ESA相阵控雷达/相位阵列雷达 _生活百科

ESA相阵控雷达/相位阵列雷达【ESA相阵控雷达/相位阵列雷达】AESA〈Active Electronically-Scanned Array〉主动电子扫描相控阵列雷达是21世纪主流的军事雷达，全世界第一种实用化AESA相控阵列雷达是AN/SPY-1神盾舰雷达系统， AN/SPY-1系统拥有强大远距侦蒐与快速射控能力，他是专为美军新一代神盾舰载作战系统发展而来的“平板雷达” 。AESA主动电子扫瞄相控阵列雷达，就是一般所称的「相列雷达 / 相阵控雷达」，美军神盾舰系统就是由AESA+C4指挥、管制〈武器〉、通讯、计算机等整合而成的高效能『海上武器载台』。
基本介绍中文名：ESA相阵控雷达/相位阵列雷达
外文名：Active Electronically-Scanned Array
词性：名词
缩写：AESA
来由AESA相阵控雷达最初由美国无线电公司(RCA)研发製造出来，后来该公司由于经营不善，被通用航天公司(GE Aerospace)购併成为其集团下之雷达电子部门，但往后GE Aerospace又将该部门卖给洛克希得.马丁公司(Lockheed Martin) (美国最大的军火供应商) ，因此SPY-1相控阵列雷达现在是“洛马”的专利技术，如今AESA相控阵列雷达在“洛马”公司的后续改进上，已开发出战机、飞弹、防空等专用的缩小化AESA相控阵列雷达，甚至外销提供全球各神盾舰、各式防空飞弹所需要的雷达〈神盾系统是美国雷神公司的产品〉。在一般人的印象中，旧式雷达就是一个架在旋转基座上的抛物面天线，不停地转动着以搜寻四面八方；而AN/SPY-1相位阵列雷达的天线从外观上看，却只是固定在上层结构或桅桿结构表面的大板子。

文章插图
旧式传统的旋转天线雷达必须靠着旋转才能涵盖所有方位，要持续追蹤同一个目标时，要等天线完成一个360度旋转周期回到原先位置时才能作目标资料的更新，等到获得足够的资料时，敌方飞弹早已经兵临城下，拦截时间所剩无几，这种力不从心的情况在面对各式新一代高速先进超音速反舰飞弹时， PLA舰队损失会更加惨重；而如果飞弹或战机进行高机动闪避，由机械带动来改变方位的旧式雷达天线很可能会跟不上目标方位变化，难以有效追蹤进而被偷袭成功。传统雷达的雷达波都有一个受限制的波束角，因此雷达波会形成一个扇形查找断层网，距离越远则雷达波对应的弧长越大，换言之，单位面积对应到的能量也随距离拉长而越来越低(雷达波强度随距离的平方成反比) ，解析度与反应度自然无法令人满意；加上旧式长程雷达都会使用较长的波长以传递较长的距离，而波长越长解析度就越低，更使这个问题恶化。例如；传统雷达在搜寻第二代掠海反舰飞弹这类低体积讯号的目标时，传统长程搜寻雷达即便在目标进入搜寻範围后，通常还是得旋转几圈后，才能累积足够的回波讯号来确认目标。为了弥补这个弱点，这类长程搜寻雷达只好将雷达旋转速度降低(往往需要十秒钟以上才能迴转一圈) ，让天线在同一个位置上停留更久，以接收更多各方位的脉冲讯号，然而这样又会使目标更新速率恶化。至于用来描绘目标轨迹的追蹤雷达〈照明雷达〉则拥有较快的天线转速(例如每秒转一周)以及较短的波长，儘量缩短目标更新时间，但也使得天线较难持续接收同一目标传回的讯号，侦测距离大幅缩短。因此，长距离侦测以及精确追蹤对传统旋转雷达而言，是鱼与熊掌不可兼得的。发展相位阵列雷达的固定式平板天线上装有上千个小型天线单元(又称移相器， Phase Shifter) ，每个天线都可控制雷达波的相位(发射的先后) ，各天线单元发射的电磁波以干涉阵列原理合成接近笔直的雷达波束，旁波瓣与波束角都远比传统雷达小，主波瓣则由于建设性干涉而得以强化，故解析度大为提升；至于波束方位的控制则是依照“海更士”波前原理，透过移向器之间的相位差来完成。由于移相器的电磁波“相位”改变系由电子“阵列”控制方式进行，相位阵列雷达可在微秒内完成波束指向的改变，因此在极短的时间内就能将天线对应到的搜寻空域扫瞄完毕，故能提供极高的目标更新速率。由于波束解析度高、扫瞄速率极快，目标只要一出现在相位阵列雷达的搜寻範围内，大概都能立即被AESA有效搜获(除非是特别小的目标) ，目标也很难藉由高机动闪躲摆脱追蹤，因为飞得再快也比不过天线单元改变相位的速度；而凭藉着强大的波束，相位阵列雷达也较不容易遭受电子干扰反制。AESA发现可疑目标后，相位阵列雷达波立刻能在极短时间内朝目标方位进行密集扫瞄，精确地追蹤目标航迹，所以能同时达到优秀的搜寻与追蹤功能；而如果使用波长较短、精确度高的C或X波段，还能直接引导担任武器射控的功能(不过由于短波长电磁波在大气中耗损较快，故搜寻距离会有所牺牲) 。总之， AESA相位阵列雷达的多功能性、反应速度、多目标追蹤/搜寻能力、解析度、电子反反制能力等都远优于传统雷达，所以现代化的精锐武器系统〈战机、飞弹、防空、空警、军舰〉都以相位阵列的“平板雷达”为标準配备。AESA相列雷达的天线阵列上的移相器仅负责控制雷达波的相位，本身并不会製造雷达波，而是由天线阵列后方的集中式发射机提供，并透过导波管将电磁波传至天线阵列；而这种模式的相位阵列雷达被称为「被动式相阵控」，较早出现的舰载相位阵列雷达都採用此种设计。简单地说，被动相位阵列雷达的天线象是一个「电磁透镜」，将发射机製造的雷达波以各种不同方向射出去并接收回波，故雷达波的波形、振幅、频率完全取决于发射机。另外，由于每面相位阵列天线仅由一部发射机提供射频能量，所以在同一时间只会产生一道波束；换而言之，一面被动相位阵列雷达天线不可能在同一时间点进行好几项不同的工作(例如同时照射数个目标或同时进行搜寻与追蹤工作) ，只是因为这道波束的方向切换迅速，能在极短时间内改变相位完成空域扫瞄，并轮流「照顾」各个正在进行的目标精确追蹤或飞弹中途导引程式，才获得优于传统雷达的目标更新速率与多目标追蹤能力，这与CPU藉由分时多工技术在极短时间内轮流执行多个Process是类似的。为了节省成本，被动相位阵列雷达系统往往是多面天线共享一部发射机，所以共享发射机的天线的波束能量强弱都是相同的。至于较晚开发的「主动式相阵控」相位阵列雷达则是每个小型天线单元本身就同时负责电磁波的製造、接收与相位控制，这才算是真正掌握相位阵列雷达的精髓。优势1. AESA相列雷达能在极短时间内完成监视空域内的扫瞄，目标更新速率极快，拥有极佳的多目标搜寻/追蹤能力。2. AESA波束指向的改变相当灵敏快速，而且当目标反射信号的相位角出现变化时雷达便能立刻得知，并在瞬间改变波束指向，从而继续将目标锁定于波束範围内，因此目标就算高速运动且採取剧烈闪避也很难摆脱。转3. AESA相阵控雷达能够同时追蹤大量目标，并以分时的方式同时支持发射后的防空飞弹进行中途导引。AESA反应时间快，能取得目标精确位置，舰上照明雷达只需根据这些参数便能在一开始就进入飞弹导控程式，直接朝目标发射照明波束，引导飞弹攻击目标。4. 能根据所搜获的目标，决定是否需要进行追蹤，并消除背景杂波，提高低空目标侦测能力。当AESA测得目标的距离、高度、速度和方向等资料之后，经过神盾系统的计算机处理之后，适合的防御性反应措施便会自动选择出来，接下来就由神盾系统操控舰上武器与射控雷达进行接战。5. AESA相列雷达在恶劣的天候追蹤目标与进行电子反反制(ECCM) 。根据测试证明，敌方的干扰信号无法进入雷达的侧波瓣；就算敌方干扰系统能有效地对付AESA相列雷达的雷达狭波束，可是其它的波束仍能正常作，因此在雷达显示幕上只能看到一条单线干扰闪光带，但是干扰波束周围的一切东西都能清晰地看到。此时， AESA相列雷达可用最大功率发射出一连串强力波束，使其烧穿(Burn-Through)干扰波而抵达目标，继续正常运作。由于AESA相列雷达的功率强大，敌方的干扰电磁波通常是奈何不了它的。6. AESA相列雷达能同时追蹤大量目标，但是同时发射飞弹交战的目标数目仍取决于照明雷达数量的多寡。不过在防空飞弹进入终端导引阶段时， AESA相列雷达系统还是能将目标资料提供给照明雷达，协助其导引各式飞弹追击目标。AESA相列雷达的高功率特性虽然使其拥有一流的性能，但也使其比较容易被敌方电子支持系统侦知而暴露己方位置，甚至遭受敌方反辐射飞弹的攻击，因此在某些场合例如遭到攻击时会採取雷达静默措施。7. AESA相列雷达关闭后能有效防御反辐射飞弹攻击， AESA雷达波束可在不到一秒的时间内从空中完全消失；当威胁消失而重新启动雷达时，首批讯号将于一秒之后传回；接着计算机根据原来的讯号档案，迅速扫瞄85公里外的海平面，以重新寻找所有的水面敌军目标，然后再对整个半球体空间实施过滤，在18秒内过滤完所有的目标，据以修正原有的档案， 20秒之后恢复所有战术画面与正常功能。8. 最新的AESA能应付陆地上複杂地形造成的回波干扰、低空陆上目标的侦测、强烈电子反制环境下的操作等能力，过滤海面杂波、侦测掠海反舰飞弹的能力，通讯连结信号处理能力以及计算机的运算速度提升数倍，负责的战术运算工作。美军AESA神盾系统军舰採用四面平板状固定式相位阵列天线，每面天线涵盖90度方位角搜寻照射，因此採用四面就能涵盖所有的空间方位角；其天线形状为八边形，长、宽都是3.65公尺，每面天线拥有4350个小型天线单元，并与神盾系统的C4计算机连线。计算机负责控制平板天线上小型天线单元阵列的雷达波束功率、指向与战术任务判断等。纯就AESA相位阵列雷达的性能而言， SPY-1这类採用四面固定式阵列天线能无时无刻涵盖所有方位角?动部分，容易保养维修，在外型上也只是一块装在舰体上层结构的板子，外观简洁风阻小，对于增加搜寻可靠度、减少舰体突出物以增加匿蹤能力等，都有很大的助益。