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探秘相控阵雷达的前世今身

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发表于 2016-11-15 11:09:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
相控阵雷达,近几年都是各大军工研究院所的主要攻坚方向。为虾米?坊间有个传闻:歼-16原来采用的有源相控阵雷达技术较老导致一直大规模返厂被戏称为“菊花残”,最近传出歼-16将全面更新成中电科某所研制的全新型雷达。消息称,研制单位已经为换雷达做好了准备,歼-16换装新型雷达能够较快完成。作为我国未来重要的双发双座重型多用途战斗机,歼-16的未来依然光明。从歼16的“菊花残”到“飞火推”,相控阵雷达在新一代军用设备中的重要性可见一斑。 那么如此神秘的相控阵雷达主要原理又是什么呢?

Ⅰ. 相控阵雷达原理

相控阵雷达实际上是说的一种采用特殊天线体制的雷达(当然现在其实已经很普及了)。相控阵天线一般为平面阵列,阵列中有很多个阵元,每一个阵元都可以控制其电流相位,通过控制阵元之间相位差来实现电子扫描。所以相控阵雷达是电扫描雷达的一种。口说无凭,有图为证:如果对于一串阵列,如果初始相位是相同的,那么发射出的电磁波强度分布是这样的:
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file:///http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/wd4cw9ibgauzqxib8jletqwibwq05z9qlrh9asf7fblafruam8dwvggeghzgrobrficjzykihlx9drmsdjhuonv9ica/640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1我们还可以通过调整相位把传播方向反过来:
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Ⅱ. 相控阵雷达的技术特点

与其他雷达相比,相控阵雷达的主要不同源于相控阵天线。相控阵天线是由多个天线单元组成的,通过改变每个天线单元通道传输的幅度和相位来改变相控阵阵列天线口径照射函数,最终实现天线波束的变化和快速扫描。因为相控阵天线的以下技术特点:
1)天线波束的快速扫描能力

2)天线波束形状的捷变能力

3)空间功率合成能力

4)天线与雷达平台的共形能力

5)多波束形成的能力

6)相控阵雷达的分散布置能力

7)空间滤波与空间定向能力

那么也使得相对于传统的采用机械扫描方式的雷达,相控阵雷达具有明显的工作优势:

1)多目标搜索、跟踪与多种雷达功能

2)高数据率搜素和跟踪工作

3)自适应空间滤波能力与自适应空一时处理能力

4)功率可变孔径乘积以及大功率孔径乘积的实现使用

5)共形相控阵天线

6)脉冲多普勒工作方式和测速工作方式

7)降低雷达天线的有效反射面积

再说相控阵雷达自己本身,随着技术的更迭,相控阵雷达分无源、有源、数字三种基本类型。

1、无源相控阵雷达:无源相控阵雷达有一个统一的中央发射机和一个统一的中央接受机,这一点与机械雷达本质上是一样的,机械雷达都有统一的中央发射机和统一的中央接受机。它虽然也有固定阵列,但是,它的固定整列中的每一个单元都没有发射源,也没有接受源,这就是无源一词的来历。其发射源来自中央接受机,其接受源来自中央接受机。可见,无源相控阵雷达是相控阵雷达中最落后的技术;

2.有源相控阵雷达:有源相控阵雷达没有统一的中央发射机和统一的中央接受机。这一点与机械雷达相比,有源相控阵雷达是真正的雷达革命。它的固定阵列中几百或几千个单元,都自带发射源,自带接收源(也就是传说中的TR组件)。可见,有源相控阵雷达比无源相控阵先进得多。不过,在相控阵雷达的发展历史上,普通的有源相控阵雷达本质上还是传统相控阵雷达。相控阵雷达的典型组成框图如图1所示。

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3. 数字相控阵雷达:有源相控阵雷达采用数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)技术就叫数字相控阵雷达。不同于传统阵列雷达采用移相器、延迟线、功率合成与分配器等器件在射频或中频进行波束成形。数字相控阵是利用数字信号处理技术在基带进行处理,具有低功耗、高稳定、高精度等特点。

为表示与有源相控阵的区别,有些人也把数字相控阵雷达称为数字阵列雷达。其具体优势表现在:

(1)降低对数字接收机动态范围的要求。对于采用模拟波束形成的雷达系统,波束形成网络会对干扰信号产生很大的增益,为了与之匹配,需要连接在模拟波束形成网络端的数字接收机具有很大的动态范围。而对于数字相控雷达,每台数字接收机只是接在单元或者子阵的输出端,因此可大大降低对其动态范围的要求。

(2)可实现超低副瓣。由于能够对阵列误差、各单元幅相不一致和互耦效应等进行精确校正,因此能够实现超低副瓣。

(3)易于软件化。由于数字化程度不断提高,雷达的功能都可以通过软件实现。

(4)提高强杂波背景中弱小目标检测能力。由于同时多波束增加了波束驻留时间,因此可以通过长时间相参积累来改善多普勒滤波器,从而实现运动目标与杂波的有效分离。

(5)低截获频率。雷达发射信号可以在时域、空域和频域等多维空间扩展,增加了截获信号的难度。

(6)抗干扰能力强。可利用自适应阵列信号处理技术自适应调整阵列参数,达到抑制干扰并保持目标信息的效果,从而有效改善信噪比。

(7)更易实现共形技术。可以“涂抹式”安装于机头,隐蔽性更强。
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图2 数字相控阵雷达的组成框图


Ⅲ. 相控阵雷达天线的发展现状及应用

相控阵雷达天线的理论出现于20世纪30年代,其后由于受微波器件的制约发展较为缓慢,直到二次世界大战初期美国海军研制成功了首部相控阵雷达线,但由于移相器件控制速度慢,与机械扫描雷达天线相比没有优势。直到20世纪50年代后期,由于对弹道导弹等髙速进攻性武器的防御和空间各种军事卫星的探测、监视和跟踪的要求,以及计算机技术、铁氧体技术以及半导体微波技术的发展推动了相控阵雷达天线的发展。比如林肯实验室就曾经对相控阵雷达进行全面深入研究;中期研制成功舰载相控阵雷达,安装在企业号航空母舰上;末期研制成功FPS-46相控阵雷达,60年代研制成功FPS-85相控阵雷达,开启了相控阵雷达新时代。

今年美国在相控阵雷达天线的研究方面最为成熟,在地面雷达、机载雷达、舰载雷达等方面均研制成功了相应的相控阵雷达天线。

中国近年来相控阵雷达技术发展迅猛,在最先进的数字相控阵雷达上我们和美国也有一拼:目前,只有世界上只有中国、美国能制造数字相控阵雷达,其他国家差的很远。而且仅有极个别飞机有这种雷达,例如:F22和F35的雷达就是数字相控阵雷达,不过这是小型的。中国最新预警上有中大型数字相控阵雷达,这是官方公开报道过的。

Ⅳ. 相控阵雷达天线的发展趋势

当今世界,科技迅猛发展,现代化战争方式对雷达提出了新的更具挑战性的要求,MEMS技术、GaN等宽禁带半导体技术将会将会对相控阵雷达的发展产生深远的影响。为了满足当前相控阵雷达的要求,目前相控阵雷达天线的发展呈现出有源化、数字化、宽带、毫米波、多功能、低成本的几大趋势。相控阵雷达的技术追赶,依然是目前中美军工角力场上的重头戏。



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发表于 2019-1-22 13:31:58 | 显示全部楼层
很好的科普的帖子,谢谢
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