發展美國軍用機雷達的建議報告中特別強調了有源相控陣技術可以極大地擴展雷達的功能和提高雷達的性能,21世紀美國的戰鬥機雷達、預警與監視飛機的雷達都應是AESA體制的。事實上,除了F-22和F-35等新一代戰機都毫無例外地裝備AESA雷達外,美國對第三代現役戰鬥機、轟炸機、預警和監視飛機的AESA改進都已列入計畫,並得到了相應的財政支持。業內一種普遍的觀點認為:從現在起再過十年,不掌握 AESA雷達製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領域進行廣泛的合作開發和 大量的資金投入。

  近50多年來,機載雷達不斷注入新的技術成果,性能大幅度提高。新技術是提高雷達探測能力的原動力。在單脈衝跟蹤體制未獲使用前,圓錐掃描體制的雷達很難對付敵方施放的角度欺騙干擾;沒有相參體制的脈衝多普勒雷達,就無法對付借著強大的地雜波掩護的低空入侵的飛機和導彈;沒有頻率捷變體制的雷 達,就很難同現代戰爭中廣泛採用的各種雜波干擾相抗衡。相控陣技術是近年來正在發展的新技術,它比單脈衝、脈衝多普勒等任何一種技術對雷達發展所帶來的影 響都要深刻和廣泛。進入上世紀80年代,機載相控陣雷達才初獲應用。先進的機載有源相控陣雷達是近期,即本世紀初才進入服役。AESA的成功應用是對傳統 機載雷達的一次革命,她極大地擴展了雷達的應用領域和提高了雷達的工作性能,進而提高和豐富了作戰飛機執行任務的能力和作戰模式。

  採用AESA技術的機載雷達將會至少在以下方面實現巨大的性能突破:

  ·雷達作用距離大幅度增長:由於AESA雷達T/R模組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模組內的射頻低雜訊放大器(LNA),這就有效地避免了干擾和雜訊疊加到有用信號上去,使得加到處理器的信號更為”純淨”,因此,AESA雷達微波 能量的饋電損耗較傳統機械掃描雷達大為減少。

  ·解決了可靠性的瓶頸問題:由於信號的發射和接收是由成百上千個獨立的收/發和輻射單元組成,因此少數單元失效對系統性能影響不大。試驗表 明,10%的單元失效時,對系統性能無顯著影響,不需立即維修;30%失效時,系統增益降低3分貝,仍可維持基本工作性能。這種”柔性降級” (graceful degradation)特性對作戰飛機是十分需要的。

  ·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完成一個以上的雷達功能。它可以用一部分T/R模組完成一種功能, 用另外的T/R模組完成其他功能;也可用時間分隔的方法交替用同一陣面完成多種功能。如雷達在進行地圖測繪(SAR/GMTI)、地物回避、地形跟隨、威脅回避的同時,還可實現對空中目標的搜索和跟蹤,並對其進行攻擊。由於AESA是由多個子陣組成,而每個子陣又是由多個T/R模組組成,因此,可以通過數 字式波束形成(DBF)技術、自適應波束控制技術和射頻功率管理等技術,使雷達的功能和性能得到極大的擴展,可以滿足各種條件下作戰的需要。並能因此而開 發出很多新的雷達功能和空戰戰術。

  ·隱身飛機和現代空戰需要相控陣雷達:隱身飛機配裝相控陣雷達(PESA 或者是AESA)幾乎是唯一的選擇。迄今為止還沒有出現使用機械掃描雷達的隱形飛機,也說明了這一點。低攔載概率(LPI)和低觀測特性(LO)是隱身飛 機能否實現隱身和順利完成作戰任務的關鍵。在當前極為嚴峻的電子干擾環境中,”LPI”,即機載雷達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。在攻擊有專用電子干擾飛機掩護的機群或單機時,強烈的電磁干擾將使傳統的雷達無法正常工作。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度的雷達信號,從而無法實施有效干擾。通過數位波束形成(DBF)技術,可以使主波束分離成兩個波束,使其零值對準敵方干擾源;若干擾源位於雷達旁瓣方向,則在該方向也可以形成零值,使敵方收不到雷達信號,從而無法實行有效干擾。AESA的自適應波束形成能力 是機載雷達在複雜的電磁環境中得以保持其作戰能力的重要因素。

  目前正在研製和開始裝備的有代表性的戰鬥機AESA雷達主要有:

  (1) F-22 機載雷達(AN/APG-77):人們常常問什麼是第四代戰鬥機F-22令人印象最深的特性?它在什麼領域具有最重要的技術突破?通常的回答是它的隱身和超音速巡航特性。但這些特性實際上在以前的戰鬥機上已經分別在F-117和SR-71上實現了。談不上突破。業內人士和F-22飛行員們則普遍認為F- 22最大的突破是它的航空電子系統實現了更高程度的綜合,AESA雷達首次在戰鬥機上採用。它使飛機具有更為銳利的眼睛,更為豐富的作戰功能。對戰鬥機目 標的作用距離超過200km。可以實現”先敵發現、先敵發射、先敵命中”。F-22雷達可以進行脈間變頻、快速掃描,敵方很難檢測和定位。同時還可以用時 分的方法進行電子情報搜集、實施干擾、監視或通信。這些是以前戰鬥機雷達所無法實現的。下圖為F-22的雷達AESA陣面照片。

  F-22雷達採用AESA體制,它由美國諾·格公司(Northrop Grumman Corp)和雷神公司(Raytheon Systems Company)共同研製。該雷達將用於21世紀初在美國空軍服役的F-22先進戰術戰鬥機,目前F-22是世界最先進的戰鬥機。F-22能在多種威脅環 境下,以低可觀測性、高機動性和高靈活性對超視距敵機進行攻擊,也能進行近距格鬥空戰。1998年4月,諾·格公司已交付第一套APG-77雷達硬體和軟件給波音飛機公司F-22航空電子綜合實驗室,對F-22的航空電子設備進行系統綜合測試和鑒定試驗。作為APG-77計畫的工程發展(EMD)階段的首 批11部雷達已交付給諾·格公司馬里蘭州測試實驗室進行系統級綜合與測試。全尺寸雷達自1999年開始生產,預計到2004年11月具備初步作戰能力 (IOC),2005年開始服役。

  AN/APG-77雷達是一部典型的多功能和多工作方式的雷達,其主要的功能有:
  ● 遠距搜索(RS)
  ● 遠距提示區搜索(cued search)
  ● 全向中距搜索(速度距離搜索)(velocity range search)
  ● 單目標和多目標跟蹤
  ● AMRAAM數傳方式(向先進中距空對空導彈發送制導修正指令)
  ● 目標識別(ID)
  ● 群目標分離(入侵判斷)(RA)
  ● 氣象探測

  雷達可能擴展的功能有:
  ● 空/地合成孔徑雷達(SAR)地圖測繪
  ● 改進的目標識別
  ● 擴大工作區(通過設置旁陣實現)

  (1) F-35(JSF)機載雷達(AN/APG-81):2000年,美國國防部JSF項目辦公室授予諾·格公司4200萬美元合同為JSF 設計、開發和試飛AESA雷達,它是多功能綜合射頻系統/多功能陣(MIRFS/MFA)計畫的一部分。雷達系統採用最先進的AESA天線、高性能的接收機/激勵器、商用的處理機(貨架產品)。由於採用了最新的技術成果,大量減少了元器件和內部連接器數目,所以JSF雷達的成本和重量都較其前輩(F-22 雷達)有大幅度地降低,重量和價格降低了約3/5,製造和維修也比較簡單。MIRFS/MFS 計畫要求T/R模組能夠實現全自動化生產;可靠性比傳統的機械掃描雷達提高一個數量級;後勤保障和全壽命費用降低50%。APG-81採用開放式結構,為將來性能增長提供極大空間。JSF的AESA雷達設計的一條重要原則是必須滿足JSF對隱身特性的要求。同時強調必須滿足軍方提出對JSF的”四性”要 求,即:經濟承受性、致命性、生存性和保障性。

  (3) F/A-18E/F 雷達AESA改進型(AN/APG-79)

  F-18D/C/E/F原來配裝雷達APG-65/73,其AESA改進型編號為APG-79。該雷達仍由APG-65/73雷達的製造商雷神公司研製。APG-79採用先進的AESA體制,於2003年7月30日在美國中國湖 (China Lake)海空作戰中心配裝在F/A-18上進行成功首飛。新雷達可以同現有F/A-18機載武器相匹配,同時,設計留有日後充分擴展的餘地。APG- 79 AESA雷達極大地降低了載機的雷達可觀測性,即提高了飛機的隱身特性。雷達的可靠性和維護性也得到了根本的改善。雷神公司將于2005年向波音正式交付裝機的APG-79雷達。APG-79 AESA雷達具有下述功能和特點:

  空對空:
  ·攻擊遠距目標
  ·通過資源管理器減輕飛行員工作負荷

  空對面:
  ·防區外遠距高解析度地圖測繪
  ·同時具有多工作方式工作能力

  可靠性和成本:
  ·系統可靠性增加5倍
  ·自檢系統可以把故障隔離到外場可更換模組(LRM)
  ·通過T/R模組的特殊設計實現系統”完美”降級
  ·運營成本大幅度降低

  裝備F/A-18E/F的3部AESA雷達系統於2004年6月份開始在中國湖的海空作戰中心進行新一輪的試驗,並通知試飛小組制定一個有特 種作戰部隊、埃格林空軍基地等單位參與的試驗計畫。還要求演示試驗飛機和指揮船之間的通信鏈路,研究F/A-18E/F和EA-18G可以向指揮船提供什麼資訊。海軍已經建立了一個工作小組,目前要做的是同空軍的F-15和JSF方面的人員接觸,深入討論聯合試驗和性能鑒定等問題以及建立一個工作小組評審 有關標準、結構和規約。美國海軍和空軍目前都在研究AESA究竟能為未來戰爭帶來一些什麼變化和收益?他們正在尋求幾個關鍵問題的答案:

  ·目前,AESA雷達的作用距離已經是傳統機械掃描雷達的一倍,可供選用的雷達功能已極大地豐富,這樣我們可以創造一些什麼新的戰術?
  ·一個雙機或4機編隊怎樣分工完成空對空和空對地的攻擊任務?
  ·如何由一架裝有AESA的戰機引領一批沒有裝載AESA的普通戰鬥機提高他們的戰鬥能力?

  (4) F-16(UAE)雷達AESA改進型(AN/APG-80):

  F-16原來配裝APG-66/68,APG-80為其AESA改型,仍由諾·格公司研製。該公司還同時為F-16UAE研製電子戰系統。F -16UAE是為阿聯酋研製的F-16第60批產品,計畫生產80架。

2004年到2007年完成交付。由於諾·格公司在此期間幾乎同時得到了F-22和 F-35的配套雷達研製合同,因此大部分AESA技術和模組都可以移植到APG-80中來。這使其研製週期可以大為縮短。預計2004年7月,雷達可以交 付到飛機承包商洛·馬公司進行雷達的驗收試驗。APG-80雷達具有先進的對空和對地兩種工作模式,這也是採用諾·格公司第4代發射/接收機模組化技術的 第一種產品。APG-80可以連續搜索和跟蹤出現在它掃描範圍內的多個目標。此外飛行員還可以同時進行空對空的搜索與跟蹤、空對地的目標瞄準以及地形匹配飛行。

  新的波束捷變技術帶來了雷達能力的巨大增長,擴展了飛行員對態勢的感知能力,使雷達對目標探測距離更遠,並具有高清晰度合成孔徑雷達成像能力。雷達的可靠性也比傳統的機械掃描雷達高數倍。

  (5) F-15改進型雷達(AN/APG-63V2)

  F-15原來配裝AGP-63/70,APG-63V2為其改進型,採用有源相控陣體制。雷神公司已完成向波音飛機公司的最後18架F- 15C的APG-63(V)2 AESA雷達的交付。這是世界上首次進入空軍服役的戰鬥機AESA雷達。該雷達消除了原來F-15雷達笨重的液壓天線驅動系統,雷達的快速掃描和多目標跟 蹤能力都得到了數量級的增長。提高了飛行員對戰場環境的認知能力。該型雷達能夠同現有的飛機武器系統很好地相容。由於作用距離的增加,使得增程的AIM- 120的性能得到充分的發揮,並能在更大的視場範圍內(方位和俯仰)制導多枚空對空導彈,同時攻擊多個目標,包括雷達截面積很小的隱身目標,如巡航導彈等。

http://zhidao.baidu.com/question/178060.html
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法國陣風戰機在歐洲率先裝備有源相控陣雷達

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:27 am

英國《飛行國際》2007年6月19日報導  法國”陣風”戰鬥機是歐洲第一種裝備電子掃描雷達(RBE2 PESA雷達)的戰鬥機,2011年,”陣風”戰鬥機將裝備RBE2 AESA(有源相控陣)雷達。

  RBE2 PESA(無源相控陣)雷達能夠同時提供空空和空地工作模式,省去了機械掃描雷達的液壓驅動系統,並具備更高的可維護性和可靠性,但也存在探測距離不夠 遠,且只能提供單一波束的缺點。此外,法國方面認為RBE2 PESA雷達影響了”陣風”戰鬥機的外銷市場。最重要的是,RBE2 PESA雷達無法充分發揮”流星”(Meteor)超視距空對空導彈的威力。

  基於上述原因,法國計畫為”陣風”戰鬥機換裝RBE2 AESA雷達,新雷達提供更遠的探測和跟蹤距離以及更強的態勢感知和ECCM(電子反干擾)性能。此外,由於裝備大量T/R模組,AESA雷達還具備”柔性降級”特徵,大幅提高了雷達系統的任務可靠性。

  RBE2 AESA雷達採用”即插即用”(plug-and-play)的設計理念,最大限度地使用了RBE2 PESA雷達的硬體和軟體。達索公司稱,所有”陣風”戰鬥機均可換裝RBE2 AESA雷達。

  RBE2 AESA雷達的原型機於2002年12月完成首飛,2003年5月在”陣風”戰鬥機上完成首飛。生產型RBE2 AESA雷達將於2008年首飛,2011年正式交付。(許鑫家 責編洪山)

http://mil.news.sina.com.cn/2007-06-22/0949450932.html
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薩伯公司計畫為鷹獅戰機加裝有源相控陣雷達

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:27 am

英國《飛行國際》2007年6月19日報導  薩伯公司計畫為JAS39”鷹獅”(Gripen)戰鬥機裝備AESA(有源相控陣)雷達,安裝工作最快將在2010年的中期升級期間進行。

  薩伯愛立信公司的NORA(不僅僅是雷達)項目為”鷹獅”戰鬥機研製了AESA雷達,NORA項目已進行多年,大幅提高了雷達的遠距離跟蹤性能。

  裝備AESA雷達是新一代”鷹獅”戰鬥機(用戶包括挪威空軍和丹麥空軍)的顯著特徵,PS-05/A雷達的AESA型別能夠在120千米距離內跟蹤空中目標,並提供了多種工作模式。

  根據計畫,薩伯微波系統公司、Elettronica公司以及Selex Sistemi Integrati公司還將聯合啟動多用途有源電子掃描天線(M-AESA)專案,以進一步開發AESA雷達的潛能,並著重增強AESA雷達對小型目標的 探測、跟蹤和識別性能。(許鑫家 責編洪山)

http://mil.news.sina.com.cn/2007-06-22/0954450934.html
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北國雄鷹的利眼─俄國戰機空用雷達的發展與簡介

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:30 am

作者:孔德兟,全球防衛誌 251 期(2005年7月)

  Zhuk/N010雷達

Zhuk(甲蟲)雷達為一種多模式脈衝都普勒雷達,由Phazotron NIIR設計局針對MiG-29M所研發,於1987年發展完成裝在一架MiG-29上測試,為俄國的第一部可程式化的多模式雷達,能藉由新增軟體程式來擴充其功能,此雷達的衍生型眾多,可說是目前俄國衍生型最多、最重要的雷達系統。Zhuk雷達總重250公斤,採用一個機械掃描的平面陣列天線,天線直徑680公厘,垂直方向的掃描範圍為-40~+60度,水平方向則為±90度,工作波段為X頻,峰值功率5kw,平均功率1kw。

Zhuk雷達的對空模式有速率搜索(Velocity search)、搜索暨測距(Range-While-Search)、掃描暨追蹤(Track-While-Scan)、單一目標追蹤(Single Target Tracking)、纏鬥模式(Close combat modes)、威脅評估模式(Raid assessment)和對抗懸翔狀態直升機的模式(Engagement of hovering helicopters)。其中速率掃描是利用都普勒效應,對迎頭快速接近的遠距目標提供早期的預警,可發揮雷達最大的偵測距離,但無法精確測距與追蹤;搜索暨測距模式是利用高脈衝重複頻率來獲得目標的距離與航向資料,但無法解算射擊參數以提供武器的射控的能力,但可提供飛行員對前半球的狀況掌握能力,此模式對戰機等級目標的偵測距離為80~85公里;掃描暨追蹤模式可追蹤10個目標並同時打擊其中4個,可發揮視距外多目標的同時接戰能力;纏鬥模式下還包括HUD模式、離軸射擊模式、俯仰方位掃描與水平方位掃描等子模式,HUD模式可讓雷達天線的指向保持與HUD的視線相同,離軸射擊模式則可配合R-73飛彈的離軸射擊,飛行員可視當時的狀況選擇最適當的掃描模式;威脅評估模式利用DBS都普勒銳化技術,加強對方位角的解析度以解析出刻意採密集編隊的一群飛機(在一般模式下,雷達螢幕只會顯示一個大光點讓人誤以為是一個大型的空中目標)。

Zhuk雷達的對地模式則有真實波束地形測繪(Real beam mapping)、都普勒銳化地面繪圖(Doppler Beam Sharpening)、合成孔徑地面繪圖(Synthetic Aperture Radar)、移動目標指示(Moving target indication)、地面多目標追蹤(Multiple target tracking)、地圖凍結與放大(Map freeze and zoom)、無導引空對地武器的盲目轟炸(blind bombing)、海上目標監視(Sea surface surveillance)與地貌追沿(Terrain- following)等功能,功能相當完備而強大,性能毫不遜於西方同等級的雷達。Zhuk雷達另有多種衍生型,分別下所述。

Zhuk-8Ⅱ雷達是俄國為中共的J-8Ⅱ戰機所發展的降級外銷版Zhuk雷達。當時原定預定配備於J-8Ⅱ戰機的美製AN/APG-66由於發生天安門事件而遭美方禁運,於是中共轉向俄國求助,而促成此款雷達的誕生。Zhuk-8Ⅱ雷達的性能略遜於Zhuk,對戰機類目標的偵測距離降為70公里,掃描同時追蹤模式模式只能同時追蹤4個目標並攻擊其中1個,垂直方向的掃描範圍降為-40~+55度,水平方向則為±80度,雷達總重小幅降為240公斤,目前已在解放軍服役。

Zhuk-27是供Su-27系列戰機使用的新雷達,曾用於1995年推出的Su-27多重任務改良型的Su-27SMK原型機上,雷達換用了一個直徑更大的平面陣列先線,天線增益更高因而具備更長的搜索距離,可在130公里外偵測到戰機類的目標並於90公里處追蹤,但雷達重量也增至275公斤,雷達的水平方向掃描範圍則略減為±85度。

Zhuk-M是Zhuk雷達的改良版,天線直徑減為624公厘,天線增益34.5db,並以Baget系列資料處理器取代較慢的Ts101,具備更遠的偵測距離與更高的地面繪圖解析度,RWS模式下對戰機類目標的偵測距離增為130公里,俯視的偵測距離達120公里,TWS模式下可同時追蹤與打擊的目標數各增為20個與4個,同時也增加了Kh-31A及Kh-35反艦飛彈的發射介面,雷達重量250公斤,峰值功率6kw,平均功率1.5kw,平均故障間隔為200小時。此雷達目前已被MiG-29戰機的海軍版MiG-29K採用,Zhuk-ME則為Zhuk-M的外銷型。

Zhemchoug(珍珠)雷達衍生自Zhuk-M,為Zhuk-M的降級外銷版,基本性能略遜於Zhuk-M,乃NIIR設計局針對中共J-10戰機量身打造的雷達系統。Zhemchoug雷達的主要結構與Zhuk-M相當,但配備較陽春使雷達總重量降至180公斤,IFF天線改用中共製4具偶極天線附加在雷達天線上,此特徵為Zhemchoug雷達在外觀上與Zhuk-M雷達的最大不同之處。由於性能上的降級,Zhemchoug雷達對戰機類目標的偵測距離降為80公里。

RP-35雷達是針對MiG-29的大幅改良型MiG-35計畫所發展的高性能多模式脈衝都普勒雷達,基本架構與Zhuk-M相同,但原有機械掃描平面陣列天線被全新設計的被動相位陣列天線取代。新型被動相位陣列天線直徑800公厘,天線增益更高,故偵測距離較Zhuk-M更遠,對戰機類目標的偵測距離增為140公里,能同時追蹤的目標數也由20個增至24個,因少了機械掃描的驅動裝置,雷達總重降至220公斤。

Zhuk-MS為設計用來供Su-27系列所使用的Zhuk-M雷達,基本架構與Zhuk-M相同,但換用直徑更大的天線,天線直徑960公厘,具有37db的增益,雷達輸出的峰值功率與平均功率各增至6kw與1.5kw,偵測距離較原本的Zhuk-M雷達更長,對戰機類目標的偵測距離增為140公里,在2004年的測試中遠在200公里外便偵測到迎面而來的Su-27。對地模式方面則增加了一個地貌追沿的模式,SAR地面繪圖模式的解析度也增至3公尺,此雷達目前正裝在Su-27KUB上測試。

Zhuk-MSF/Sokol(隼)式雷達是Zhuk系列的最新改良型,也是NIIR公司目前最先進的空用雷達產品。Sokol雷達採用一具NIIR公司專利的非等距陣列被動相位陣列天線,此專利的非等距陣列技術能以較少的半導體移相器陣列數達到與傳統線性陣列相同的效果,進而可以在不減損性能的狀態下減低重量及成本。雷達天線直徑960公厘, 天線增益37db,雷達波束的掃描範圍在垂直軸與水平軸皆為±70度,雷達總重250公斤,峰值功率8kw,平均功率2~3kw。此雷達具有相當敏捷的頻率截變抗干擾技術,ECCM能力極強,難以被干擾。

雷達波的發射採先進的LPI(Low Probability of Intercept)低截獲概率技術,可大幅降低我方發射出的雷達波被敵方ESM系統和機載RWR雷達威脅警告器偵知的機率,進而降低被反制與干擾的機會,為俄國第一款具備LPI技術的匿蹤機載雷達。Sokol雷達的對空模式有速率掃描、搜索同時測距、掃描同時追蹤、單一目標追蹤、纏鬥模式、威脅評估模式和對抗懸翔狀態直升機的模式等,速率掃描模式對大型空中目標的偵測距離為300公里,對戰機類目標的偵測距離長達245公里,搜索同時測距模式的偵測距離長達180~190公里,掃描同時追蹤模式對戰機類目標的偵測距離則為150公里,可追蹤24個並同時打擊其中8個目標,多目標接戰能力為目前俄製機載雷達的箇中翹楚。對地模式則與Zhuk-M雷達相同,但具備更高的解析度。Sokol雷達或是換裝主動相位陣列天線的主動版Sokol雷達未來可能配備於發展中的俄國第五代戰機PAK-FA(原本的計畫名稱為LFS)上。

  Kopyo

Kopyo(矛)雷達由Phazotron NIIR設計局自行出資發展,為Zhuk雷達的輕量版,是一種專供輕型攻擊機與教練機使用的輕型雷達系統,也用在MiG-21的中壽期改良型MiG-21-93上,使MiG-21-93具有發射R-77飛彈打擊視距外目標的能力,目前印度空軍已有部分MiG-21戰機接受此改良,並改稱為MiG-21 Bison服役中,越南與敘利亞對MiG-21-93亦深表興趣,有可能成為下個客戶。Kopyo雷達為一種多模式脈衝都普勒雷達,重量僅120公斤,使用一個直徑500公厘的機械掃描平面陣列天線,雷達天線水平方位的搜索角為±40度,天線增益29db,雷達峰值功率5kw,平均功率1kw,平均故障間隔120小時,資料處理採數位式Ts175型資料處理器。

Kopyo雷達對空模式包括搜索暨測距、掃描暨追蹤、單一目標追蹤、纏鬥模式等。在掃描暨追蹤模式可追蹤8個並同時打擊其中2個目標,單一目標追蹤模式對戰機類目標的偵測距離為57公里,追蹤距離則為45公里。纏鬥模式則包括有HUD模式、離軸射擊模式、俯仰方位掃描與水平方位掃描等子模式。對地模式有真實波束地形測繪、地圖凍結模式、都普勒銳化地面繪圖、合成孔徑地面繪圖與海上目標搜索模式(合成孔徑地面繪圖模式可提供10公尺X5公尺的解析度),海上目標搜索模式尚具備發射Kh-31A超音速反艦飛彈攻擊海上目標的能力。Kopyo雷達有莢艙式的Kopyo-25衍生型,可掛載於Su-25TM(Su-39)的機腹下。Komar(蚋)式雷達則是Kopyo的衍生型,用於Su-17/20/22系列攻擊機的改良,基本性能同於Kopyo雷達,但雷達波束水平方位的搜索角增為±60度。

Kopyo-M雷達為Kopyo雷達的第一種改良型,以性能更佳的Ts501F可程式化數位資料處理器取代原本的Ts175型,由於訊號處理能力的提升使其對戰鬥機類目標的偵測距離與追蹤距離分別提升為75公里與56公里,掃描同時追蹤模式下可同時追蹤10~12個目標並同時攻擊其中4個,多目標對抗能力亦更為精進,合成孔徑地面繪圖的解析度則提升為3公尺X3公尺,同時也由於電子元件製造技術的提升使雷達總重降為90公斤,平均故障間隔則增加為200小時。

Kopyo雷達的最新改良型為Kopyo-F,又稱Pharaon(警察)雷達,換用了一具NIIR公司專利的非等距陣列被動相位陣列天線,天線直徑440公厘,天線增益28db,工作於X頻,雷達的平均故障間隔為200小時,雷達波束的水平掃描範圍±70度,採用一串聯式行波管發射機,峰值功率達3kw,平均功率0.3kw,對空模式時對戰機類目標的偵測距離增為75公里,TWS模式可追20打4,海上目標搜索模式可在200公里外發現驅逐艦等級的目標,100公里外發現飛彈快艇類的目標,地面繪圖解析度也更高,但重量卻減至75公斤。由於體積小重量輕,可裝在Su-34/35/37系列戰機的尾衍內當做後視雷達,目前Su-34戰鬥轟炸機即配備此款後視雷達。

  N011M/Bars

N011M Bars(雪豹)雷達由Tikhomirov NIIP公司所研製,為一種先進的多模式脈衝都普勒雷達,基本的架構由N011改良而來,換裝了一面圓型的被動相位陣列天線,雷達天線直徑1公尺、重110公斤,天線增益36db,波束寬度2.4度,水平方向的最大掃描範圍為±90度(60度的電子掃描角加30度的機械掃描角);垂直方向則為±60度,此種混合機械掃描與電子掃描的獨特設計除可增加掃描範圍外,天線不用時還可傾斜一角度收折,減少正面的RCS。

運作時天線能交錯發射出12種不同波型的雷達波偵測目標,使敵機的RWR系統無法判明其真正的意圖,大幅增加反制的難度,且此天線還有混合機械掃描與電子掃描的獨特設計,除可增加掃描範圍外,天線不用時還可傾斜一角度收折,減少正面的雷達截面積。此雷達另有一特殊之處乃在於可使用兩個不同的波段操作,分別為高頻的X頻和低頻的L頻,一般常規模式使用X頻,有特殊需要時可轉換至L頻,L頻雖然解析度低,但能在較遠的距離偵測到匿蹤目標,可提早預警,此乃針對美國的匿蹤戰機所特別設計的功能。N011M的雷達波發信機為一峰值功率5kw的行波管,平均功率1.2kw,雷達的資料處理器為Ts200型CPU,工作時脈28MHz,但執行傅立葉轉換時能進入"butterfly"模式以75Mhz的時脈短時間運作,資料處理器另包含16M的RAM和16M的ROM,雷達的總重量為650公斤。

此雷達的空對空模式包括速率掃描、搜索同時測距、單一目標追蹤、掃描同時追蹤、速率掃描同時追蹤、威脅評估、纏鬥和追蹤干擾源等模式。速率掃描模式經測試可在330公里處便捕捉到迎面而來的Su-27,偵測距離相當遠;搜索同時測距模式對戰機類目標的偵測距離為120~140公里;掃描暨追蹤模式則可同時追蹤15個目標並打擊其中4個;速率掃描暨追蹤模式能在同時精確追蹤4個目標之餘,維持速率掃描功能以保持對前半球的警戒;另外還有一個先進的目標識別模式,目標識別模式主要是以NCTR(Non-Cooperative Target Recognition)非協同目標辨識技術分析目標進氣口壓縮機正面扇葉的轉速和扇葉數及目標外型的雷達跡訊特徵來與內建的資料庫做比對而直接辨認出目標的型式,理想狀況下可於1秒的時間內辨認出5個空中目標的型式,大幅增進了敵我識別的能力並降低對敵我識別器的依賴,此技術目前世上也只有少數先進雷達才具備,可見N011M雷達技術的先進程度,N011M雷達也是俄國第一種具備NCTR技術的雷達。

N011M雷達的對地模式包含真實波束地形測繪、合成孔徑地面繪圖、都普勒銳化地面繪圖、地面移動目標指示、地面目標追蹤暨測距和海上目標搜索與監視、海上目標辨識等功能,另有一個混合模式,靠相位陣列天線的快速波束指向能力,能同時追蹤地面與空中目標,在攻擊地面目標的同時能攻擊一個視距外空中目標。此雷達已在印度空軍Su-30MKI服役,為現役的俄系戰機中最先進的雷達系統。印度並進一步改良N011M雷達,用自製的1960資料處理器取代原有俄製Ts200型資料處理器,增加N011M雷達的運算與處理能力,於2003年裝在1架Su-30MKI測試,2004年已完成測試,之後印度空軍Su-30MKI將配備升級後的N011M雷達。

  N014

N014雷達是由Tikhomirov NIIP公司針對俄國第五代戰機MFI所研製的一種高性能多模式脈衝都普勒雷達,採用被動相位陣列天線。此雷達始終披著一層神秘的面紗,已公開的資料極少,因此難以了解其詳細的性能與規格,只知其主要的性能是能在420公里外偵測到大型空中目標,可同時追蹤的目標數為40個,據說其部分技術乃來自N011M雷達。
N011M雷達另有一衍生型Bars-29(雪豹-29)雷達,可視為輕量版的N011M雷達,專供MiG-29系列戰機使用。為適應MiG-29較小的機鼻空間,Bars-29雷達改用一具直徑較小的被動相位陣列天線,掃描角度範圍與N011M雷達稍有不同,其水平方向的最大掃描範圍為±75度(40度電子掃描角加35度機械掃描角),垂直方向的掃描範圍為±40度,雷達的平均功率也降為1kw。因天線直徑與發射功率的降低,雷達偵測距離略有縮短,搜索暨測距模式對戰機類目標的偵測距離降為100~120公里,鎖定距離降為85公里,可用的操作模式則與原本的N011M雷達相同,雷達的總重量大幅降為250公斤。

  結語

以上林林種種的介紹了各型俄國戰機的空用雷達系統的一些基本性能與發展史,相信讀者們看完後對俄國的機載雷達有更進一步的認識,也更加了解正日益精進中的俄國雷達科技。不過未來戰機的主流雷達系統將是AESA(Active Electronically Scanned Array Radar)主動電子掃描陣列雷達(或稱主動相位陣列雷達)的天下,如日本F-2的J/APG-1雷達、美國F-22的AN/APG-77雷達、F-35的AN/APG-81雷達、F-15C改良計畫用的AN/APG-63(V)2雷達乃至於F-16C/D block60(F-16E/F)的AN/APG-80雷達、F/A-18E/F的AN/APG-79雷達等,歐洲國家EF-2000、颶風(Rafale)、JAS-39戰機的後續改良計畫,將分別使用AMSAR、RBE-2和Nora主動相位陣列雷達。

主動相位陣列天線由許多可獨立收發電磁波的T/R模組(Transmit/Receive modules)構成,拜高達微秒等級的快速波束指向能力與不同陣列間的分工合作之賜AESA雷達具有同時多工的能力,其雷達波束可同時指向不同的方位使之能同時兼顧各個方位的掃描,也可同時運作於多種不同的對空與對地模式下,就好比戰機同時配備了多部傳統雷達般,其運用的彈性與功能的強大遠非傳統雷達可比。俄國目前在這方面的發展落後於西方先進國家,但NIIR公司在2003年的莫斯科航展曾展出一具主動相位陣列天線,俄國對主動相位陣列雷達並不稱為AESA而是稱作APAR(Active Phased Array Radar),不過代表的是同一種東西。據NIIR公司總工程師指出,發展APAR雷達過程所遭遇到的困難是資金而非技術,近幾年來隨著國際原油價格的水漲船高,俄國經濟正持續復甦中,相信在不久的將來可以看到配備著APAR雷達的俄國新一代戰機守衛著俄羅斯的領空。

http://www.diic.com.tw/mag/mag251/9407-68.htm
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從本屆莫斯科航空展看俄羅斯空用雷達的最新發展現況

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:31 am

作者:孔德兟,全球防衛誌 254 期(2005年10月)

兩年一度的莫斯科航空展向來是觀察俄羅斯航太科技發展的重要管道,本屆(第七屆)於8月16~21日假莫斯科市郊的祖可夫斯基市(Zhukovsky)舉行,此次航展出除了在地的俄羅斯廠商外也吸引了眾多歐美各國的軍火商來參與此一盛會,參展的國家與廠商數分別高達40國654家,參觀的人數突破65萬人次,展出的規模為歷屆莫斯科航空展之最,規模直逼上個月剛落幕的巴黎航展,本屆莫斯科航空展的成功更加確立了莫斯科航空展在國際航展中的地位。此次莫斯科航空展展出的新裝備不少,本文所要介紹的新一代主/被動機載空用相位陣列雷達系統。

   Epolet-A雷達天線

在前作中,筆者曾經提及俄國正積極發展主動相位陣列雷達科技,第五代戰機PAK-FA的先進雷達系統作準備,其研發工作目前已經有了成果,NIIP公司於本屆莫斯科航空展的攤位上展出了一具實體的主動相位陣列雷達天線。

這具主動相位陣列雷達天線並非一部完整的雷達系統,而是主動相位陣列天線的技術展示體,此技術展示天線的名稱為Epolet-A,由8個採砷化鎵(GaAs)半導體材料製成的單晶微波積體電路(MMIC)T/R模組(Transmit / Receive modules)所構成,工作頻率為X頻,每個單片微波積體電路T/R模組的功率為10W,雷達波束掃描範圍達110度(原廠的資料中並未指明是垂直或水平方位,可能是兩者皆是),俄國下一代戰機的AESA(主動電子掃描陣列或稱主動相位陣列)雷達可能將以此為基礎由更多的T/R模組構成。

目前Epolet-A AESA天線每個T/R模組的成本據說約在500~800美元之間,低於歐美國家的製品,未來量產後還可望進一步降低。雖然此技術展示天線尚不構成一部完整的雷達系統,不過由此可以得知俄國目前已掌握了製造主動相位陣列雷達的關鍵技術,成為世上繼美、日、英、法、瑞典等國之後少數具備獨立研製AESA雷達的能力之國家,正式晉升為AESA俱樂部的一員,讓人不得不對俄國的電子科技刮目相看,傳統上俄國電子技術落後的刻板印象實有破除的必要,試問當今世上有幾國能獨立研製AESA雷達?

  FGM-29雷達

除了NIIP展出主動相位陣列雷達天線外,其對手NIIR公司也不干示弱,此次航展也展出兩種全新的雷達系統,分別為Kopyo(矛)式雷達的主動相位陣列版Kopyo-D和以Zhuk(甲蟲)雷達為基礎進一步研發的FGM-29被動相位陣列雷達。筆者必須先闡明,"FGM-29"並非Zhuk雷達新衍生型雷達的正式型號,而是一個代號,因此雷達尚未正式定型量產,目前還無法確認其正式的型號。FGM-29雷達為Zhuk系列雷達的最新衍生型,研發的目的是為改良MiG-29系列戰機提供一款高性能的空用雷達系統,目前NIIR公司正努力向印度推銷此款雷達系統,希望能配備在印度海軍所訂購的MiG-29K艦載機上,因為實在不敢奢望缺少銀兩的俄羅斯空軍會買來升級MiG-29。

根據原廠在展場公佈的資料,FGM-29雷達為一款多模式的脈衝都卜勒雷達,雷達總重285公斤,採用一面具有頃角(可降低正面的RCS)的被動相位陣列天線,天線直徑700公厘,水平與垂直方面的掃描範圍皆為正負70度,雷達的工作頻率為X波段,峰值功率6KW(千瓦),平均功率1.2KW,平均故障間隔(MTBF)大幅提升為900個小時,已高於歐美同級雷達的水準,可見俄製雷達品質已有不少地提升。FGM-29雷達具有多種不同的對空/對地/對海操作模式,對空模式包含速率掃描(Velocity search)、單一目標追蹤(Single target tracking)、掃描同時追蹤(Track while scan)、搜索同時測距(Range while search)、近接纏鬥(Close combat modes)、懸翔狀態直昇機之偵測與接戰(Detection and engagement of hovering helicopters)、威脅評估(Raid assessment)、目標鑑別(Recognition of targets)等模式。

在上述操作模式中,單一目標追蹤模式下對一般戰機等級目標的迎頭最大偵測距離達200公里,尾追的大偵測距離達80公里;掃描同時追蹤模式可同時追蹤高達30個目標並同時接戰其中的8個目標,多目標接戰能力十分優異;目標鑑別模式是以非協同目標辨識(NCTR)技術分析目標的雷達跡訊特徵來鑑別目標的類型;近接纏鬥模式下則包含垂直方位掃描、HUD視野連動、頭盔瞄準器視野連動、正軸(Bore sight)等子模式,飛行員可依當時的狀況選取最佳的模式。對地/對海模式則包含真實波束地形測繪(Real beam mapping)、都卜勒銳化地面繪圖(Doppler beam sharpening)、合成孔徑地面繪圖(Synthetic aperture radar)、地圖凍結與放大(Map freeze and scale expansion)、空對地測距(Air to ground ranging)、移動目標指示(Moving target indication)、地面多目標追蹤(Multiple ground targets tracking)、載台速率量測(Carrier velocity measurement)、地貌追沿(Terrain following)、海面搜索與監視(Sea surface search and surveillance)等模式,拜相位陣列天線的快速波束指向能力之賜,使FGM-29雷達能幾乎同時運作對空與對地模式。

FGM-29以對地模式運作時,對雷達截面積1,000平方公尺的地面目標偵測距離達300公里;合成孔徑地面繪圖則提供300×300公尺、30×30公尺與1×1公尺三種等級的解析度,最佳的1×1m解析度已達世界先進水平,與歐美較先進的空用雷達相當。在支援的武器系統方面,FGM-29雷達可支援多款俄製空對空、空對地與反艦飛彈,如R-27全系列、R-73全系列和R-77全系列空對空飛彈,空對地武器有Kh-29T電視導引空對地飛彈、Kh-31A超音速與Kh-35U次音速反艦飛彈、各式無導引空射火箭、傳統炸彈等,使配備此雷達的戰機具備執行對空/對地/對海的多重任務之作戰能力。未來FGM-29雷達亦計畫要進一步發展為AESA雷達,由此可以預見Zhuk雷達族系還會繼續繁衍壯大。

   Kopyo-D型雷達

NIIR公司展出的另一款新雷達為Kopyo-D雷達,此雷達是Kopyo系列的最新衍生型,由Kopyo-F被動相位陣列雷達進一步發展而來,換用一面直徑相仿的主動相位陣列天線,天線表面並佈滿敵我識別答詢用的偶極寄生天線。此雷達的性能大幅精進,不論在偵測距離、解析度、多目標對抗能力與目標狀況的掌握能力上皆有大幅度的成長,不過由於原廠並未公佈其詳細的技術諸元,僅提及它採用NIIR新研發主動相位陣列天線使性能大幅提升,能全天候接戰各類型的目標,包含可偵測到接近中的小到針刺(Stinger)飛彈這類型目標的能力,並能對抗各種型式的干擾,資料酌實有限,因此目前尚未能明瞭其詳細的性能與規格。

Kopyo系列雷達是主供MiG-21戰機的改良與輕型攻擊機、教練機(如Yak-130、MiG-AT)等機使用的一種輕型高性能空用雷達系統,由於直徑小也能配備於Su-34/35等機的尾椼內當成後視雷達使用,不過Kopyo-D AESA雷達的發展實在令人納悶,難道MiG-21改良型或YaK-130教練機需要用到這麼高檔的雷達嗎?相信機會不大,因雷達的價格快跟飛機一樣貴了,如果是當成後視雷達也太大才小用了,因後視雷達以對後半球警戒為主,無關武器的射控與對空對地火力的發揚(當然自衛用的後射型R-73飛彈除外),基本上並不要要使用到極為昂貴的AESA這類高檔次的雷達,故Kopyo-D雷達可能使用的客戶尚待後續觀察才能明瞭。不過筆者研判以需進入敵後執行深入阻絕這類高強度任務的Su-34戰鬥轟炸機較為需要,Kopyo-D雷達可提供後半球全般狀況的掌握並能偵測到迫近中的飛彈,結合機上的自衛系統進行反制,增加其戰場存活性,這對高價位高精密度又需執行高強度任務的Su-34戰鬥轟炸機而言是較為需要的。此外,作為第五代戰機PAK-FA服役之前墊檔的過渡機種Su-35BM亦可能採用。

  結語

由本屆莫斯科航空展觀之可發現未來俄製戰機空用雷達系統將以相位陣列雷達為主,除了被動相位陣列雷達在品質上持續精進外主動相位陣列雷達的關鍵技術也已到位,NIIP與NIIR兩個俄國主要的空用雷達研發單位皆掌握了發展AESA雷達所需的科技。以近年來陸續推出的數樣雷達產品也可發現俄製機載雷達在偵測距離、多目標對抗能力、SAR合成孔徑繪圖的解析度、平均故障間隔與雷達重量的控制上等性能指標都有不少的成長,俄國的雷達電子科技實已達先進水平。

http://www.diic.com.tw/mag/mag254/254-41.htm
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俄羅斯展示第五代戰機用最新型相控陣雷達

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:32 am

  東方網2009年9月1日消息:據俄羅斯軍事平等網報道,俄第五代戰鬥機T-50所配備的有源相控陣雷達已在不久前閉幕的莫斯科國際航展上進行了“有限”展示。

  該型雷達由俄羅斯季霍米羅夫儀器制造科學研究院研制,總共由大約1500個發射-接收模塊組成,是繼“甲蟲-AE”之後,俄研制的第二種有源相控陣雷達。據悉,針對該雷達天線的試驗臺測試于2008年11月開始,並于今年夏天與雷達的其他組件進行了整合試驗。第二臺新型雷達的樣機將于2010年中期制造完畢並將被安裝到T-50的試飛原型機上。

  不過,季霍米羅夫儀器制造科學研究院並未透露有關該型雷達更爲詳細的數據。

  此前曾有消息稱,俄第五代戰鬥機T-50的外形與美國的F-22類似,將配備內置武器隔艙並具備超音速巡航能力。同時,T-50上將安裝多部雷達天線,具備對周圍360度的觀測能力。

  俄空軍司令澤林曾指出,蘇霍伊公司將總共建造5架五代機的原型機用于測試,其中有2架用于地面測試。測試工作預計將在2011-2012年間結束,首批量産型五代機將在2015年前交付部隊測試。

  據介紹,俄首批第五代戰機將裝備由土星公司研制的117型發動機(由AL-31F衍生而來)。

  按照俄空軍提出的要求,第五代戰鬥機應擁有全天候作戰能力,采用隱形設計方案,可長時間進行超音速飛行,並且裝備有高效的自動防禦系統。

http://mil.news.sina.com.cn/2009-09-01/0833564350.html
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俄積極向印度推銷甲蟲-AE機載相控陣雷達 2008-12-04 東方網

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:34 am

  據俄通社-塔斯社報道,俄羅斯“米格”飛機制造公司日前宣布,一架配備有“甲蟲-AE”有源相控陣雷達的米格-35戰鬥機將首次亮相于明年二月初舉行的印度國際航展。

  目前,“米格”公司仍在使用一架編號爲154的米格-35驗證演示機對“甲蟲-AE”雷達進行測試。該機載雷達系統由“米格”公司下屬的法紮特隆無線電制造科學研究所公司研制。

  “甲蟲-AE”雷達的總設計師尤裏?古斯科夫此前曾表示,2008年的主要任務是尋找、掌握和制定生産該型相控陣雷達及其子系統的技術,同時還要繼續對它們的功能進行擴展。

  古斯科夫指出,“甲蟲-AE”雷達將主要用于裝備俄最新式的米格-35戰鬥機。此前進行的飛行測試結果顯示,裝備“甲蟲-AE”後的米格-35對一般空中目標的探測距離不少于250-300千米,而且對隱形目標也具有較好的探測能力。

  試驗顯示,“甲蟲-AE”的探測距離要明顯大于現役第四代戰機的雷達。此外,該雷達憑借其出色的合成孔徑能力還能夠繪制較高精度的地圖。“甲蟲-AE”不但能分辨移動目標,而且還能通過二次識別確定出它們的准確型號,尤其是,它能夠確定出一個集群目標中單個目標的數量。

  在“甲蟲-AE”投入批量生産並交付使用後,由米格-29升級改進而來的米格-35將成爲歐洲境內第一種裝備有源相控陣雷達的戰鬥機。

  分析人士認爲,雖然由米格-29發展而成,但米格-35的性能卻有了質的飛躍。其不但裝備了性能更好、更爲省油的矢量推力發動機和空中加油系統,作戰航程有了明顯增加,同時還增加了外挂架數量,增加了攜帶炸彈的載重,並且具有更好的飛行機動性。

  此外,該機具有一定隱形能力。其機體采用了大量可吸收雷達波的材料,增加了遠程雷達發現它的難度。而“智能化座艙”的運用,使得原先的機械儀表板被更爲先進的液晶屏所取代;其火控系統中還整合了經過改進的光學定位系統,可在關閉機載雷達的情況下對空中目標實施遠距離探測。

  據悉,第二套“甲蟲-AE”雷達目前也已生産完畢,即將被裝配到另外一架米格-35驗證機上。兩架米格-35將于2009年2-3月份參加印度空軍爲采購新一代輕型戰鬥機所舉行的招標活動。

http://mil.news.sina.com.cn/p/2008-12-04/0845533124.html
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俄羅斯火控雷達設計水平與日本無法相比 2007-06月-18 兵器知識

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:34 am

  記:機電和航電有什麽區別?

  張:機電主要是指機械和電氣方面的.通常是用來維持飛行,包括第二動力裝置,液壓系統,作動裝置,環境控制等等。航電一般是指飛機的任務電子設備,例如傳感器系統、通信/導航/識別、電子戰、座艙顯示與控制、任務計算機等等。

  不過“梟龍”的航電也用了一些商業的東西,例如采用摩托羅拉的PPC處理器.作戰飛行軟件采用C/C++編寫等,規模也超過百萬行代碼了。總的來說,國內在這些方面缺乏強大的産業基礎支撐,這樣許多先進的標准,包括硬件的和軟件的,都沒法用上來,而且成本和保障性方面的效果也不明顯。

  美國的國防工業巨頭都是比較多元化的,只是下面的部門分工比較專業化。比如說洛?馬公司,這麽一個防務巨頭。它可以做航電總體.但它也能生産空中交通管制雷達。諾?格公司是搞電子對抗的,但它也生産很多民用電子産品。當你的武器想大量采用民品,或者需要産業支撐來提高可靠性和降低成本時,你就能清楚與美國的差距了。所以現在和今後一段時間內,國內的高技術武器便宜不了。人力成本在武器的發展中已非主要成本,現在很多輿論認爲美國打不起仗,那實際上其它國家更打不起仗。

  記:從上述三個層次看,俄羅斯有技術和工程實踐經驗,産業基礎薄弱,日本正相反,兩種畸形相比,誰更有希望些?

  張:從軍事角度看,我認爲最重要的還是技術積累和工程實踐經驗。先得做出來才談得上規模生産和降低成本。F一35的航電固然得益于美國的電子産業,但它的先進設計概念也是降低成本的關鍵。F一35的航電系統結構是基于美國空軍研究實驗室兩個計劃:“寶石臺”和“綜合傳感器計劃”。前者是在F一22的基礎上提出一個更綜合、更先進的航空電子系統構架,後者是將原來飛機上60多個天線合並成十幾個天線,這樣飛機的重量成本都會大大降低。這種技術基礎和工程實踐能力,日本差距還比較大。
  記:俄相控陣的水平與日本相比?

張:俄羅斯在火控雷達上的設計水平是日本無法比的,就是很大很重.成本高,可靠性也有問題,這是産業支撐的不足。以蘇聯走的路不太一樣。它認爲鍺比矽好用。再一個它認爲電子管抗核爆電磁脈沖的能力比半導體器件強,功率又容易做大,所以它選了一條電子管小型化的道路。但美國和西方都選擇了以半導體爲基礎的超大規模集成電路道路。西方可以把器件做得小巧,用功率合成的方式達到大功率,一般只在很需要大功率的情況下才用微波管。實際上對于抗電磁脈沖,集成電路可用別的方式加固,另外若真發生核戰爭,電子管也很難抗得住電磁脈沖。這不是電子幹擾,它是形成像閃電一樣的能量脈沖,直接燒毀你的電子線路。以前電磁脈沖殺傷用核爆方式實現,現在有專門的電磁脈沖彈.不大,但一引爆,可能10千米半徑範圍內的電子設備全都完了。

  所以,蘇聯的電子工業不如日本,但它在機掃平板縫隙陣及無源相控陣的經驗上都是後者無法攀比的。目前俄有源相控陣雷達已開始試飛,有1500個T/R模塊,天線孔徑比日本大很多。這個T/R模塊俄羅斯已實現國産化。而日本第一次搞機載火控雷達就搞出一個有源陣,使用中出現什麽問題,怎麽解決.怎麽和其它系統綜合等都還缺乏經驗。我們的各種機掃脈沖多普勒雷達現在爲什麽改進改型這麽快,因爲前些年我們把技術問題基本都突破了,這樣你就能用新的硬軟件技術不斷去嘗試,越做膽子越大。沒做過這些,你就不知道是怎麽回事。

  記:目前,美國戰鬥機的軟件化程度越來越高,而它的軟件業薪酬又很高,它是如何應對這項成本之重的?

  張:談這~點必須了解現代戰鬥機的軟件規模有多大,以及控制成本在當前的環境下受重視的程度。美國防部原來用Ada語言,F一22的飛行軟件關鍵功能就用它編的,但F一35在設計時就把費用作爲獨立變量。以前設計飛機時都把設計定下來後再去計算成本,現在設計時直接考慮費用,如不達標馬上改設計。F一35當時就考慮找商業上的編程公司去做,因此它的軟件主要是用C++編的.這除了保證經濟性外。同時也是開放式思想,對今後升級很有好處。F一22的地面測試加上機載軟件總共有500萬~600萬行源代碼,而F一35達到了1900萬行。這樣大的軟件規模必須是F一35在設計時考慮的中心。在第五代戰鬥機上.航電系統的成本已占到全機60%~80%.而軟件系統就是航電系統的關鍵組成。有人統計過,F一35要完成的功能有80%以上都通過軟件來完成。這樣大的軟件規模,要想在成本合理的範圍內完成開發和保證質量,就只能用c++這樣有廣泛商業應用的語言來編程。這就是一個産業支撐問題,而和硬件一樣,美國有大量的商用軟件開發公司。

http://mil.news.sina.com.cn/p/2007-06-18/0727449982.html
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日本曝光:中國研制出世界最強戰機雷達!(2009-06-18)

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:36 am

日本軍事雜志《太平洋軍事參考》近日發文稱,中國一年前從俄羅斯引進了世界上最先進的機載雷達“雪豹”,經過改進推出了“翼龍”戰機雷達。“雪豹”雷達是俄羅斯最新的機載雷達,也是5~6代戰機的專用雷達,中國通過引進獲取了大量先進技術和制造工藝,根據目前中國的軍事研發和工業水平,一年後推出“翼龍”並不奇怪。據報道,“翼龍”的試驗型號“TL-1”目前安裝在最新的J-10上面,待中國列裝J-14時,“翼龍”戰機雷達才能完全發揮其先進的功能。

  “雪豹”機載雷達

  “雪豹”機載雷達是俄羅斯最新的有源相控陣雷達,性能超過F22和F35的雷達,可以在90km距離發現0.01平米目標(相當于F22正面)。對于一般空中目標最大探測距離超過400公裏(和E2預警機差不多了)。

  “翼龍”戰機雷達

  “翼龍”是也是有源電子掃描陣列雷達,該雷達的X波段系統還具有窄波幹擾能力,極大擴展了其應用領域,可以探測到90公裏以外的小型巡航導彈和隱形飛機,並具備同時跟蹤20個以上目標、制導多枚中距空空導彈實施攻擊的性能。在對地攻擊方面,雷達可以提供高分辨率的地面圖像,使戰機執行精確打擊任務。

  回應

  胡說八道,中國研制的東西,小日本怎麽會知道?最強機載雷達?扯淡

  樓豬你他媽的吹啥牛 俄羅斯的雷達會比美國的先進 ? 我靠去死吧

  雪豹是無源相控陣雷達,比F22,F35差距不小。俄國沒有向中國出口雪豹,中國目前戰機沒有裝備相控陣雷達。只有多普勒雷達。差距不小,不是吹吹牛就可以趕上的,要實幹。

  俄羅斯好像還沒聽說有有源相控陣雷達,既是有也不可能比美國的先進更不可能賣給我們,我們倒是聽說有有源相控陣雷達出來了現在好像是在八號機上實驗估計很快會裝備11B和10號機,在有源相控陣雷達上最起碼我們比俄羅斯先進,你們看看神盾系統就明白了這可是我們自己的俄羅斯可沒有,不要總說我們的什麽什麽都是俄羅斯的,現在他們有些東西確實沒我們的好

http://blog.sina.com.cn/s/blog_5234a5030100dy4q.html?tj=1
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相位陣列雷達概述 by captain Picard

發表 由 lung 于 周四 9月 20, 2012 11:39 am

  傳統雷達的限制

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

傳統式的陸基與艦載雷達使用拋物面天線等未經任何相位合成的雷達天線,其波束角的大小(即雷達波束的集中程度)取決於天線的孔徑(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於長距離傳遞;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,傳統長程搜索雷達即便在目標進入搜索範圍後,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」,只好先將資料放入暫存區,等天線下一回轉動到相同位置時,再比對暫存區中的目標是否依舊存在;故傳統雷達必須連續在同一方位上多次(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迴轉一圈),讓天線在同一個位置上停留更久,以接收更多的脈衝訊號,然而這樣又會使目標更新速率惡化。除了精確度的問題外,傳統雷達天線在輻射雷達波時,也會產生一系列周邊的旁波瓣 ;對於雷達而言,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 。由於一般雷達採用週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等信號接收裝備而言,雷達主波瓣經常是一閃即逝,而且每隔十數秒至數十秒才能收到一次,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 著持續而穩定、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於主波瓣,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

對於艦載或陸基雷達而言,傳統式雷達天線靠著旋轉來涵蓋所有方位;而如果要持續追蹤同一個目標的軌跡,就要等天線完成一個旋轉週期回到原先位置後,才能作目標資料的更新 。如同前述,長距離艦載/陸基搜索雷達由於天線尺寸重量較大,加上 必須在同一方為累積足夠的脈衝信號,因此轉速都不可能太快;例如,美製SPS-49艦載對空搜索雷達的旋轉週期是30秒/週,意味每分鐘只能實施兩次目標資料更新。又,如同前述,傳統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;對於艦艇而言,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。至於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(例如每秒轉一週)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式雷達而言,是不可兼得的魚與熊掌。

戰鬥機上的射控雷達也有類似情況;傳統式戰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對準目標的方位。由於機械運動的速率有限 ,導致目標更新速率過慢,致使戰鬥機雷達在進行多目標精確追蹤等耗費較多資源的工作時,需將天線掃瞄範圍限制在左右各40度、上下各10度的範圍內,才能獲得可接受的目標更新速率。這種限制意味著戰機雷達專注於視距外多目標接戰時,能處理的空域範圍極為有限,也不可能同時兼顧空對空與空對地等不同需求。範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)或將機群散開,進而逃出戰機雷達的有效搜索範圍。 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對準目標;不過由於伺服機構動作速度有限,目標同樣也能藉由大範圍劇烈機動來擺脫雷達的鎖定。以冷戰時代美國長程攔截能力最優秀的F-14戰機而言,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。欲以傳統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採用的慮波技術;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(如早期的美製方陣系統)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。不過正由於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,於是就自動被都卜勒慮波器排除,造成目標流失。在1991年波灣戰爭中,便有一架伊拉克Mig-25利用連續的側轉,一連使美國F-15戰機發射的好幾枚AIM-7麻雀半主動雷達導引空對空飛彈脫鎖,一路衝至目視纏鬥的距離,才被機動性較高的美軍F-15以機砲擊落。為了應付這種戰術,某些雷達的操控軟體在發現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」,因為電子元件的反應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」。現今電子掃瞄技術主要有兩種,第一是頻率掃瞄,第二是相位合成。頻率掃瞄 就是週期性地發射數道不同波束,每個波束夾角與頻率互異,進而涵蓋一個軸向的扇面;透過回波的頻率,就能判斷目標回波來自於哪一個角度的波束,進而求得目標高度。頻率掃瞄方式只能在一個維度上改變波束指向,故此種雷達必需利用旋轉基座改變雷達水平方位,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(Top plate)就屬於這類雷達;由於仍需要機械式旋轉天線,加上其只是輪流發射幾道夾角不同的「固定波束」,其變化模式十分規律而有限,因此頻率掃瞄雷達解決了單一雷達完成三維偵測的需求,無法根除傳統式雷達的先天弱點。

  至於相位控制則是利用大量個別控制的小型天線元件排列成天線陣面,每個天線單元都由獨立的開關控制,藉由控制各天線元件發射的時間差,就能合成不同相位(指向)的主波束(請參照海更士原理) ,而且在兩個軸向上均可進行相位變化(視後端控制系統而定,某些相位陣列雷達只能在垂直軸向改變相位,水平軸向仍依賴機械旋轉); 與高中物理課本楊格雙狹縫實驗相若,相位陣列雷達各移相器發射的電磁波以建設性干涉原理強化並合成一個接近筆直的雷達主波瓣,而旁波瓣則由於破壞性干涉而大幅減低。 此種雷達一般稱為相位陣列雷達(Phase Array Radar,PAR),中國大陸多半翻成「相控陣列雷達」,每個可個別控制的小型天線元件稱為移相器(Phase Shifter)。 現今主流的相位陣列雷達都採用平板式天線陣列,控制波束合成的機制最為簡單;然而當主波束在偏離天線軸心時,平板天線就會面臨等效孔徑(天線孔徑在波前方向的投影量)降低的問題,當波束偏離軸心一定程度之後就會明顯變寬 ,偵測距離、解析度、增益全部顯著降低,所以通常必須將波束掃瞄範圍限制在天線軸線左右各60度以內(共120度)。早期曾經出現區面甚至球面形式的相位陣列雷達,例如美國在1950年代末期開發的 颱風(Typhoon)艦載防空系統的SPG-59電子掃瞄雷達(見下文),概念上接近一種採用「球面陣列」的相位陣列雷達,一套天線就能在船艦四周整個半球進行掃瞄;然而SPS-59始終面臨耗電量大、技術複雜、成本過高、性能不穩定、可靠度低, 最後颱風系統與SPS-59在1963年11月被放棄。後來取代颱風系統的神盾(Aegis)系統,其SPY-1相位陣列雷達就採用比較簡單保守的平板陣列,並以四個陣面來函蓋船艦周遭四個方位的空域。

  相位陣列雷達從根本上解決了前述傳統機械式雷達的種種先天問題。由於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完成波束指向的改變,在極短的時間內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十甚至一百倍,因此在掃瞄範圍內都能維持很高的目標更新速率。由於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後,便立刻控制波束回頭對該目標多送幾道波束 進行確認,之後才繼續掃瞄其他的方位;因此目標只要進入相位陣列雷達的偵測範圍,多半很快就可有效搜獲(除非雷達截面積太小),不像傳統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,各自執行不同的工作。藉由天線分割運作,相位陣列雷達能對搜索範圍內的大量目標各分派一道波束(註一)進行個別監控 ,故以往用來對付搜索雷達的單機/多機脫鎖動作都將失去效果,因為飛得再快也比不過天線單元改變相位的速度,傳統機械伺服天線趕不上目標劇烈運動的情況遂被根治了。發現可疑目標後,相位陣列雷達便在極短時間內朝目標方位進行密集掃瞄,精確地追蹤目標航跡,所以能同時進行搜索與追蹤功能,不像傳統式旋轉雷達在這兩種功能上難以兼顧;而如果使用波長較短、精確度高的C或X波段,相位陣列雷達還能直接擔任武器射控的功能(不過由於短波長電磁波在大氣中耗損較快,故搜索距離會有所犧牲)。另一方面,這種由陣列元件組成的掃瞄天線也解決了傳統式天線波束角太大、解析度差的問題:在相同的孔徑與操作波長下,相位陣列天線能獲得比傳統式天線更集中的波束(註二),因此能獲致 更高的精確度,而旁波瓣也遠低於傳統式天線(註三)。 又,由於相位陣列雷達波束能在三度空間內自由移動,綿密迅速的角度變化使其能輕易比對目標的角度與高度,反應速率與精確度遠勝過頻率掃瞄形式的三維雷達。

  相位陣列雷達指向性高、旁波瓣極低、天線能分割運作等特性,使其在電子作戰方面擁有諸多先天優勢。旁波瓣越小, 使敵方電子支援系統或反輻射飛彈尋標器要搜獲並標定目標雷達的困難度大幅增加,更讓前述在旁波瓣內灌入干擾波的電子反制手段難以實施。此外,部分雷達為了反制這類利用旁波瓣的干擾,會在雷達旁加裝一到兩具專門接收旁波瓣的副天線(但接收不到主波瓣),因此當遭遇干擾時,副天線便會持續接收到雜訊;等到主天線對準干擾源時,副天線反而接收不到訊號,此時便能精確標定干擾源位置。如果雷達功率大於干擾源,就能燒穿(Burn-Through)干擾波而抵達目標,破除敵方電子反制作為;萬一壓不過, 也可標定干擾來源方向,將本身天線旁波瓣的零值指向干擾來源,使之無法接收到足夠強度的雷達信號,從而無法實施有效的干擾。以上雷達用來過濾干擾源的技術,又被稱為「自適性能力」(Adaptive Waveform) ,而單脈衝雷達尋標器來標定干擾源方位的原理也大同小異(單脈衝尋標器本身的天線就分割為數個部分,藉由比較每個部分收訊的時間差來判定方位)。傳統機械式雷達天線最多只能裝置一、兩具這類副天線(又稱為Guard頻道),而相位陣列雷達則可分出部分單元構成多具虛擬的副天線,分配上更為自由,而副天線數目越多代表定位精度越高 ;此外,相位陣列雷達波束精確度與指向性均比傳統雷達高,故能更精準地標定並過濾干擾源方位,而不會「濫殺無辜」,自適應能力優於傳統雷達。拜波束較為集中強大之賜,相位陣列雷達也比傳統式雷達有更大的能力去「燒穿」敵方電子干擾波。

  當然,相位陣列雷達並不是在任何特性上都絕對地勝過傳統式雷達。如同前述,單一固定的相位陣列雷達天線會面臨搜索角度的限制,波束大幅偏離陣面軸線時,效能就會顯著下降;而傳統式天線的掃瞄則由於整個天線都在轉動,因此並沒有這類問題。對於陸基或艦載相位陣列雷達而言,由於容積足夠、天線陣面夠大,這類問題的影響並不顯著,例如美國神盾艦艇以四面相位陣列天線各負責90度的扇面;然而對於戰鬥機而言, 如果使用單面固定式相位陣列雷達天線,其最大水平掃瞄範圍便低於使用機械伺服轉動的傳統式雷達天線 ,而且波束在掃瞄範圍邊界的性能顯著降低(通常比不上相同掃瞄角度下、性能在水準以上的傳統式戰機雷達),這代表機載相位陣列雷達的視角有限;在進行視距外空戰(BVR)時,戰鬥機在射出視距外空對空飛彈後,必須一面進行高速機動以免被敵方雷達鎖定,同時又必須讓目標保持在自身雷達掃瞄範圍內,以 持續為空對空飛彈提供中途指令修正,而這對於水平掃瞄範圍略遜一籌的固定式相位陣列雷達而言,就比較吃虧。不過這並非無法彌補,只要也使用機械裝置來轉動相位陣列雷達的天線,或者乾脆在機身兩側加裝側面天線陣列,問題便迎刃而解。 由於引進轉動機械只是為了增加相位陣列天線的水平掃瞄範圍,而不像傳統雷達完全依賴伺服機構馬達來改變波束方位甚至持續鎖定目標,所以戰機用相位陣列天線的伺服機械 的反應速度,不需要像傳統機械掃瞄雷達那樣快,而且只需要在一維方向(水平)擺動即可,並不會面臨前述傳統式雷達的機械伺服限制。例如,瑞典Ericsson為該國JAS-39戰機的升級而開發的NOAR主動相位陣列雷達,便將陣列天線安裝在一個僅可橫向擺動的簡單機械掃瞄平台上,便能使該雷達擁有廣達200度的水平搜索角;而美國為F-22戰機的APG-77雷達 則在未來考慮納入額外的機身側面陣列 天線,使戰機獲得最高水準的雷達搜索範圍以及廣區域監控/目標更新能力。此外,相位陣列雷達在最大有效搜索距離邊界附近,性能會急速衰減,而傳統式雷達情況就比較好;不過考慮到相位陣列雷達有效偵測距離大於傳統式雷達,加上前者凡在有效偵測距離內的目標都能確實掌握,這並不能算是一個明顯的缺點。 此外,相位陣列雷達比傳統雷達更重更貴,並需要額外的功率消耗及冷卻,意味著載台需要花費更多空間來容納雷達系統以及更大的發電及冷卻需求,這對於體型龐大的船艦而言問題還沒那麼嚴重,對於空間極為有限的軍機而言就更傷腦筋了。

  總之,相位陣列雷達的反應速度、目標更新速率、多目標追蹤能力、解析度、多功能性、電子反反制能力等都遠優於傳統雷達 ,相對而言則付出了更貴更重、功率消耗與冷卻需求更大以及單面固定天線有效視野不及擁有旋轉座的傳統雷達等若干代價。就技術上,相位陣列雷達需要等到小型可控制相位射頻元件的成熟,方可能進入實用 與普及化的階段;而相位陣列雷達大幅增加的目標資料處理量,意味著對後端軟硬體的更高要求。如果要求單一天線單元能同時在俯仰與水平方位改變電磁波相位,就必須由兩組重疊的移相器構成 ;而在1960至1970年代前半,移相器等小型固態射頻元件的技術尚未成熟,不僅成本過於昂貴,體積、重量與耗電量也嫌太大, 距離大量運用於艦艇、航空器上還有一段距離。美國海軍在1960年代曾使用 的SPS-33對空搜索/追蹤雷達,裝備於體型較大的長堤號核子動力飛彈巡洋艦(USS Long Beach CGN-9)以及企業號核子動力航空母艦(USS Enterprise CVN-65);SPS-33採用四面固定式平板陣列天線,此種天線以頻率掃瞄方式負責俯仰方位, 垂直方向的改變則由移相器負責,因此單憑天線本身就能在三度空間內變換波束方位。SPS-33的設計使其不必完全採用當時仍嫌昂貴的移相器, 相對也壓低了系統成本(當然,性能也有所降低),此種雷達堪稱艦載相位陣列雷達的先驅 。不過由於當時科技仍不夠先進,導致SPS-33天線重量太大且不易維護,可靠度亦偏低,在1980年代都被採用單面旋轉式頻率掃瞄天線的SPS-48E 3D對空搜索雷達取代。

  此外,美國海軍在1960年代初期發展的颱風(Typhoon)艦載防空飛彈系統(見神盾作戰系統一文),其中的核心──SPG-59追蹤/射控雷達便堪稱是全世界第一套多功能艦載電子掃瞄陣列雷達,集搜索、追蹤、飛彈中途導引與終端照射等功能於一身。這種雷達的天線部分採用倫波(Luneberg)電磁透鏡技術,其外觀包括一個內含圓柱狀倫伯電磁透鏡的結構,以及一個位於頂部、由數千個天線單元組成的半球型發射天線陣列;發射波束時,後端電腦控制數千個信號輸入端,將射頻信號饋送至圓柱型倫伯電磁透鏡表面,藉由倫伯透鏡將不同輸入端饋送的能量在透鏡表面另一端聚焦,形成波束,再透過數千個行波管放大器傳送至雷達塔頂部的半球型天線陣列,然後發射到空中,因此單一雷達就可涵蓋船艦周遭所有的方位;而雷達塔位置較低處則設有三個球型天線陣列,用來接收雷達回波。由於1960年代相關技術仍不成熟,SPG-59遂面臨成本過高、耗電量驚人、系統體積重量過大、各元件纜線與導波管連接公差無法在要求以內等問題,而且透鏡設計亦無法滿足倫波電磁透鏡理論的要求,導致主波束不集中、旁波瓣過大,在測試中性能與可靠度均遠不如預期,最後在1963年底落得取消的下場。全世界第一種實用化的戰機用相位陣列雷達(被動式),是前蘇聯Mig-31戰鬥機上的Zaslon,其開發始於1969年,並於1980年代初期進入服役階段 (註五);而差不多在同一時間,美國空軍則有AN/APQ-164多功能被動相位陣列雷達部署於B-1B轟炸機上。而全世界第一種實用化的艦載相位陣列雷達系統,則是美國的SPY-1系列(同為被動式),此雷達是著名的神盾戰鬥系統中最重要的一環,同樣在1980年代初期投入服役。因此,前述幾種1960年代「壯烈犧牲」的「先驅」們,在相關背景技術尚未成熟的情況下,只能自嘆「生不逢時」了。

  對於艦艇而言,雷達位置越高,代表水平偵測距離越遠;不過由於相位陣列雷達體積重量不小,尤其是某些擁有四面天線的系統(如美國SPY-1、俄羅斯Sky Watch等),必須整合在上層結構內,很難安裝全艦最高的位置 (桅杆頂部)。某些艦載相位陣列雷達採用單面旋轉陣列天線,體積重量大幅減輕,遂得以安裝在全艦最高的位置;這類天線本身的波束能在90度的半球內自由移動,但整面天線得靠旋轉基座才能進行360度掃瞄,因此目標更新速率不如以擁有四面天線的系統(但仍然遠高於傳統式天線),而且由於旋轉式天線不可能保持在固定方位上,遂不可能像某些使用四面固定天線的X頻相位陣列雷達系統般兼作艦載防空飛彈的終端照明雷達。此外, 目前相位陣列雷達的耗電量比傳統式雷達高,而擁有四面固定式天線的相位陣列雷達系統更意味著四倍的電力需求。對於美國神盾巡洋艦、驅逐艦等大型艦艇而言,由於動力充足, 足以供應四面陣列天線同時開機工作;而採用SPY-1F的挪威南森級巡防艦便由於載台供電能力有限,只能讓四面陣列天線依序輪流開機來掃瞄所有的方位,使目標更新速率 大打折扣。

  被動式與主動式相位陣列雷達

相位陣列雷達又分為「被動式」與「主動式」,其中技術門檻較低的「被動式」在1980年代才有較成熟的系統部署於艦艇及中/小型飛機上,而性能更優異、發展前景更好但技術門檻較高的「主動式」則到了1990年代末期至2000年代初期才 有實用的戰機用與艦載系統開始服役。

  顧名思義,被動相位陣列雷達(Passive Phase Array Radar)的天線本身不製造雷達波,射頻功率是由後端的雷達波發射機(行波管)提供,再由許多複雜細小的導波管饋送至天線元件;而陣列天線本身只負責改變波束的指向(也就是控制各個移相器開/關的時機來改變相位)並接收回波,簡單地說像是一面能改變雷達波方向的「電磁透鏡」。因此,被動相位陣列雷達的移相器被稱為「R單元」(Receive modules);而由於天線本身不負責製造雷達波,中國大陸多半將此形式的雷達稱做「無源相控陣列雷達」。 被動相位陣列雷達的天線可決定電磁波的相位,然而振幅與波形則取決於後端的發射機。

  至於主動相陣雷達(Active Phase Array Radar,APAR)結合了收發天線元件(移相器)與使用積體電路科技製作的微型發射元件,故每個元件就擁有製造/發射接收雷達波與控制相位的功能,載台只需提供電源以及傳遞指令的信號線而已,因此種天線單元上被稱為「T/R單元」(Transmit/Receive modules)。相對於被動式相位陣列雷達上早已行之有年的行波管/導波管技術,主動相位陣列雷達所需的微波積體電路科技(MMICS)起步與成熟較晚,因此實用化的腳步也落後於被動相位陣列雷達十幾年以上。等到MMICS技術以及所需的砷化鎵半導體科技成熟,能製造出幾公分大小且夠輕便可靠的電磁波收發裝置,主動相位陣列雷達才得以實現。由於天線本身就負責製造雷達波,中國大陸將此型式的雷達稱為「有源相控陣列雷達」。 全世界第一種實用化的主動式相陣雷達是美國在1960年代末期服役的AN/FPS-85飛彈預警/太空追蹤雷達,由於這種大型陸基雷達沒什麼體積重量的限制,以當時相關元件的技術水準尚能實用化。第一種進入服役階段的主動相位陣列雷達是日本F-2戰機使用的J/APG-1,緊接著則是美國F-22戰機上的AN/APG-77,以及一系列由現役APG-63、68、73等傳統構型雷達發展而成的系統。至於全球第一種進入服役的艦載主動式相位陣列雷達則是荷蘭主導開發的APAR, 同時期的艦載系統還包括日本FCS-3以及英國的Sampson等。

  以下便分別介紹被動相位陣列雷達的不足,以及主動相位陣列雷達優越之處:

  被動式相位陣列雷達的不足

整體而言,被動相位陣列雷達最大的弱點,就是精密昂貴、易損壞且熱損耗大的發射機(行波管)與導波管,這是因為行波管與導波管在先天上屬於「真空管層次」的科技。由於物理特性的限制,行波管/導波管的性能表現(效率、反應速度等)很難再有突破,而其體積/重量較大、脆弱易受損的缺點,更是難以擺脫的先天包袱。

  在運作方面,行波管與導波管是被動相位陣列雷達最脆弱的部位(相位陣列天線反而可靠得多,不僅因為小型移相器較不易受損,而且就算部分移相器,天線仍然能夠運作),換而言之也是最大的罩門;只要發射機或導波管之中任一方掛了,整個雷達系統就會癱瘓。對於高功率的陸基或艦載雷達系統而言,集中式的發射機需要產生較大功率,相對也會產生高溫,故周圍需要功率強大的冷卻系統 。被動式相位陣列雷達需以複雜細小的導波管將射頻能量送至天線元件,相對於傳統機械式雷達,增加了額外的能量損耗;因此,被動相位陣列雷達的搜索距離,往往輸給同級功率與元件品質的機械式雷達,一個常被提到的範例是法國Rafael戰機的RBE2被動相位陣列雷達,搜索距離輸給歐洲EF-2000的Captor機械掃瞄雷達。而導波傳遞的電磁波是相當精密的G(10的9次方)Hz級,因此為了降低能量餽送途中的損耗與失真,導波管的長度越短越好,而且要盡量減少彎曲,最好一路都是直的(曲折的導波管是相當艱難的工程挑戰);如此,陣列天線與發射機就不能相隔太遠,於是體積龐大的發射機勢必得安裝在艦體或上層結構內(對於艦載系統而言),導致陣列天線的安裝位置往往必須遷就發射機而也得安裝於上層結構;安裝高度受限後,雷達的水平搜索距離就會減少。總之,如果因為將被動相陣雷達位置架高而使天線與發射機之間距離增加而且不在同一 層甲板上,即便減低天線的尺寸與重量,還是躲不過導波管較長以及轉折的問題,必須在可靠度、傳輸損耗以及工程難易度等方面有所犧牲,例如西班牙的F-100神盾巡防艦;如果希望導波管盡量短直,則相位陣列天線就必須安裝在高度較低的位置,代價則是降低水平偵測距離,如 美國柏克級飛彈驅逐艦與中共的052C飛彈驅逐艦。此外,對艦載系統而言,導波管從發射機到天線的路上必須穿過艙壁、甲板,設計時就必須在艦體上挖洞,降低了整體結構強度。總之,被動相位陣列雷達已經比傳統雷達跨越一大步,但主動相位陣列雷達能辦到的又遠比被動相位陣列雷達更多。

  主動相位陣列雷達的優越之處

由於主動相位陣列雷達把訊號發射的部分由被動陣列雷達的「真空管」一舉提升到「積體電路」的層次,就跟當年電腦從真空管時代進步到積體電路一樣,勢必會在性能與可靠度方面取得飛躍的進展。

  在系統運作方面,主動相位陣列雷達的T/R模組的天線單元(移相器)與射頻功率放大器(HPA)直接連結,而天線單元接收到的信號幾乎直接耦合到各T/R單元內的 射頻低噪聲放大器(LNA),免除了傳統機械式雷達或被動相位陣列雷達的行波管傳輸,不僅大幅縮減了餽電損耗,同時也有效避免以往信號在導波管傳輸過程中被雜訊干擾、疊加的情況, 大幅增加信號的純度並降低損耗。前述T/R元件的主要單元都是微型固態積體電路元件,系統將更輕、更小而更堅固。由於主動相陣雷達上的每個天線單元都是獨立的收發裝發裝置,並且採用併聯方式與後端處理器連結,所以部分天線單元的損壞不會導致整個系統的停擺,其他完好的單元仍能正常運作。 根據實驗顯示,主動相位陣列雷達陣面10%以內的T/R單元失效時,對系統性能無顯著影響,不需立即維修;在30%的T/R單元失效時,系統增益會降低3分貝,但仍可維持基本運作性能。 此外,主動相位陣列雷達若欲提升總功率,只需要增加天線單元數量即可,遠比被動式相陣雷達便利(後端發射機與導波管都要改,大費周章);例如德國新開發的CEA-FAR型S頻主動艦載相陣雷達的天線就由許多各有256個T/R單元的模組構成,客戶可根據需求與預算來選擇天線要由多少個模組構成。 現役被動相位陣列雷達的平均失效間隔(MTBF)介於60至400小時(多半是基於行波管/導波管的拖累),而主動相位陣列雷達則至少從500小時起跳,未來還會朝著數年、甚至整個服役生涯都無須特別維修的目標來發展。由於主動相陣雷達的發射工作是由大量小型低功率收發單元分攤,並靠著各單元 以累加合成的方式達到高功率輸出,因此每個單元的峰值功率不必很強,不僅元件的耐熱要求可以降低,能量損耗也降低了 (註六) ;所以在理論上,整個系統的體積、重量與成本都可以壓低。雖然目前主動相位陣列雷達的成本仍相當驚人,但隨著技術日益成熟,主動相陣雷達系統的降價是遲早的事。

  就性能而論,主動相位陣列雷達也有非凡的優勢。被動相位陣列雷達 的每組天線陣列只有少數幾個訊號發射源(以SPY-1相位陣列雷達為例,每面天線由8個並連的發射器供應能量),雷達的振幅與波形便取決於這些發射機,而且這種發射器屬於控制精確度較差、反應較為遲鈍且效率較低的真空管科技;而主動相位陣列雷達上每個天線單元都是獨立且能個別控制的小發射源 ,並使用動作精確迅速、效率高的積體電路,自然可在運用與分配的彈性上取得突破性的進步(註七)。由於每個T/R單元都能各自發射電磁波,因此只要擁有適當的控制軟體,同一組陣列天線上的T/R單元就能可自由劃分成許多組各自獨立運作的子陣列,各自產生獨立的波束,每個子陣列的波束的動作、強弱甚至波形均各自管理 ,因此在波束管理與工作分配上的彈性比被動相位陣列雷達高得多。 例如,主動相位陣列雷達可同時分割出好幾組陣面單元,同時間分別執行不同工能,或者以幾組單元交替輪流執行某一功能。 此外,由於積體電路T/R元件的開關控制精確 ,效率高於傳統行波管,透使得主動相位陣列雷達的效率、旁波瓣抑制、低雜訊比、自適性波束管理等能力都比被動相位陣列雷達更為優異。故在相同的系統體積與功率等級下,主動相位陣列雷達的各項性能表現(精確度、偵測距離、電子反反制能力 、電磁波管制等)高於被動相位陣列雷達,一般而言偵測距離可為後者的1.5至3倍;同時,透過數位化波束形成(DBF)技術、自適應波束控制(Adaptive Waveform Management)技術、射頻功率管理等技術,結合主動相位陣列雷達的靈敏特性,也可大幅擴充其功能與性能,開發出許多新的作業模式,進而衍生出新的空戰戰術。例如,德國/荷蘭合作的APAR主動相位陣列雷達雖然使用波長較短的X(I/J)頻(鑑別度高但不利於長距離傳遞),但是其150km的偵測距離卻高於法/義合作、波長較長(C頻)的EMPAR被動相位陣列雷達。 而幾種歐美新一代戰機使用的主動式相位陣列雷達如美國F-22的APG-77、歐洲EF-2000的CAESAR,均標榜能同時兼顧多種操作波段、掃瞄範圍各異的偵搜工作(包括高空劇烈迴避的高性能戰鬥機,低空來襲的固定/旋翼機、巡航飛彈,以及對地掃瞄/地貌追沿等,並將指令傳輸給正朝目標進擊的空對空飛彈),並在精確排除所有干擾源與雜訊的情況下,維持所有移動目標的訊號強度(不受都卜勒慮波器的限制)。

在安裝方面,由於主動相位陣列雷達天線為平面狀,沒有任何機械動作,背後也不需要連著麻煩累贅的導波管與行波管,因此在安裝上便更加自由,也更能融入載台的外型,這對於外型與體積有著嚴格限制的航空器而言格外具有價值;以空中預警機為例,主動相位陣列雷達天線能以適形方式融入機身各部位的外觀,不一定要像E-2/3等傳統預警機般非得在背上背個碟型旋轉天線不可,載具本身的飛行性能遂得以大幅提昇。而未來戰鬥機使用的側面或翼面雷達天線,最適合的技術同樣非主動相位陣列雷達莫屬,畢竟想在厚度有限的機翼裡塞入被動相位陣列雷達所需的行波管/導波管,是強人所難。對於艦載系統而言,免除導波管與發射機的主動相位陣列雷達 ,其安裝位置相對而言也較為自由,比較有「高架」的條件;例如荷蘭/德國的APAR雖使用四面固定天線的構型,但由於採用波長較短的X波段,使得天線本身尺寸較小,加上主動陣列雷達體積重量較輕的優勢,遂得以置於艦上塔式桅杆的頂部,達到較理想的水平偵測距離。

  主動相位陣列雷達 由於波束相位控制更精確靈敏、旁波瓣與雜訊更低,加上天線分配更具彈性,所以擁有比被動式相位陣列雷達更上一層樓的自適性干擾消除能力(如前述)。主動相位陣列雷達由於T/R單元管制最具彈性且控制精準, 能更彈性而動態地建立副天線來接收敵方雷達的旁波瓣。透過數字波束形成(DBF)技術與靈敏的波束管理能力,主動相位陣列雷達主波束面臨干擾時,還可自動將主波束分離成兩個波束,使其零值對準敵方干擾源;若干擾源來自於旁波瓣方向,也能迅速在該方向形成零值,使敵方收不到雷達信號,從而無法有效實施干擾。 例如,英國實驗性的MESAR-2最多能建立16具偵測旁波瓣的虛擬副天線,而且因為主動相位陣列雷達能更精確地控制波束方位,故英國宣稱該雷達能精確地透過自適應技術,同時 排除多個干擾來源,但仍保留相當接近的目標回跡。 此外,由於主動相位陣列雷達的T/R元件相當靈敏,且理論上可以控制每個T/R元件個別使用不同的波形,遂能控制波束進行極不規則的波束動作(包含強弱、波束方位、脈衝頻率等),使得單位時間內同一方位累積的雷達波訊號變得不規則,比較不易被敵方電子支援系統截獲,並增加敵方干擾的困難度 ,具備低截獲率(LPI)與低觀測特性(LO)技術的理想條件;雖然理論上被動相位陣列雷達也能這麼做(關鍵同樣在控制軟體),但受限於行波管的性能以及發射機的數量有限(註八), 這方面的表現將不及主動相位陣列雷達 。

  主動相位陣列技術的未來發展

將目光放遠,主動相位陣列天線技術提供了一個「效能優異、功能強大」的電磁波收發工具;既然如此,只要擁有適當的控制軟體,這種傑出天線的功能就不僅止於作為「雷達」而已。 許多新一代整合式電子戰系統或者是高頻寬資料傳輸系統,都以相位陣列天線來取代傳統天線,目的就是要獲得更高的性能。

  在電子戰方面,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天線後,無論對於主動式的電磁波干擾或被動式的截收,性能表現都會大大地增強:對被動截收而言,相位陣列天線由於分割彈性廣泛、反應靈敏,將提供極高的定位精確度,使載台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製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生多道波束分別干擾不同的目標,而優秀的旁波瓣抑制能力可將天線外洩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,有機會徹底消除載台自身的雷達回波,在敵方雷達螢幕上完全隱形),由於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。而發展中的直接能量電磁脈衝(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,將脈衝能量投射至敵方電子迴路與硬體上造成實體損壞。 瑞典Ericsson為JAS-39戰機開發的MIDAS整合式電戰防護系統,便採用平板式主動相位陣列天線,無論在被動截收監聽距離、威脅標定精確度都遠勝過傳統式同類系統;拜優秀的天線機能以及傑出的後端控制軟硬體,Ericsson宣稱加裝此一整合於機體內的內建式系統後,JAS-39的整體電子作戰能力將不輸給現役其他需要外掛大量各式電戰莢艙的專業防空壓制(SEAD)戰機,而且不需要佔用任何機上掛架。

  在資料傳輸方面,現階段美國等先進國家大力發展的網基作戰,包括協同接戰能力(CEC)、全球即時精準打擊作戰、同時指揮大量無人載具、整合戰區內所有單位/載台的感測裝置去持續追蹤匿蹤目標等工作,傳輸的資料量即為龐大,絕非現有包括Link-16在內的戰術網路系統所能負荷;而主動相位陣列雷達強大的發射能力,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,在電子軟/硬殺與戰術通訊/資料傳遞等領域也展現了不可限量的潛力。 不過相位陣列天線高指向性的特點,在進行通訊用途時,傳輸的各個載台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,而傳輸之前各載台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,美軍在測試協同接戰能力的相關設備時,已經發現了這個問題;反觀傳統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範圍內都能收到訊號。

  以未來二十年內全球性能最強的戰機用雷達──美國F-22戰鬥機的APG-77主動相位陣列雷達的性能表現,就能從中領略主動式相位陣列雷達領先於被動式相位陣列雷達之處 ,以及其不可限量的發展前景。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,在同一時間內各自操作 ,未來還可能增添位於機身側面的陣列天線,使F-22的雷達視野範圍激增。拜主動相位陣列天線賦予的超高波形調整速率、資料更新速率以及分配彈性之賜,APG-77能同時執行多個波形、資料更新速率各異的對空/對地模式。又,由於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,在維持所需的戰況意識(Situation Awareness,SA)的條件下,隨時對雷達波束的強度、發射時間與波束範圍進行調整,將其減至最低,最大限度地減少因電磁波外洩而遭敵方截收偵獲的機率。此外,APG-77亦具備封閉迴路追蹤(Closed-loop tracking)能力,也就是持續修正雷達波的能量與脈衝頻率,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整合式電子戰系統的支援下,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,並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秒之內的資料傳輸量(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,這對於現階段經常苦於傳輸頻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,搭配新研發的控制軟體,發展一種電子軟/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路內散佈病毒,預計在2010年代正式推出。

  主動相位陣列天線的終極發展目標,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,配合不同功能的控制軟體,進而包辦一個武力投射平台上所有相關的電磁波收發機能(註九)。這種全功能陣列天線能根據戰場上的需求,將天線分組來執行所需的各種功能,而分配給各功能的T/R單元數量也是完全根據任務所需。前述美國APG-77以及歐洲EADS集團正為EF-2000戰機發展的新型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、被動電子信號監聽截收、敵我識別、通信傳輸、導航、飛彈導控傳輸等等。而德國海軍研發中的「2020年水面艦艇計畫」(FDZ-2020)中,也預計採用 一種IMSEM整合式多頻譜電子桅杆系統, 以一座配備多頻譜相位陣列天線系統的封閉式桅杆來包辦一艘艦艇所需的各種電磁波收發機能,包括導航搜索、對空/平面搜索、追蹤、射控導引、電子戰、通訊、指管通情、資料鏈傳輸等等。

總之,由傳統機械式天線或被動相位陣列雷達過渡到主動相位陣列天線技術,將是各國軍方今後的必經之路。

  (註一)不一定是真的「為每個目標發射一道波束」,因為過度消耗資源而且沒有必要。由於方位切換速度極快,因此同一道波束可利用分時多工的方式,輪流在某些原本已經搜獲目標的方位上,多送出幾道波束加強監控,或者是輪流執行幾個射控導引工作,巨觀來看就像是每一個目標都有一道波束在專門負責監控,或者是同時導引多件武器進行接戰。當然,後端處理能量通常不允許對每個在雷達搜索範圍內的目標都進行射控等級的高精確度監控,但是容許的數量與追蹤精確度遠優於傳統機械式天線雷達。

(註二)當然,這並非意味相位陣列雷達不必遵守基本物理定律。在相同的操作頻率與發射功率下,天線單元數較多(意味等效孔徑較大)的相位陣列天線,波束的強度、集中度以及旁波瓣的抑制程度要優於天線單元數較少者。

(註三)事實上,第三代戰鬥機使用的雷達天線便已經部分運用了陣列雷達的原理,其天線是由大量小型射頻單元構成的平面陣列,便能製造出更為集中筆直、旁波瓣更小的雷達波束。只是這類雷達的天線元件並不能直接控制波束的方位,還是需要透過天線的機械伺服機構來轉動天線。

(註四)美國在21世紀初期規劃的DDG-1000陸攻驅逐艦以三面相位陣列雷達天線涵蓋360度空域,故每面天線負責的方位角為120度。

(註五)美國在1960年代曾於少數RC-135大型機上部署的主動與被動相位陣列雷達,用於追蹤彈道飛彈等用途,堪稱是同類型系統的早期先驅;但此時主/被動相位陣列雷達領域的相關技術還沒有到成熟普及 的階段。

(註六)由於主動相位陣列雷達把射頻製造的工作由以往的後端發射機轉移到天線上,因此純就天線部分而言,主動式相位陣列雷達要比只負責改變波束方位的被動相位陣列天線更「熱」 ,故需要特別的冷卻措施,例如荷蘭/德國合作開發的APAR主動相位陣列雷達天線配備液冷系統,天線外部並設有一個圓弧狀的保護罩;而中共052C飛彈驅逐艦的H/LJG346相位陣列雷達也擁有液/氣冷系統,整面天線用一個大型的圓弧罩子封閉起來,裡面流通的是經過處理後的冷空氣。

(註七)主動相位陣列雷達的天線本身固然性能非凡,但還是要靠背後控制軟硬體的發揮,才能展現出優於被動相位陣列雷達之處。打個比方,主動相位陣列天線科技固然是倚天劍之流的名刀,但還是必須握在武林高手( 波束控制與信號處理技術)掌中,才能成為所向無敵的神兵利器。例如,日本F-2戰鬥機的J/APG-1主動相位陣列雷達是由日本領先全球的砷化鎵半導體科技打造而成,但日本在雷達控制軟硬體的發展卻是遠遠不及,導致J/APG-1服役初期的實際性能表現比起老一代的F-5戰機相去不遠 (在2002年3月有消息傳出,其有效偵測距離僅37km,且多目標追蹤能力不穩定),完全沒能發揮主動相位陣列天線的先天優勢 ;據信這是因為負責發展的三菱電機軟體編寫功力不夠,而且沒有充分考慮機鼻雷達罩外型與空速管對雷達波形造成的影響)。這些問題在兩年之後獲得改善,據說目前J/APG-1在一般情況下的的有效偵測距離比F-15的APG-63高出20%。

(註八)被動相位陣列雷達的波束動作除了指向是由天線控制外,其餘參數如波形、振幅、脈衝頻率等則完全取決於發射機。因此,每面被動陣列天線由多少發射機供應,也決定了每面天線在分割運作時,能有多少種次波束的變化。而對於主動相位陣列雷達而言,每個分割出來的子天線本身就是一個發射源,遂能擁有獨立的波束控制,一般而言比起發射器有限的被動相位陣列雷達更為「變化多端」。

(註九)這並非意味相位陣列化天線就一定適合取代「任何」的傳統形式天線。某些傳輸工作的性質並不需要相位陣列天線的特長,甚至是一些需要四面八方「廣播」訊號的功能,對於波束指向性高且大幅抑制旁波瓣的相位陣列天線而言適得其反。

http://www.mdc.idv.tw/mdc/information/par.htm
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