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                            機載雷達簡史:向雷達先驅者們致敬

                            作者:時間:2018-09-19來源:網絡收藏

                              蝙蝠,雖然像人一樣擁有雙眼,但它看起東西來,用到的卻不是眼睛。蝙蝠從鼻子里發出的超聲波在傳輸過程中遇到物體后會立刻反彈,根據聲波發射和回波接收之間的時間差,蝙蝠就可以輕易地判斷出物體的位置。這一工作原理與人類發明的如出一轍。

                            本文引用地址:http://www.uavs.tw/article/201809/392052.htm

                              從蝙蝠的生存技能來理解,無疑是一個很有意思的捷徑。不過把的發明說成是仿生學的結果,卻是一種牽強附會。如果時間倒退到七十多年前,英國的雷達先驅者們聽到這種說法,也一定會笑著解釋說,“不,不,是轟炸機讓我們發明了雷達,而不是蝙蝠。”

                              1935年,英國科學家羅伯特.沃森.瓦特爵士(發明蒸汽機的那位瓦特先生的后代),顯然繼承了其祖先的優秀基因,成為世界上第一部雷達的研制者。當時正值第二次世界大戰前。那時的轟炸機在戰爭中已經扮演了重要的角色,為了發現入侵的轟炸機,最初只能利用光學(如探照燈)或聲學的手段,顯然,這種方法提供的預警時間太短,不能滿足防空需要。為了緩解巨大的防空壓力,英國人可謂絞盡腦汁。

                              1935年初,瓦特開發出一部能夠接收電磁波的設備。當年6月,瓦特領導的團隊趕制出了世界上的第一部雷達。多座高塔是這部雷達的最顯著特征,高塔之間掛列著平行放置的發射天線,而接收天線則放置在另外的高塔上。7月,這部雷達探測到海上的飛機。1936年5月,英國空軍決定在本土大規模部署這種雷達,稱為“本土鏈”(Chain Home),到1937年4月,本土鏈雷達工作狀態趨于穩定,能夠探測到160千米以外的飛機;到了8月,已經有3個本土鏈雷達站部署完畢。而到了1939年初,投入使用的雷達站增加到20個,形成貫通英國南北的無線電波防線。

                              1939年,二戰爆發。英德之間的不列顛空戰成為雷達大顯身手的舞臺。本土鏈雷達網多次探測到德軍的空襲,并為己方攔截機提供引導信息。也許,德國人并沒有真正理解本土鏈的威力,因此自始至終都沒有對那一個個看來莫名其妙的高塔進行轟炸或干擾。

                              雷達先驅者們的不幸

                              雷達在戰爭中展露頭角,使得英國人也想把雷達裝上飛機。在空戰中,如果在晴朗的白天,飛行員一般都能比較順利地發現敵機,但如果天氣不好或者是在夜晚,發現目標就會變得困難。把雷達裝上飛機就能幫助飛行員穿透迷霧和黑夜進行空中攔截作戰——空中截擊雷達(AI雷達)的概念就出現了。然而,以當時的技術水平,哪個工程師要是被軍方派去開發AI雷達,絕對是一種不幸。先不說本土鏈雷達的巨大天線,僅僅是巨大的耗電量就是個難以解決的事兒了。那么,怎么樣才能把雷達做得足夠“迷你”夠“環保”卻又看得足夠遠呢?

                              雷達通過發射機產生一定振蕩頻率的電流,送至天線后通過電磁感應現象把電能變成電磁波輻射到空間;電磁波碰到物體后會向各個方向反射,其中一部分會返回雷達(稱為后向散射),被天線接收并送至雷達接收機,在顯示器上顯示。如果我們能夠提高發射機產生的功率,并且使得從天線輻射出去的電波能量在空間盡量集中,就能使得電波能夠在更遠的距離上觸及目標。這正像我們在說話時,如果需要離自己很遠的人也能聽見,可以做兩件事,要么扯起嗓子喊,要么拿一個喇叭。雷達提高探測距離的這兩個基本辦法,在專業上稱為提高“功率孔徑積”。

                              如何提高發射機的功率呢?可以對一定振蕩頻率(可以認為與雷達在空間輻射的電磁波的頻率相同)的電流通過放大器放大,然后再送至天線。實際上這是發射機最主要的功用。但是,放大器的放大能力與電磁波的工作頻率直接相關。頻率越低,放大越容易。早期的雷達,其電磁波頻率只能在300兆赫以下(對應的電磁波波長大于1米,稱為米波),本土鏈雷達的工作頻率只有11.5兆赫,波長26米。當然,如果器件水平只允許雷達工作在較低的頻率,而雷達工作在較低頻率上又沒有什么壞處的話,那就讓它工作在低頻段上好了,但情況并沒有那么簡單。雷達電磁波的工作頻率還直接影響到雷達把能量集中到空中去發射的能力,即天線性能。人們把雷達電波從天線輻射出來的能量在空間的分布用波瓣圖來表示。雷達能量最集中的區域稱為主瓣,其余的區域就叫副瓣,又叫旁瓣。雷達天線把能量集中到主瓣寬度內發射的能量和雷達向全方位同等輻射能量的比值,稱為天線的增益。雷達能量在空間越集中,主瓣寬度(一般為幾度以下)就越小,增益就越高。在天線尺寸一定的情況下,雷達波長越長,主瓣波束寬度越寬,增益越小;或者說,在雷達波長選定以后,為了獲得盡量窄的波束寬度和盡量高的增益,應該盡量把天線個頭做大。

                              如果要增大天線,飛機上的空間不允許;如果要提高電波頻率和發射功率,器件水平又不允許,而且,早期的電子技術,無法直接在一個較高的頻率上產生電流振蕩,如果要讓雷達工作頻率提高,就只能采用一級一級的電路逐級提高工作頻率,這無疑又會增加設備的數量、重量和體積。因此,早期的發展面臨嚴重的困難。

                              無心插柳的空海監視雷達

                              1936年,美國無線電公司開發出一種小型電子管,可產生波長1.5米,工作頻率200兆赫的電磁波,這成為人們把雷達裝上飛機的一根“救命稻草”。1937年8月,世界上第一部試驗機由英國科學家愛德華?鮑恩領導的研究小組研制成功,并把它安裝在一架雙發動機的“安森”飛機上,探索作為截擊雷達的可能性,這架“安森”飛機便成為最早載有雷達的飛機。不過雷達的功率雖然只有區區100瓦,但卻讓飛行員們感到不安——他們認為,雷達可能引起火花并點燃油箱,而且,雷達的天線會妨礙飛機的機動飛行。

                              正式試飛開始以后,結果有些出乎意料。雷達在空中沒有發現任何空中飛機,卻把海面上的幾艘船看得清清楚楚。于是瓦特又特地安排這架飛機做觀察英軍艦船的進一步實驗,結果令人鼓舞。很快,的研發重點就從空-空截擊轉向空-海監視。這種情況發生的原因是,艦船反射雷達回波的能力要比飛機反射回波的能力強幾十倍以上。因此,在海情良好的情況下,機載雷達發現艦船的距離要比發現飛機的距離遠得多。但當海情惡劣時,艦船回波容易受到海浪的干擾,雷達發現距離會大幅度下降。

                              1939年11月,第一種生產型機載空海監視雷達ASV-1開始試驗,1940年初投入使用,裝備英國空軍海防總隊的3個海上巡邏機中隊,用以在北海跟蹤護航艦隊。1940年末,隨著希特勒“海獅計劃”的破產,納粹空軍對英國的空中威脅大大減弱,不過德軍潛艇的活動卻越發猖狂。到1941年春,德軍潛艇已經擊沉一百多艘盟軍商船,極大破壞了英軍物資保障體系。于是,英國開始圍繞海上交通線大舉開展反潛戰,機載雷達成為盟軍反潛的利器。它能在更遠的距離上發現水面航行的潛艇,并引導飛機發起攻擊。

                              小玩意兒的大玄機

                              1940年2月,英國科學家發明磁控管,第一次使得雷達工作頻率從米波提高到分米波,從而使得雷達終于進入微波時代(雷達波長如果短至分米以下,則稱為微波波段)。雷達工作在微波波段帶來的好處是巨大的。由于頻率提高、波長縮短,所以可以允許天線在做得比較小的情況下仍然有很強的方向性,另外磁控管也解決了雷達工作頻率提高以后的功率放大難題,首次讓雷達工作在分米波長上并產生高達1千瓦的功率。

                              在20世紀40年代之初,磁控管讓機載雷達在經歷了3年的徘徊和困難時期后有望解決在飛機上的適裝性問題。同時在這一階段,另一重要元件的發明——電子收發開關,使得雷達不再需要分置的兩個天線,將用于接收和用于發射的天線合二為一。那么,雷達發展的早期,為什么發射和接收要用不同的天線呢?

                              雷達的首要功能是測距,通過測量發射電波和接收回波之間的時間差,并將其除以2后再乘上電波傳輸速度(光速),就得到目標距雷達的距離。大部分雷達采用脈沖方式工作,也就是雷達發射一段時間的電磁波(通常為數毫秒以內),然后歇一會兒(通常為幾百毫秒以內),然后再發射,如此往復。雷達停止發射的時間段內,就在接收回波。由于從發射機送出的功率極大(地面雷達的功率可達兆瓦以上),而進入接收機的雷達回波通常非常微弱(最多為發射機送出的功率的幾百億分之一),為接收到微弱的回波,接收機要求非常靈敏。在電子收發開關沒有發明之前,為使發射機的能量不至于進入接收機并燒壞接收機,只能把收發天線以及相應收發通道分開。有了電子開關之后,在用一個天線既做發射又做接收的情況下,發射時用于保證巨大的雷達電波能量僅僅送入天線而不送往接收機;接收時則保證可以讓微弱的雷達電波能量送入接收機而不是送往發射機,使接收到的能量不至于被發射機送出的能量所淹沒。

                              不過,對雷達來說,還需要在收發開關的基礎上,再配置接收機保護裝置。這是因為,天線和傳送電流至天線的通道之間的電路不能做到絕對匹配,因此,天線不能完全吸收由發射機送過來的電流能量,其中的一小部分會被天線反射回來,從而會造成一部分發射機能量損耗———就像光線在穿透一塊玻璃時,總有一部分光線會從玻璃上反射回來一樣。由于雙工器完全根據能量的流向執行其開關功能,因此,從天線反射回的這部分能量會“欺騙”雙工器,仍然會進入接收機。雖然這個能量很少,但仍然比雷達的回波強很多,足以燒壞接收機。

                              雷達天線不再分置,減少了飛機上的空間占用,使機載雷達更加緊湊,設備在機身上的安置更加集中。隨后,也是在這個十年間,雷達天線形式開始由釘子狀的單個或多個天線振子、魚骨狀的八木天線陣列向鍋狀的拋物面反射天線進化。拋物面天線的增益是八木天線的十倍以上,也就是拋物面天線的波束寬度普遍要比八木天線的窄很多,從早期的十幾度甚至幾十度演變到當時的幾度,這樣,功率相對小一些的發射機,也能讓電波傳得很遠。

                              磁控管的發明,收發天線的共用,以及天線形式的演變,使雷達逐漸變得更適合在飛機上安裝,到上世紀40年代中期,雷達已經具備了機載應用的條件。

                              擦亮飛機上的神眼

                              雷達有兩大基本功——測距和測角。

                              因為電磁波的傳播速度是一定的(光速),測距就是測時間,或者說,時間就是距離。雷達所能測量的時間越短,則雷達距離的測量也就越準。在雷達里,能夠測量的最短時間就是每次發射電波的持續時間,即脈沖寬度。因此,減少雷達發射能量的持續時間,對提高距離測量的精度有好處。

                              雷達對角度的測量,則要復雜一些。由于雷達的波束有一定寬度,為了覆蓋全方位,雷達波束就需要旋轉起來,正像人的眼睛有一定的視角范圍,為了看清身體兩側和身后的物體,就必須轉身一樣。

                              雷達測量目標的角度,就是通過記下雷達天線當前旋轉所處的位置,如果在這個位置上有一個很強的回波,那么,這個回波所對應的方向就是雷達天線的當前指向角。但是,如果雷達波束很寬,而兩個目標在方位上又靠得很近,一個波束就可以把這兩個目標“罩住”,那么,雷達對這兩個目標就無法區分了。如果降低雷達的波束寬度,使得波束在兩個旋轉位置上才能分別照射到這兩個目標,這樣就會有兩個方向了。因此,測角要測得準,首先要使波束窄一些。后來,人們想到了在測量方法上也做一些改進。通過先后改變波束位置(在這兩個位置上都能照射到目標),并且使同一個目標在這兩個波束位置上的回波強度都一樣,那么,由于波束位置是事先知道的,就可以判斷出目標的方向是在這兩個波束位置的角平分線上。如果目標不是位于兩個波束位置的正中,那么兩次回波在強度上就有所不同。由于這種測角方法中,需要把波束先后放到兩個相鄰的位置上,而雷達天線通過掃描在空域中搜索目標時正達到這樣的效果,所以稱為“順序掃描”。當需要對目標的高度也進行測量時,道理是一樣的,只不過是把波束要先后放到兩個相鄰的高低角上。如果在測量方位的同時,需要測量高度,那么波束既要在方位上變化,也要在高度方向上變化,此時從雷達射出的波束就要在空中“畫圈”,波束的運動軌跡就像一個圓錐,所以這種測角方法稱為“圓錐掃描”。

                              通過順序掃描或圓錐掃描的方法,雷達對角度的測量可以達到波束寬度的幾分之一。不過,順序掃描或圓錐掃描雖然提高了測角的準確度,但是由于這種測角方法需要利用波束先后兩次照射到目標后的回波,兩次回波的強度可能會變化很大,難以使兩次的回波強度相同,所以,測角效果有時候并不是很理想。我們都有這樣的生活經驗,在明媚的陽光之下,垂楊柳邊,一片平靜的湖面,在微風的吹拂下,波光搖曳。這些粼粼的波光有時候會讓我們覺得晃眼,有時候卻又很溫柔地進入我們的視線。這種情況實際上表示,陽光照射到湖面以后,由于微風吹動了湖水,水面的姿態在變化和起伏,從而使水波反射進入人眼的陽光強度發生了變化。目標對雷達的反射有如此理。在雷達的波束先后兩次照射到目標的時間間隔內,由于目標在此期間的姿態或其它物理特性的變化,雷達兩次收到的回波的強度會有很大的不同,專業上叫作“目標閃爍”或“目標起伏”,這對雷達確定目標的位置是非常不利的。所以,雷達在確定目標的位置時,要想測得準一些,總是希望克服目標閃爍的影響。20世紀50年代,雷達工程師想到了單脈沖技術,也就是讓天線“同時”產生兩個波束照射目標而不是“先后”利用兩個波束照射目標,以克服先后兩個波束照射的間隔中目標回波強度的變化;而且理論上,這種方法只需要兩個波束在一次照射時間內(也就是1個脈沖,故稱為單脈沖)返回的能量就能把角度測出來,而測量的準確度卻可以提高1個數量級(達到波束寬度的1/10至1/20)。

                              脈沖壓縮,魚與熊掌可以兼得

                              前面說過,為了提高雷達的距離分辨力,以及測距的準確性,希望脈沖寬度越窄越好。另一方面,以脈沖方式工作的雷達,脈沖越寬,也就是每次發射能量的持續時間越長,里面包含的能量也就越多,回波也就可能蘊含更多的能量,這對于提高雷達的發現距離是有利的,所以,雷達脈沖又是寬一些好。那么,如何解決提高發射能量和提高距離分辨力的矛盾呢?答案就是脈沖壓縮。這是繼20世紀50年代出現的單脈沖技術后,機載雷達發展史上的又一次重大技術突破。

                              脈沖壓縮技術就是在發射脈沖時,脈沖寬度很寬,在接收時,則把它壓窄。脈沖壓窄意味著頻率變高,而頻率越高,通過接收機的速度就越快。脈沖的接收過程相當于把寬脈沖分成很多段,如果不作脈沖壓縮,那么這些段是先后依次通過接收機。如果作脈沖壓縮,就是在第一段通過的同時,讓第二段趕上第一段,第二段和第一段就同時通過了。然后讓第三段趕上第二段,第四段趕上第三段……,所有的回波段就全趕在同一個時間段通過接收機了。因為要讓后面的段趕上前面的段,所以,后面段的信號頻率就要依次增高,越靠后面的段頻率越快。

                              平板縫隙天線,團結與距離

                              平面陣列天線從外觀上看,象是一塊平板,而不象拋物面那樣是一個曲面。波導縫隙(又稱“裂縫”)陣列天線就是用得最多的平面陣列天線。顧名思義,“波導縫隙陣列”就是把波導——根根排列起來組成陣列,并且在陣列上開出縫隙。波導是電磁波從發射機輸送到天線以及從天線輸送到接收機的通道。波導中以電流或電磁場形式傳輸的電磁波,在“縫隙”處輻射出去并在空間進行合成,以在某個方向上形成窄波束;而在接收時,則在雷達發射電波的方向上收集返回的大部分雷達能量,當然,每個縫隙所接收到的電磁波也要合成,以便形成接收波束。

                              天線上的各個縫隙之間到底間隔多大的距離排布,有一個簡單而重要的規律,那就是必須相隔半個波長,無論是高度方向上還是水平方向上,都服從這個規律。如果間距太大,各個縫隙射出的電波能量在空間合成時不容易匯聚到一起,因此,各個縫隙需要“緊密團結”;可如果各個縫隙太“親近”,也就是間距太小,各個縫隙射出的電磁波又容易互相干擾、互相打架,正所謂“距離產生美”,因此,間距半波長為宜。

                              縫隙除了開在波導上以外,也可以開在微帶傳輸線上。微帶傳輸線和波導一樣,都是傳送電流或電磁場的通道,一根根的微帶傳輸線也可以象波導一樣排成陣列。所以,很多時候,人們將波導縫隙或微帶縫隙天線統稱平面縫隙陣列天線。

                              平面陣列天線誕生于20世紀60年代,相比之前的鍋形天線,又將天線增益提高了一到兩個數量級,這有利于擴展機載雷達的探測距離。通過提高天線匯聚能量的能力來使雷達看得更遠,而又不會明顯增加雷達的體積和重量。

                              脈沖多普勒,相對運動的奧妙

                              人們在說起機載雷達性能時,常常提到“具有下視下射能力”。要能“下射”,“下視”(雷達的波束往下指向)是前提,只有能夠發現位于己方飛機下方的目標,才能進行打擊。而雷達的波束往下指向后,電波不僅會打到需要探測的飛機目標上,還會打到地面上,而來自地面的回波(稱為雜波)能夠比來自飛機的回波強百萬倍以上,從而將目標淹沒,雷達不能發現目標。

                              那么,如何使得機載雷達具有明察秋毫的下視能力,使得它能夠把弱小的目標回波從強大的地面反射回波中區分提取出來呢?在沒解決雜波剔除問題之前,機載雷達基本上只能在海面上空工作,經過自上世紀30年代后期至60年代的發展,機載雷達無論是發現海面上的艦船,還是看海面上空的飛機,都已經具備了差強人意的能力。但直到70年代初脈沖多普勒(PD)技術的成熟,才使得機載雷達真正具備全空域工作的能力,能夠在陸地上空較好地發揮作用。

                              脈沖多普勒是指雷達在以脈沖方式工作的同時,利用多普勒效應來區分目標和雜波。什么是“多普勒效應”呢?我們有過這樣的生活體驗,站在火車站臺上時,如果一列火車鳴笛接近站臺,我們會覺得其聲音逐漸尖銳,而火車逐漸遠離站臺時聲音逐漸低沉。火車的鳴笛從尖銳到低沉的變化,實際上是進入人耳的笛聲聲波頻率的變化,而這種變化的產生正是由于火車存在相對于人的接近或遠離的運動,這就是多普勒效應。

                              與此類似,當雷達向空中發射一定頻率的電磁波,如遇到運動目標,一般情況下該目標會存在與雷達的接近或遠離的運動(稱為徑向運動),因此從運動目標反射回雷達的電磁波頻率與雷達發射出去的電磁波的頻率相比會發生變化,二者的差值稱為多普勒頻率,它與2倍的目標徑向速度(注意不是目標的真實速度,徑向速度只是真實速度的一個分量)成正比,與雷達波長成反比;如果目標是接近雷達的,則多普勒頻率是正的,反之是負的。

                              在脈沖多普勒技術發明之前,雷達要檢測到目標,是利用目標的回波強度。如果目標的回波足夠強,強過接收機中根據電子隨機起伏而產生功率(即“電子噪聲”,簡稱“噪聲”),雷達就可以發現目標的存在。這種方式就是“普通脈沖”方式,它并沒有利用目標的速度信息。而由于雷達下視時,地面的反射回波強度要比目標的回波強度強很多,所以,在雷達顯示屏上,操作員只能看到白花花的一片,目標回波淹沒在雜波中,雷達就因為“晃眼”而“暫時失明”。脈沖多普勒技術發明以后,雷達在發現目標時,不僅僅利用目標的回波強度,也利用目標和地面的速度信息,因為兩者相對于雷達有不同的速度,從而目標和地面相對于雷達有著不同的徑向速度,進而有著不同的多普勒頻率。利用這一點可以把目標回波和地面反射回波進行區分。這就是脈沖多普勒技術蘊含的簡單道理。

                              相控陣技術,相位里的大學問

                              在電子技術中,特別是雷達技術中,“相位”是一個極其重要的概念。為了理解相位,我們可以用多人多槳的劃艇比賽做例子。要想艇劃得快,所有劃艇的人必須高度配合,一是說,所有的人都必須使出最大的力量;二是說,所有的人使出最大力量的時機,或者說槳每次入水的方向和相對于船體的位置,都必須一致。如果不一致,就得不到最大的前進速度。也就是說,驅動艇前進的總力量,就是各個槳手的力量的合成,但并不是各個槳手的力量簡單地相加,在相加時還要考慮到槳手用力的方向,以及使出最大力量的時機。

                              相位在雷達中的作用,有如此理。以平板縫隙天線為例,每一個縫隙就是一個小的天線單元。從平板天線發射出來的有一定寬度的波束,實際上是每個縫隙所輻射出來的具有一定幅度(功率或能量,相當于每個槳手的力量)和一定相位(相當于槳手劃槳的方向和時機)的電波的疊加,而不僅僅是幅度的疊加。在主瓣方向上,所有的天線單元輻射出的能量相加能夠達到最大,而在其他方向上,所有天線單元輻射出的能量則遠遠小于最大值,這就是因為在其他方向相加時,各個天線單元輻射出的能量不是同相位相加的。因此,在雷達天線里,相位是用來衡量各個天線單元相互配合程度的。

                              由于相位在雷達能量合成的過程中有些類似于矢量相加過程中的矢量方向角的作用(矢量相加遵循平行四邊形法則),所以,相位一般用角度來表示。反過來說,為了形成具有一定寬度的波束,在設計天線時,必須使得組成天線的各個輻射單元所輻射出的電磁波在空間的某些方向上同相位或接近同相位相加,這樣就能獲得較大值,這些方向上分布的能量就會較多,這些方向就是主瓣區域;而在空間的某些方向上反相位或者接近反相位相加,這樣就能在其它方向上獲得較小值,這些方向上的能量分布較少,就是副瓣區域。

                              普通的平板天線中的每一個縫隙,其輻射出的電磁波相位在出廠時就是固定好、不能調整的,此時,從天線平面中心輻射出的具有一定形狀的波束一定始終垂直于平板的方向。所以,如果要想使天線波束能夠覆蓋全方位空域,就只能讓平板天線旋轉起來。

                              20世紀70年代,在通信技術的發展過程中,人們第一次認識到,如果平板天線中每一個縫隙的相位都能調整和控制,那么,從平板中心射出的波束不僅能夠垂直于平板方向,而且能夠指向其他方向。如果讓每兩個相鄰縫隙的相位差連續改變,則指向就會從垂直于平板中心向其方向連續變化,這種效果實際上就是掃描,而不用轉動平板天線——這就是所謂的相控陣技術。這一技術被迅速地利用到雷達技術中去,掀開了雷達發展的新篇章。

                              在相控陣技術中,波束指向的變化是由每一個天線單元的相位變化來實現的。相控陣雷達在每一個天線單元(如縫隙)后面,都會安裝一個移相器,用來改變它的相位。而我們知道,從天線射出的波束是每一個天線單元輻射出的電磁波在功率和相位兩個方面進行相加的結果。那么,每一個天線單元的功率如何決定呢?早期的相控陣雷達,有一個工作在很高的電壓(高達上萬伏)上的發射機,產生很大的功率,通過功率分配網絡把功率分配到這些天線單元中,每一個天線單元自身輻射功率就是集中式發射機分配得到的,天線單元自身并不能自主地輻射功率,因此稱為無源相控陣雷達。

                              化整為零,從無源到有源

                              集中式發射機由于工作在高壓,很容易發生打火現象,由于發射機只有1個,一旦打火失效,整部雷達也就失效了。實際上,自成功地將雷達搬上飛機以來,可靠性低一直妨礙著機載雷達的應用。在第三代戰斗機F-14剛剛服役時,AWG-9火控雷達的平均故障間隔時間(MTBF)只有幾小時,使之難以形成有效的戰斗力;經過了幾十年的努力,第三代戰斗機雷達的可靠性也只有100小時左右,相對于其他電子設備的數千小時仍有1至2個數量級的差距。究其原因,一是極端惡劣環境下機載雷達高功率電子器件的可靠性低;二是高速運動的機械雷達天線成為大量故障的誘因。無源相控陣解決了機械旋轉天線的問題,并使得波束旋轉不再需要克服巨大的機械慣性而具有更大的靈活性,但對于高功率集中式發射機的可靠性問題,仍然無能為力。

                              此時人們想到,能否把整個發射機分散到各個天線單元后面去,變成若干多個小的發射機,每一個小的發射機只需要工作在很低的電壓上,而從天線射出的波束,是每一個小發射機輸出功率之和。這樣,即使一個小發射機壞了,也不會影響別的發射機,對整個射出的功率也不會產生多大影響。由于原來各個天線單元后面還要有移相器,那就要把移相器和發射機集成到一起。而又由于在集中式發射機情況下,收發通道是共用的,現在發射機被分散到天線單元后面去了,接收通道也可以一起挪過去,這樣,發射機、移相器和接收機全部做到一起,這就是收發組件,實際上相當于一個個小的雷達。有多少個天線單元,就得有多少個收發組件。由于這樣的相控陣雷達其天線單元具備獨立發射功率的能力,也就是天線單元是有源的,因此稱為有源相控陣。

                              人們常常把有源相控陣比作昆蟲的眼睛,這有一定道理。昆蟲的每只眼睛內部幾乎都是由成千上萬只六邊形的小眼睛緊密排列組合而成,每只小眼睛又都自成體系。這種奇特的小眼睛,動物學上叫做“復眼”。而有源相控陣擁有成千上萬個收發組件,每一個收發組件都是一個小的雷達。昆蟲有的復眼可以朝某個方向看,而另外的復眼則可以朝向另外的方向。與此類似,有源相控陣容易實現雷達的多功能,眾多收發組件和天線單元,可以分組使用,各忙各的,有的看這個方向,有的看那個方向,有的用來看空中目標,有的用來對地成像。因此,昆蟲之眼的比喻,很好地說明了有源相控陣最重要的特征和優點。不過,至于有源相控陣的發明,是不是受到了昆蟲的啟發?有源相控陣雷達,是不是仿生學的杰作?這都無從考證了。也許,這只是又一個頗具吸引力的附會而已。

                              米格-31是世界上最早裝備無源相控陣雷達的戰斗機。目前,俄羅斯的無源相控陣技術已經非常成熟,米格-29和蘇-27/30系列都廣泛應用,取代原來的機械掃描雷達。有源相控陣技術從上世紀70年代中期才開始探索,至本世紀初,隨著F-22及其AN/APG-77雷達的服役,才標志著有源相控陣火控雷達的成熟。

                              由于無源相控陣和有源相控陣的天線單元相位都可以由計算機控制,所以在掃描的靈活性上具有同樣優點。二者都可以通過延長在每個方向上照射時間(也就是降低掃描一周的時間)的辦法,來提高目標反射回雷達的功率。因為每個方向上照射時間增加了,也就是發出的脈沖個數多了,而每個脈沖都是攜帶一定能量的,返回雷達的回波脈沖的總能量也就增加了。這是機械掃描雷達做不到的。

                              而有源相控陣較無源相控陣又有很多優勢。首先,有源相控陣易于產生更大的功率,因為天線輻射出去的總功率是每一個收發單元的合成,所以,要增加總的輻射功率,在每個收發單元的功率一定的情況下,增加收發單元的數量即可。而無源相控陣或者是機械掃描的雷達,由于只有1個發射機,在它的功率已經很高的情況下,再提高就非常困難;其次,有源相控陣的可靠性更高,一是因為在有源相控陣的收發組件中采用半導體放大器件(即“固態”器件)對功率進行放大,工作電壓低,功率較小,每個收發組件的功率一般為數十瓦至數百瓦,且有很高的集成度,總功率是若干個收發組件功率的合成,不需要象無源相控陣那樣有一個集中產生大功率能量的發射機,從而避免了集中式雷達發射機必須使用高壓所帶來的打火故障。二是由于有源相控陣雷達收發組件數量較多,如果出現一小撮“非戰斗減員”,對雷達正常工作也無大礙。有源相控陣出現以后,將傳統機載雷達最多200小時的MTBF提高到2 000小時。

                              未來,滲透與被滲透

                              到了20世紀80年代,軍事強國對機載雷達的設計工作已經得心應手,新型號的研制速度很快。隨著半導體集成電路和計算機技術的發展,雷達迅速邁向多功能化的同時也在不斷瘦身——1973年,歷時10年研制成功的AN/AWG-9雷達,采用機械旋轉天線,其直徑0.91米,雷達重量高達612千克,是當時最大的機載火控雷達,工作模式不到10種,可靠性只有數小時。到了2005年F-22的AN/APG-77雷達采用有源相控陣技術,天線直徑為1米,重量只有200千克,可靠性達到2 000小時,有20種以上的工作模式。

                              21世紀的機載雷達,將在不斷完善自身的同時,逐漸與飛機上的其他航電系統融為一體。美國空軍在上世紀80年代初提出了“數字航空電子綜合系統”、“寶石柱”和“寶石臺”計劃,數航系統已在上世紀80年代設計的雷達型號上實現;2005年的F-22服役,則標志著“寶石柱”計劃已在新世紀得以推行。在第一階段,雷達失去了自己的顯示器,與飛機上的其他儀表系統集成在一起;在第二階段,隨著計算機技術的發展,雷達又失去了信號處理和數據處理分系統,只剩下發射、接收和天線三個分系統。通用信號處理器(CIP)將雷達同F-22飛機上的光電、紅外、無源和電子戰系統的信息一起處理。同時,飛機航電系統的數據開始在光纖傳輸上傳輸,傳輸速率可達10吉比特/秒以上,而傳統的1553總線傳輸速率只有1兆比特/秒。各種航電系統掛在基于光纖傳輸的總線上集成起來,并且多達60余種本應由硬件實現的功能都已經由軟件實現。

                              之所以雷達的發射、接收和天線系統成為大一統過程中的“頑固分子”,是因為雷達自身的特殊性所決定的。從發射機來說,雷達自身發射電磁波,為了獲得足夠的回波功率,需要自身提供非常強大的功率,而飛機上的其他傳感器要么自身不輻射功率,要么輻射的功率遠遠小于雷達;從接收機來說,雷達的接收機非常靈敏,要求能夠接收信號的功率僅為發射功率的幾十億分之一;從天線來說,天線的性能與工作頻段息息相關,而雷達的工作頻率與其他電子設備的頻率相差很遠,要想天線共用,必須讓天線在寬達20吉赫茲以上的頻率范圍內工作,而目前的技術,讓天線在寬達1吉赫茲以上的頻率范圍內正常工作,就已經非常不容易。

                              但是,技術的發展,永遠會超出普通人的想象。讓雷達在完善自身探測性能的同時,還能提供通信、偵察和干擾等能力,正在全世界范圍內廣泛開展研究,并持續取得進展。雖然看起來雷達作為獨立的系統正在走向消亡,可是從另外一個角度去看,又何嘗不是在擴展自己的領地呢?



                            關鍵詞: 機載雷達 雷達

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