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【转载】有源相控阵雷达引领机载雷达进入新时代 -  

2013-02-19 15:40:58|  分类: 【╰☆Military】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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有源相控阵雷达引领机载雷达进入新时代

 
有源相控阵雷达引领机载雷达进入新时代 - - yofuze - 现在进行事 的博客

美空军地勤人员维护F-15C战机APG-63机载雷达受访人:南京航空航天大学信息科学与技术学院院长、中国工程院院士 贲德

采访人:本刊记者 阚南

从第二次世界大战期间诞生的第一部机载雷达,到今天装备在新型战斗机上的有源相控阵雷达,机载雷达已成为发展空战能力的重要技术装备,它的性能是否卓越往往比战机本身的性能更能决定空战的胜负。

贲德院士,长期从事雷达系统的研究设计与开发。从20世纪60年代起,在相控阵雷达课题研究中,作为主要技术负责人之一,研制成功远程预警相控阵雷达,突破了当时属尖端技术的相控阵雷达体制,促进了雷达技术的进步。从1985年起先后主持了机载PD火控雷达体制样机、全波形PD雷达的研制工作、机载相控阵火控雷达的研制工作,这些项目的研制成功及装备使用,大大提高了我国军用飞机的作战能力,并产生了巨大的社会和经济效益。

机载雷达70年

记者:我们知道,机载雷达是安装在飞机上的各种雷达的总称,它已成为现代防空体系的重要组成部分。请您给我们简单介绍一下机载雷达的发展历程。

贲德:世界上第一部机载雷达1937年诞生在英国,被应用于空/海监视,同时期也出现了用于空/空探测与定位截击雷达。

20世纪40年代,英国发明了磁控管,为机载雷达跨入微波波段创造了重要的条件,使雷达能在厘米波段工作。英、美的国际合作使雷达技术与生产迅速取得成效。美国在40年代研制成功了SCR-520、SCR-720等截击雷达。

50年代,雷达理论有了重大进展,单脉冲、相控阵、合成孔径、脉冲多普勒(PD)概念的提出,匹配滤波理论、检波统计理论的建立及脉冲压缩等新技术的出现为研制新型雷达奠定了理论基础。1953年研制成功波马克导弹的高脉冲重复频率PD雷达导弹头,1959年研制成功NASSAR系统的机载单脉冲火控雷达。

60年代,栅控行波管在美国问世,微电子器件的出现和数字技术的进步,大大促进了机载雷达技术的进步,为机载雷达小型化起了重要作用。不同型号的PD火控雷达研制工作同时开展,机载相控阵雷达的研制工作,也在深入进行,开展了MERA(微电子用于雷达)计划。在此期间研制成功了AWG-9(安装于F-14战斗机)火控雷达。

70年代,研制成功多种PD火控雷达,APG-66(F-16)、APG-65(F-18)、APG-63(F-15)。机载相控阵雷达领域进行了第二阶段工作,即开展了RASSR(可靠的机载固态雷达)计划,研制了具有1048个T/R组件的有源阵列,验证有源阵列的可靠性。多功能和数字化是新一代火控雷达的特点。

80年代,PD火控雷达处于日臻成熟阶段,为F-16飞机研制成了更为先进的APG-68火控雷达。另外,利用新器件和新技术改进了原有火控雷达,出现了APG-71(AWG-9的改进型),APG-70(APG-63的改进型)。在机载相控阵雷达方面开展了SSPA(固态相控阵)计划,研制了一个2000单元的阵列,验证了功率效率和经济上的可行性。

90年代,成像技术在机载火控雷达中广泛应用,机载相控阵技术取得重大进展并进入实用和装备阶段。从这个年代开始了机载航空电子系统综合化发展的新阶段。其中F-22飞机最具代表性。它装备了90年代研制成功的有源相控阵火控雷达APG-77,代表着机载火控雷达的发展方向。同时在F-22上进行了“宝石柱”(PAVE PILLAR)计划,引出了综合航空电子设备概念。

归纳起来,国外机载火控雷达的发展大体上可分为四个阶段:测距机、脉冲雷达、脉冲多普勒雷达及相控阵雷达。

记者:那么,我国在这方面的发展情况又如何呢?

贲德:我国机载火控雷达的发展经过了由低级向高级,由仿制到自行研制的发展过程。20世纪50年代仿制苏制的测距机,60年代开始自行研制单脉冲火控雷达,70年代自行研制的机载雷达投入使用,并开始了PD火控雷达和相控阵火控雷达的研究工作,进行理论准备。80年代PD火控雷达完成体制样机研制,突破PD体制,相控阵进行课题研究。90年代开展多个型号的PD火控雷达研制,目前技术已经成熟,并广泛应用于各种战斗机上。相控阵课题也取得较大进展。

有源相控阵雷达引领机载雷达进入新时代 - - yofuze - 现在进行事 的博客

美空军F-16C战机上安装的AN-APG-68(V)9机载雷达

记者:您刚才讲到,机载雷达目前发展的最高阶段是相控阵雷达。什么是相控阵?

贲德:雷达在搜索目标时,需要不断改变波束的方向。改变波束方向的传统方法是转动天线,使波束扫过一定的空域、地面或海面,称为机械扫描。把天线做成一个平面,上面有规则地排列许多个辐射单元和接收单元,称为阵元。利用电磁波的相干原理,通过计算机控制输往天线各阵元电流相位的变化来改变波束的方向,同样可进行扫描,称为电扫描。接收单元将收到的雷达回波送入主机,完成雷达的搜索、跟踪和测量任务。这就是相控阵技术。利用相控阵技术的雷达称为相控阵雷达。由于改变电控移相器的相位可在瞬间完成,因而可实现在瞬间改变天线波束指向,这种无惯性的波束扫描,赋予相控阵雷达许多卓越的特性。与机械扫描雷达相比,相控阵雷达的天线无需转动,波扫描更灵活,能跟踪更多的目标,抗干扰性能好,还能发现隐形目标。

相控阵雷达分有源和无源两种。有源相控阵是指在天线阵中每个天线单元下面都连接一个T/R组件,T/R组件中不仅有移相器,而且还包含有对射频信号进行功率放大的功率放大器,对回波信号进行放大的低噪声放大器(LNA)、可变衰减器、控制开关等。而无源相控阵雷达则是使用统一的发射机和接受器,外加具有相位控制能力的相控阵天线组成,天线本身不能产生雷达波。

记者:目前国际上有一种说法,称有源相控阵雷达的研制带来了新世纪机载火控雷达的革命。您如何看待?

贲德:这要从有源相控阵雷达的发展谈起。自20世纪50年代末相控阵雷达问世以来,相控阵雷达技术在地面雷达和舰载雷达中得到广泛应用。但迟迟未能在机载雷达中应用,这主要是受体积重量的限制及器件性能和成本的制约。

美国早在1964年就开始了机载有源相控阵的研究工作,开展了微电子用于雷达(MERA)计划,研制了一个604单元的有源阵列。一直到20世纪90年代,代表机载火控雷达发展方向的有源相控阵火控雷达APG-77才研制成功;在欧洲,英国、法国和德国在联合研制机载多功能固态阵列雷达(AMSAR),将用于法国的“阵风”战斗机和欧洲联合战斗机的研制计划中;另外,日本、俄罗斯和以色列也都在研制机载有源相控阵火控雷达。

记者:为什么这么多国家都纷纷投入到研制有源相控阵雷达的行列中来?它有哪些卓越的性能?

贲德: 首先是它的射频功率效率高。在机械扫描雷达中,发射机产生的射频功率经馈线网络送到天线阵面辐射出去,收、发双向产生的射频损耗一般要有5分贝以上。在有源相控阵天线中,T/R组件紧挨着天线单元,T/R组件中的功率放大器和天线单元间的损耗及天线单元和T/R组件中的低噪声放大器间的损耗可以忽略不计,这对提高雷达探测性能的作用是明显的。

其次,具有多功能性。由于相控阵天线波束控制的灵活性,使雷达能以时分割的方式实现多功能,可同时跟踪多批目标,一部雷达可以达到几部机械雷达的功能。它能边扫描边跟踪(与机械扫描的TWS概念不同,搜索和跟踪在时间上和空间上分别是独立的),同时跟踪多批目标。在完成空空功能的同时,还可实现空/地、信标等功能,这是机械扫描雷达无法做到的。

第三,可提高探测和跟踪能力。由于波束指向灵活可控,可以根据需要确定射频能量在观察空域中的分配,在有可能出现目标的方向上,集中能量,增大发现目标的距离。可根据目标的性质,决定波束在目标上的驻留时间,改善跟踪稳定性。还可采用序列检测的方法改善探测性能。

第四,具有形成不同形状波束的能力。因为相控阵天线口径上的相位和幅度分布是可控的,所以可以根据需要形成不同的波束,如针状波束、宽波束、扇形波束和余割平方波束等。还可以实现自适应波束,在存在干扰的方向上,形成零点,以抑制有源干扰,使雷达工作更有效。

第五,具有极高的可靠性。在有源相控阵雷达中,去掉了可靠性差的大功率行波管发射机,取消了易出故障的机械旋转部件,使雷达系统可靠性大幅度提高。更重要的是天线阵是多路并行工作,T/R组件非常可靠,即使个别组件出故障,对雷达系统性能的影响并不明显,即具有故障弱化功能。就是60%的组件发生故障,雷达系统仍可保持高性能工作;30%的组件失效,雷达性能下降3分贝。诺斯洛普·格鲁曼公司的工程师认为有源相控阵雷达能很好地有效运行数年。Raytheon公司认为APG-79雷达的严重故障间隔平均时间可超过15000小时,并声称其相控阵天线可能在10~20年内无需维护。

第六,雷达隐身性能好。雷达具有较低的雷达截面积(RCS),起到隐身作用。原因是:天线以电扫描代替了机械扫描,去掉了对电磁波反射大的天线座及传动装置;相控阵天线在工作时不转动,这有异于机械扫描天线面总是垂直于波束指向方向,因而降低了入射方向的电磁波的反射,致使RCS降低。相控阵雷达易于实现能量管理,再加上天线阵的低副瓣性能,因而,相控阵雷达具有低截获概率和隐身能力。

第七,相控阵天线可以分成子阵多路并行工作,为时空自适应信号处理提供了条件,因而能实现对地面慢速目标的监测。

基于这些优点,所以我们可以说,有源相控阵雷达的研制标志着机载火控雷达进入了新时代。

记者:据了解,美国一直在研究有源相控阵雷达在未来战争中的作用,并且已经开始在新一代战斗机上安装该系统,而其他国家这方面的有关报道还没有看到。

贲德:由于有源相控阵雷达具有机械扫描雷达不可比拟的优越性,技术上一旦突破,立即就会被多种战斗机所采用。目前,世界上只有美国将这一技术实用化。

APG-77装备F-22战斗机已投入使用,装备F-35的APG-81正在进行飞行试验,F-15C、F-16C/D和F/A-18E/F已从装备机械扫描雷达升级为装备有源相控阵雷达。

美军部分战机火控雷达演变情况(红色为有源相控阵雷达)

70年代80年代90年代当前

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

有源相控阵雷达开辟了机载火控雷达的新时代。作为21世纪的新一代装备,它们将被大量生产。

有源相控阵雷达引领机载雷达进入新时代 - - yofuze - 现在进行事 的博客

美空军F-15C战机安装的APG-70机载雷达

美国计划生产情况

采用有源相控阵火控雷达后,目标探测性能、目标容量、可靠性都大为提高。以F/A-18飞机的火控雷达为例,APG-79与APG-73相比,对空中目标的探测距离前者为后者的3倍,探测和跟踪的目标数量为2倍,可靠性为5倍,而工作和维护成本仅为40%。

更高的技术要求

记者:随着技术的进步,未来对机载雷达的发展有哪些更高的要求?

贲德:由于军事上的需求,在第二次 世界大战中诞生了机载雷达,此后的技术进步又促进了机载雷达的高速发展。机载雷达的未来,当然也取决于需求牵引和技术推动。客观要求使机载火控雷达面临许多新的挑战,隐身飞机的出现,要看的目标变小了;电子战技术的不断进步,使其所处的电磁环境更为复杂;如何使雷达更适合装机要求;雷达如何更可靠等等,都对未来机载火控雷达提出了更高的要求。

主要要求有:威力大,可先敌发现,掌握战场主动权,能对付隐身目标;对空、地功能更完善;在战争环境下生存能力强;体积小、重量轻,适于不同平台结构形式的安装;更高的可靠性。

记者:根据这些要求,机载火控雷达的技术发展趋势有哪些?

贲德:根据对机载火控雷达的高要求,未来的机载火控雷达要采用更多的先进技术。同时也应该看到,基础工业的进步也为雷达性能的提高创造了条件。新材料、新器件、新工艺的出现将为研制出性能更优良的雷达发挥巨大作用。

主要技术发展趋势:1、共形天线技术。欲使雷达具有大的威力和高的角分辨率,就需要大的天线。但大的天线在飞机上安装又成了问题,机头空间有限,背在机背上影响飞机的气动性能。比较好的解决办法是把天线和机身融合在一起,把天线潜入飞机蒙皮内,即所谓的“敏感蒙皮”,这是今后要研究的课题。

2、双/多基地工作方式。这是一种多机联合工作方式,一架飞机提供射频大功率照射,目标回波则由处于无源工作状态的战斗机雷达所接收,这种工作方式的好处是有利于抗干扰,避免反辐射导弹攻击,更有意义的是这种工作方式有利于对隐身目标的探测。

3、无源探测工作方式。雷达发射机不工作,由接收机接收目标的电磁辐射,测到的目标信息与载机自身的运动轨迹参数进行数据处理,可获得目标的坐标参数及运动轨迹。

4、时空自适应处理技术有效地从杂波和干扰背景中提取有用的目标回波信息。

5、多功能共用孔径天线。超宽带阵列天线可使雷达、电子干扰(ECM)、电子支援(ESM)、通信、导航等功能一起实现。

6、光控技术。为了提高距离分辨率,要求雷达信号带宽不断加大,当前X波段信号带宽可达1吉赫兹(GHZ),对应的信号脉冲宽度为0.001微秒。此时,如果天线的口径相对较大,在大角度扫描时,口径的渡越时间可能大于信号脉宽,相控扫描技术受到限制。而要用延时扫描技术或称实时扫描技术,需要用光纤做可控延迟线。另外,微波信号的传输和分配也可用光纤完成。

7、宽禁带半导体器件的应用。宽禁带半导体材料由氮化镓、碳化硅和铝镓氮组成,用这些材料做成的器件具有结温高(可达600°C)、效率高(高达50%以上)、极高的功率密度(比砷化镓提高10倍)、高的击穿电压(可达50V)。对于雷达工程师,这些指标可谓是大喜讯,可大大减轻T/R组件和雷达系统设计上的压力。

8、微电子机械系统(MEMS)技术的应用。在相控阵天线中,MEMS可用于移相器和开关中,MEMS的优点是具有极宽的频带,插入损耗小、驱动功率小、成本低、重量轻,对改进相控阵天线的性能具有非常重要的意义。

9、“瓦片”形式的T/R组件。从结构形状上T/R组件可分为“砖头”状(长条形)和“瓦片”状(薄片形)两种。当前有源相控阵天线所用的T/R组件为长条形,而今后要发展共形阵,特别是要研制“敏感蒙皮”这样的相控阵天线,薄片形的T/R组件将是关键技术。就是把薄片形的T/R组件用于通常的阵列,这会带来减小体积和减轻重量的好处。要研制薄片形T/R组件,要涉及新工艺的采用和新的设计方法,会有诸多技术问题要解决。

总的说,有源相控阵已成为成熟可用的技术,它具有机械扫描雷达不可比拟的优越性,是现代机载火控雷达的发展方向。随着技术进步的推动和实际需求的牵引,有源相控阵机载火控雷达将会采用更多的新技术、新材料、新器件,雷达的性能也会提升到更高的水平。

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