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原标题:刺瞎千里眼——雷达有源干扰

浏览次数:151 时间:2019-11-27

  出品:科普中国

问:什么是有源相控阵雷达?有什么用呢?

  作者:太赫兹工作室

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  监制:光明网科普事业部

我参与设计过相控阵雷达,所以比较了解,但是如果只依靠专业的知识来解释,恐怕很多人还是很难听懂,所以我这就里就通过做一个通俗常见物品的比喻,来向大家解释一下相控阵雷达的工作原理,以及什么又是有源和无源相控阵雷达。

  1965年,一架美国海军的RF-8A侦察机在北越首都河内发现了一个奇怪的阵地。后来经证实,这就是大名鼎鼎的苏制SA-2防空导弹的发射阵地。在苏联的帮助下,北越很快就在河内周边部署了5个发射阵地。SA-2很快就投入了实战,并取得了丰硕的战果。

什么是相控阵雷达

首先做个比喻,原始的雷达就是一个非常大的探照灯,只能照射到一个固定的方向,如果想要照射到其它方向,就必须通过转动来实现。比如想要实现360度的照射,这就需要探照灯不停的围绕中心旋转。如果想要探测上下目标,就需要上下旋转。所以非常麻烦,探测的角度有限,需要做机械运动。就是我们经常在电视上看到的那种雷达,天线不断的在旋转。

为什么把探照灯比喻传统雷达呢?因为探照灯和手电发出的光,也是一种电磁波,所以把它们比喻成雷达,也是可以的。这个时候人与探照灯或者手电,就形成了一部完整的雷达系统,灯的光源就是雷达的信号源,发射的光源照射到物品发生反射,被眼睛接收,经过处理成像在我们的大脑中。这就和雷达的工作原理一样:发射雷达波、遇到物体反射、反射信号被接收机接收、处理器处理然后成像。

那相控阵是个什么样子的探照灯呢?它是成千上万个小手电排列在一起,形成一个大阵列的探照灯(有点类似我们生活中LED光源),这里的每个手电就是一部小雷达,每个手电都可以自己独立工作并且转动(当然实际的雷达天线不转动,是通过相位控制雷达波束的指向,但也就相当于手电的转动)。

就比如一百个小手电,按照边长为十个排列成一个矩形方阵,所有的小手电,既可以同时照射同一个固定的方向,相当于照射一个目标。也可以分成不同的组别,例如相邻的十个为一组,这样就分成了十组,每组都能照射一个方向,那就是同时照射十个方向,也等于可以至少照射十个目标。这样在不转动雷达本身的情况下,就可以在一定的角度内实现全部方向的覆盖。如果部署三部不同朝向的相控阵雷达或者更多,就能够实现360的覆盖,大家可参考军舰上面的相控阵雷达分布。

不过和手电不一样的就是,真正的相控阵雷达,里面全部的部件全都是固定的,尤其是相控阵雷达的天线是固定的,它是通过改变馈电的相位,来实现雷达波束的偏移,通过模拟电子的方式代替了传统机械式的旋转(这里比较专业,大家也不需要理解的)。

现在大家都应该知道相控阵雷达原理了,它有许多的优势,比如多目标,角度广,探测距离远等。另外加上集成电路的发展,相控阵雷达相比原始的雷达,体积变小了,重量变轻了,能够按安装在小型的作战平台,比如说战斗时上面。

另外相控阵还有一个特点,那就是可靠性,因为相控阵每个雷达模块都独立工作,所以坏了几个几十个,基本不影响雷达整体的效果。而且现实的相控阵雷达有成千上万的小雷达模块组成的,坏一小部分没事。

  为了应对SA-2防空导弹,美国空军开展了一些名为“铁手”的报复行动,随后美国海军航空兵也参与了行动。短短1个月,就有388架次的战机参与行动,然而未能取得显著战果。绝大部分飞行员起初拒绝在自己的飞机上安装电子干扰吊舱,因为这样会让他们少带弹药,但血的教训让他们发生了转变,每架进入北越军队防空圈的战机都装上了电子干扰吊舱,多种电子干扰吊舱的大量使用使得战机的战损率大大降低。

有源与无源的区别

接下来就和大家说一说相控阵雷达的有源(主动)和无源(被动)区别。区别就在:无源相控阵,整个雷达系统只有一个雷达信号源,产生信号后,被分到各个雷达模块。

而有源的,每一个雷达模块,都有自己的雷达波发射源,它们是可以独自的进行发射与接收信号(T/R组件)。

相比较无源的,有源的难度更大一些,成本也更高,但是性能却更加先进,所以目前主流的相控阵,都是有源主动的,无源被动的慢慢被淘汰了,当然无源的在某些领域,还是可以继续发挥功能的。

目前世界上,相控阵雷达技术最先进的国家,要属美国了。就比如它在军舰上首次使用了宙斯盾系统,主要就是依靠相控阵来实现功能的。还有就是前几年闹得比较厉害的部署在韩国的某型防御系统,用的也是相控阵雷达,所以这个防御系统的探测距离就比较远,探测精度也非常高。

不知道我这么说大家明白没有,如果您有更好的介绍,欢迎评论。

纸上的宣仔,为您解答。

有源相控阵雷达,是由多个可发射雷达波的独立的T/R元器件构成的天线阵列从名字可以看出这个雷达的两个特点,第一个是有源,即阵列上每个发射元器件都是有源器件,可以独立向外发射电磁波信号;第二个是相控阵体制。雷达波束的偏转靠的是天线阵面上各个发射器件对电磁波的相位调节,通过波的干涉原理,在预期的方向上得到最大的雷达波束增益,从而实现对波束的偏转控制。在发射某个形状和方向的波束前,通过计算机解算出发各个器件的相位偏移,并将电信号传送给每个T/R器件来实现精确控制。在T/R模块内部,相位的改变是通过选择不同的延时电路实现。这样的好处是,省去了传统机械扫描雷达的机械回转机构,仅使用电信号控制就能精确控制雷达波束的方向。

相控阵雷达天线是有多个T/R模块组成

相控阵体制控制波束扫描的原理

机械扫描雷达,需要回转机构

有源相控阵雷达的英文是Active Electronically Scanned Array,简称AESA,直接翻译成中文的话应该叫主动电扫阵列,所以有源相控阵雷达也叫主动电扫雷达,最早不仅指相位控制的电扫雷达,也指频率扫描的电扫雷达,不过频扫雷达具体应用不多,现在AESA基本专指有源相控阵雷达了。有源相控阵雷达AESA的概念与无源相控阵雷达Passive Electronically Scanned Array PESA(被动电扫阵列)相对。二者都是相位控制波束扫描,区别在于有源相控阵没有中央发射机,每个T/R都是有源器件,相位调节直接在T/R器件上实现,而无源相控阵雷达只有一个中央发射机是有源的,天线阵列上的T/R都是无源器件,相位的控制靠移相器来实现。

无源相控阵PESA和有源相控阵AESA的区别

有源相控阵的优点

高增益,插入损耗小

有源相控阵雷达由于是多个T/R的波束合成,因此可以将增益做的很高,T/R数越多,中央方向的增益也越高,同时旁瓣抑制能力好,减小在其他方向上被敌方发现的几率,提高雷达的低可探测能力;

AESA 10个T/R,20个T/R,40个T/R波束合成的差别,T/R数越多,主瓣增益越高,旁瓣抑制能力越好

无源相控阵的内部电路比较复杂,比有源相控阵多了移向器,2级反馈,波导管和中央发射机保护装置,因此插入损耗比有源相控阵大得多,因此相同的总发射功率下,AESA的损耗更小,可以探测更远的目标;

无源相控阵和有源相控阵的链路损耗对比

多波束和可靠能力

除此之外,由于无源相控阵只有一个中央发射机,T/R上的能量是中央发射机分配来的,因此不论移相器如何工作,它在同一时间只能产生一个波束,而有源相控阵每个T/R都是有源器件,因此可以采用分组的方式将阵面上的T/R分成数个分组,通过相位控制来实现多波束扫描;同样由于T/R器件是有源的,单个器件损坏对雷达整体的性能不构成致命影响。用我国预警机总设计师王小谟院士的话说,有源相控阵在50% T/R损坏的情况下依然可以正常工作。而无源相控阵只要中央发射机损坏,就无法工作了。

功率大,应用范围广

有源相控阵雷达的功率,不受中央发射机功率的约束,只采用简单叠加T/R数量就可以将功率叠上去,因此它的应用范围非常广,从战斗机到火控雷达,到军舰的搜索雷达,再到弹道导弹防御系统的大型早期预警雷达,都可以采用有源相控阵体制,只需要改变T/R数量就可以实现。

F-22的AESA雷达,有1957个T/R

052C的346 AESA雷达,每个阵面T/R数在4000个以上

美国的大型预警雷达,每个阵面T/R超过1万个

带宽范围更宽

有源相控阵雷达拥有比无源相控阵雷达更宽的带宽,因此可以通过频率捷变来减少被敌人发现的概率,是实现低截获概率雷达(Low Proportion Inception)的前提。除此之外,由于带宽更宽,敌方想要干扰阻塞难度也就更大,因此有源相控阵雷达的战场表现比其他雷达要好得多。

有源相控阵的缺点

有源相控阵雷达的最大缺点,就是一个字:贵。因为每个T/R只有几W的发射功率,需要使用很多T/R模块才能实现满足要求的功率。T/R所在的MMIC,都是一个复杂的电路板,上面除了射频器件外,还要有高精度的A/D,D/A器件,数字处理器或者FPGA,要能够处理非常复杂的波形数据。一个战斗机的有源相控阵雷达就要有上千个T/R组成,比如F-22的AN/APG-77,有1957个;而像052C、052D上面搭载的大型有源相控阵雷达达到了4X4m,单个阵面上的T/R超过4000个,价格真不是一般贵。当年我们的052C,光那个346雷达采购价格就超过了5亿元。如今055已经服役,使用的有源相控阵雷达恐怕要比这个更贵了。

一个氮化镓的T/R模块

俄罗斯米格35的甲虫雷达T/R模块,上面用的还是Altera的FPGA

几位网友都讲了相控阵雷达,各有侧重,全读完可完全了解相控阵技术。唯有不足是参与过此种雷达设计的"资讯所长"。其不足有二,简述于下:(1和2)

1、相控阵技术不适用于米波等波长较长波段,这是错的。相控阵技术理论上是没有波长限制的,它只受天线大小所发生的发射损耗一接收增益限制,因此,一般只用于米波及更高频率即波长更短频段。由于吸波材料吸波性能限制,米波反而是最好的反隐身频段,因此,我国开发了多种米波相控阵,有的还用于出口。但米波雷达天线体大,小则天线损耗过大,因此米波相控阵通常多为地面固定和车载。

2、目前各研制国家在相控阵技术方面不相伯仲,我国稍领先。表现在地面多种反隐形相控阵,空中的战斗机、予警机三面阵。也就是说我国在此领域种类最多,功能最全。相控阵方面,美国反而不如中国,特别在反隐身方面,比我国起步晚了些,但这技术不是多神密的,是公开的,谁都知道的。

3、镓砷器件是厘米波、毫米波的必需器件。硅器件由于噪声温度高而不堪用。因此,相控阵若最短波长到厘米或以下,就价格昂贵。镓太贵了。

4、一个相控阵可以工作在几个波长,这比传统雷达优越很多;还可同时实现多波束扫瞄不同方向,以及各波束可同时工作于不同波长。这些网友们都讲了。

  据统计,1965年,北越防空导弹部队平均发射10枚导弹就能击落一架敌机,而到了1966年,这一数字猛增到了70枚。在越南战争中,电子干扰大显神威,有效保护了己方的战机。

有源相控阵雷达是指天线表面的每一个阵列单元都完整包含信号产生、发射和接收的能力,既是将信号产生器、放大器等全部缩小到每一个阵列单元中,而天线不需要依靠信号发生器和波导管反馈信号。其中每个阵列单元均能单独作为信号源主动发射电磁波。有源相控阵雷达相比于机械扫描雷达而言,具有应对多目标的能力、功能多和机动性较强、反应时间短、抗干扰能力强、可靠性高等特点。

由于相控阵的每个单元仅扫描其中的一块固定区域。因此每个模块的信号相对相位经过调整,最后会强化信号在特定方向的强度,而且还会压制其他方向的强度。在相同的覆盖范围内,不需要移动雷达天线就能满足扫描所需。与此同时,相控阵雷达需要极高的计算能力。早在第二次世界大战时,便有人提出有源相控阵雷达理论,并开始在地面的大型弹道导弹预警雷达上做试验。

美国空军的一架RC-135飞机上首次进行了空中有源相控阵雷达测试。1980年才逐渐将该技术应用在舰船或者飞机上。有源相控阵由于取消了波导管,电磁波能量在传输中的散失就会降低,能量输出则集中在波束上。波束信号则产生在阵列单元上,这也会降低栓送线路上的噪音影响。有源阵列天线在频率的转换和多模式的同时运作比无源阵列更加有效,当天线表面的阵列有部分受损或故障的情况下,雷达性能也会削弱。

有源相控阵雷达在多工模式中,可以将雷达分为几个区块,能发出自身波束执行不同任务。这些诸多优点也让相控阵雷达成为未来主流发展趋势。

首先我们要知道什么是相控阵雷达

相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元组成,单元数目和雷达的功能有关,可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上,构成阵列天线。利用电磁波相干原理,通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位,就可以改变波束的方向进行扫描,故称为电扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机,完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线振子之外,还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流,从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多,则波束在空间可能的方位就越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线,"相控阵"由此得名。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵,在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上.这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点,能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。

相控阵雷达又分为有源和无源两类

二者的主要区别在于发射/接收元素的多少。无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机,发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射器,目标反射信号经接收机统一放大(这一点与普通雷达区别不大)。有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件,每一个组件都能自己产生、接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如此,也使得有源相控阵雷达的造价昂贵,工程化难度加大。但有源相控阵雷达在功能上有独特优点,大有取代无源相控阵雷达的趋势。

雷达特点

(1)能对付多目标。适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境。

(2)功能多,机动性强。

(3)反应时间短、数据率高。

(4)抗干扰能力强。

(5)可靠性高。相控阵雷达的阵列组较多,且并联使用,即使有少量组件失效,仍能正常工作,突然完全失效的可能性最小。

有源相控阵雷达的应用越来越广,结合上面的特点,其在军事领域的应用大幅提高,让我们的雷达抗干扰能力,对目标的捕捉探测能力,对多目标的跟踪能力、战场生存能力和对威胁的预警时间都有很大的提高。

有源相控阵,就是众多发射单元排列成相控阵。

简而言之,就相当于把很多小雷达集中在一面上,并且每个雷达可以控制调节。

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  险些被导弹击中F-105战机(来源:维基百科)

  现代防空作战离不开各类的雷达,而对雷达斗争有两种途径,一种是硬杀伤,另一种是软杀伤。软杀伤是相对于利用导弹、火炮等进行硬杀伤相比较而言的。雷达干扰是一种主要的软杀伤方式。对雷达进行硬杀伤是最有效,也是最彻底的方法。但要实现硬杀伤,需要各种侦察手段,发现、定位目标。但是,对于雷达进行硬杀伤不可能经常实现,就需要依靠雷达干扰,特别是有源干扰手段,能够破坏雷达的正常工作。雷达干扰可以干扰敌方的警戒雷达,破坏雷达对目标的探测,阻止敌方获取空情或者得到错误的空情。雷达干扰也可以干扰敌方武器系统的跟踪雷达,制导雷达,降低敌方武器系统的命中率。对雷达的有源干扰安装作用机理可以分为两类,压制式干扰和欺骗式干扰。按照电子设备、目标、干扰机的空间位置关系可以分为自卫干扰、防区内干扰、防区外干扰、随队支援干扰。

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  米-8PP电子干扰直升机(来源:维基百科)

  压制式干扰

  压制式干扰通过发射信号,降低雷达处理回波信号的能力。压制式干扰一般采用噪声调制,在某些情况下也会采用其他调制样式压制雷达的特殊工作模式。噪声干扰发射一种类似噪声的信号,降低敌方雷达接收机的信噪比,使之难以检测到有用的信号或产生误差,较大功率的噪声干扰会使得接收机达到饱和,完全淹没有用的信号。压制式干扰按照干扰信号中心频率和干扰带宽相对于被干扰电子设备的频率和带宽的关系,又可以分为瞄准式干扰、阻塞式干扰和扫频式干扰。

  瞄准式干扰的信号频率与被干扰电子设备的频率相近,要做到这点非常难,只有非常熟悉敌方的电子设备并且己方拥有先进的干扰设备才容易实现。阻塞式干扰的信号带宽大于被干扰雷达接收机的带宽,雷达接收机的带宽越大,干扰机对每个频率的干扰功率就越小。用这种方式不需要掌握敌雷达具体特征参数就可以进行干扰。

  扫频式干扰兼具了瞄准式干扰和阻塞式干扰的特点,通过动态扫描干扰频带,提高干扰功率的利用率。当频段覆盖目标雷达的工作带宽时,扫频式干扰具有较高的干扰效能。但是对连续波雷达而言,一些雷达信号脉冲不会受扰,雷达可以接收一些回波信号。对于脉冲雷达则要求干扰机的扫频频率大于雷达的脉冲重复频率,扫频速度也不能过快,低于雷达系统的反应时间了就不能产生效果。

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  AN/ALQ-99电子干扰吊舱(来源:维基百科)

  欺骗式干扰

  欺骗式干扰利用干扰设备发射或转发与目标的反射和信号或敌方雷达的辐射信号相同或相似的假信号,使受干扰雷达的信号处理器对目标位置或速度信息作出错误的判断。常用的欺骗的干扰有角度欺骗、距离欺骗、速度欺骗和混合干扰。

  角度欺骗通过发射一种模拟敌方雷达角度信息的信号,破坏雷达的角跟踪,角度欺骗可以通过倒相干扰、倒相方波干扰等方式实现,倒相干扰是一种专门针对圆锥扫描体制的雷达。

  距离欺骗主要有两种,距离波门拖引和距离波门牵引。距离波门拖引通过增大功率和拖引极小的脉冲间隔转发敌雷达脉冲,延迟回波信号脉冲到达敌雷达显示器的时间,使雷达距离跟踪电路得出的目标距离比实际大得多。距离波门牵引主要针对前沿跟踪,使用脉冲重复频率跟踪系统预测后续每一个脉冲的到达时间,在回波信号脉冲到达之前发射一个功率更大的脉冲,使目标看起来正向雷达运动,雷达距离跟踪器得出的距离要比实际距离短。

  速度欺骗干扰较为简单,利用多普勒原理,改变雷达回波的频率就可以造成雷达的测速误差。

  利用雷达有源干扰这根看不见的“针”可以“刺瞎”雷达这双“千里眼”,为己方机群开辟空中通道,实现战术目的。

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