-有源相控阵和无源相控阵雷达

有源相控阵和无源相控阵雷达

历史上改变人类世界的发明太多了。人类的第一项技术,火,到目前为止,无数科学家正在全力攻克的受控核聚变。自古以来,无数人首先紧随其后,按照人类的意愿努力改变这个蓝色的星球,有太多的故事我们可以记住。今天我们要谈论的技术是来自奥地利的物理学家3354多普勒萌芽于1842年开始的。他发现物体辐射的波长因波源和观察者的相对运动而变化。在运动的波源面前,波被压缩,波长变短,频率变高(蓝色移动Blueshift)。在运动的派员后面时,会产生相反的效果。这就是雷达测速的基本原理————多普勒效应。随后,一代科学家在此基础上有意或无意地添加了砖头,1917年,罗伯特沃森瓦特成功设计了宣布雷达诞生的雷暴定位装置。罗伯特沃森瓦特(Robert Watson-Watt)于1917年,罗伯特沃森瓦特(Robert Watson-Watt)宣布雷达诞生。最终,在1940年的英国空战中,雷达证明了自己的军事价值,悄悄地改变了人类历史的轨迹。

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多普勒效应

雷达的工作原理很简单,与我们平时接触最多的声波反射原理相当相似。我们朝空荡荡的洞穴喊,我能听到回声反射的声音。我们知道空气中声音的大致速度。通过接收回声的时间差,可以计算出山东的石墙离我们有多远。(John F . Kennedy,时间)雷达的探测方式与上述原理大致一致,但将探测到的介质从声音变成电磁波,雷达由发射器发射电磁波,电磁波在空中接触到一些物体时,小部分会反射,被雷达的接收器捕捉。结合上面提到的多普勒效应,我们知道了物体的相对速度。这就是雷达探测的基本原理。(阿尔伯特爱因斯坦)。

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雷达基本结构图

今天的雷达技术已经相当成熟,雷达的种类也已经百发百中。如果以雷达信号形式分类,则有脉冲雷达、连续波雷达、脉冲压缩雷达、频率敏捷性雷达等。雷达使用的技术和信号处理方式包括相互积累和非常号积累、移动大象标记、移动大象检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、横向扫描边缘跟踪雷达等。根据雷达波段的不同,可以分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达等。今天笔者想和读者们谈谈相控阵雷达。

相控阵雷达是“相控雷达”的简称,是天线扫描方式不同雷达区分的一种雷达,相当于机器扫描雷达。顾名思义,相位控制是通过控制电磁波的相位差,利用电磁波的干扰现象来控制电磁波的发射方向的技术,与传统的机械扫描雷达相比具有革命性的优势。传统的机器扫描雷达使用凹镜式抛物线收缩视角,因此,要提高雷达精度,只能使用增加雷达天线面积的方法,增加雷达天线面积只能增加雷达重量。进一步降低雷达电机的转速、扫描速度和扫描精度,成为传统机械扫描雷达中鱼和熊掌的关系。相控阵技术的出现完全解决了这个问题。

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传统机械扫描雷达结构

已知的第一台相控阵雷达出现在1937年纳粹德国建造的“猛犸”雷达系统中,关于“猛犸”雷达的数据并不多。

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电磁波干扰

对于有源相控阵和无源相控阵雷达,外观上没有太大差异。所有小单位的天线都由能够发送和接收信号的小单位组成。通过上述电磁干扰,可以控制电磁波束的方向,并高速扫描大象空域。另一方面,无源相位阵列是调节每个小单位信号强度的集成放大器。其优点也很明显。在造价和制造难度不高的前提下,

大大提高了相对于机械雷达的扫描速度。其劣势也相对明显。就像只用一个放大镜装置把鸡蛋放在一个篮子里一样。如果雷达的一部分受损,整个雷达很有可能停止工作。而且,由于各单位信号强度均匀分配,其功能和信号的灵活性也受到了很大影响。(David Assell,Northern Exposure,LAMP)有源相控阵是蜻蜓般的复眼,由无数独立的收发机组成,每个小单元都有独立的放大器,称为T/R模块。每个T/R模块接收的电磁波信号是弱信号,T/R模块的天线根据自己的需要将电磁波信号放大到想要的程度。这样,每个T/R模块都可以独立完成任务,因此雷达可以同时执行多种功能,除了传统的搜索跟踪外,还可以进行电子战干扰、远程通信等。

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相控阵雷达

因此,从技术层面来看,有源相控阵比无源相控阵更先进,扫描精度或雷达体积、无源相控阵没有优势。打个不恰当的比喻,刘元祥控制和被动相控制组就像智能手机和功能手机的区别一样。然而,制造有源相控阵的困难和成本较高,后期维护成本远高于无源相控阵,因此,即使是当今海军力量最强的美国,最近服役的”宙斯盾”驱逐舰(block级block IIA)中也只有一小部分装备了有源相控阵雷达(an/spy),我国海军起步较晚,后发优势明显

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AN/SPY-6(V)空中搜索雷达

从2014年第一艘052D驱逐舰昆明舰开始,使用了南京电子技术研究所(14家)开发的346A型有源相控雷达,部分性能超过了美军的“宙斯盾”雷达系统。我国也成为世界上第一个在海军主力海军舰艇上全面使用主动相控阵技术的国家。

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346A“海星”主动相控阵雷达

2022年6月17日,我国第一艘国产采用直通甲板,电子弹型航空母舰福建舰正式下水,打破了8万多吨排水量维持了82年的欧亚大陆最大吨位战舰记录。在全民欢呼三个中压直流电子弹射器的同时,一些眼尖军迷发现了更令人高兴的“小细节”。就是那两个H/PJ-11型11管30毫米舰炮(以下简称1130近防炮)

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福建舰上更换了装有新型相控阵雷达的1130近防炮

1130近防炮是我国自主研制的,是目前世界上最快的舰船防御拦截武器系统,采用11管30毫米加特林炮设计、全自动控制,共拥有2枚1280发弹夹,最大射速为11000发/分钟,即最快发射速度为每秒166发

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正在高速射击的1130根防空炮

但是,我国的1130近防系统此前一直使用传统雷达、红外和光学传感器跟踪目标,在应对三马赫(1020米/秒)以下的目标时具有极高的拦截效率,但随着各种超音速的出现,该雷达系统略有凹陷。因此,随着武器的发展,福建舰的近防系统也首次使用了相控阵雷达。如上所述,相控阵雷达反应迅速,可以同时搜索多个空域,同时可以跟踪更多的高速飞行单位,可靠性高。即使失去了10%的T/R模块,其影响仍然不大。甚至有30%的T/

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由1130近防炮发射的DEC 115型30毫米合金尾翼稳定脱皮甲弹

随着各种高超音速武器的出现,战局是真正的瞬间变化。以国产346A型”海星”主动相控阵雷达为例,最大发现距离为450公里,以目前最先进的高超音速反舰导弹猎鹰21型为例

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老鹰打击21高超音速反舰导弹轰炸-6k

(很尴尬。这方面最先进的盾牌和长矛都是我国生产和装备的。)如果导弹以8马赫(2720m/s)的突然速度攻击,在450公里的距离上,军舰留下的反应时间只有165秒左右,在如此紧急的时间内,近防系统必须完成运行,但更换最新的有源相控阵雷达,拦截高超音速武器成为可能(笔者认为成功概率也不会很高)。作为除美国以外最强大的航空母舰福建舰,配备如此豪华的雷达系统是一定的。但是,从我国过去的作风来看,未来的有源相控制系统应该在我军得到普及,帮助解放军成为现代化的世界一流军队。

相控阵技术最先应用于军事,但随着最近军民融合的趋势,在不远的未来,很有可能进入汽车电子领域,为普通老百姓服务。

作为无人驾驶领域的先驱之一,Google于2012年底开始公开测试无人驾驶汽车,Google采用的无人驾驶技术依靠机器扫描激光雷达对周围环境进行精确建模,同时完善了摄像头、毫米波雷达、超声波雷达等手段,达到了观察环境的目的。该方案的优点是激光雷达的探测精度高,对芯片的图像处理能力要求不高,节省的计算能力可以在其他地方使用。在恶劣天气下,激光雷达的可靠性下降,可以补充定向毫米波雷达,确保行车的安全。(阿尔伯特爱因斯坦,Northern Exposure,)但是这种方法的劣势也很明显。使用多种传感器、雷达只能降低可靠性,在雾、灰尘等能见度低的恶劣天气下,毫米波雷达可以正常工作,但毫米波雷达只能判断前方是否有物体,无法准确识别物体的形状。对于城市道路上复杂的道路和各种红绿灯,显然是杯水车薪。

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Google Weimo自动驾驶

这个领域的另一个大工厂特斯拉采用了另一个方案。特斯拉正在努力降低智能驾驶的使用成本,以便在市场上全面展开。所以市场上已经选择了成熟的相机技术,用强大的AI计算能力达到了自动驾驶的目的,降低成本的目的确实达到了,但其自动驾驶的实际效果只能说是未来。

今年在军事上大放异彩的有源相控阵技术,从笔者的角度来看,很可能是未来自动驾驶的出路之一。(William Schinston,《军事名言》)使用激光相控阵雷达,由于没有机械旋转扫描结构,在体积和成本大幅下降的情况下,几乎可以获得实时扫描效率,减少了当今瞬息万变的复杂道路情况下对环境反应的延迟性问题,大大提高了自动驾驶的安全性。而且与现有的几种传感器相比,激光相控阵雷达具有全天候良好的可用性。但是没有完美的东西。相控阵雷达不能有360的视野,最多只能有90的扫描视野,因此只有通过增加雷达数量的方式才能防止死角的出现。

一般来说,雷达的原理很简单,但为了实现高性能雷达,还有很多技术壁垒,所以现在成为了少数国家的专利。幸运的是,我国拥有非常成熟的雷达技术,相信在不远的将来,操纵雷达的技术将逐渐脱离军事,来到无数普通人的家里,为我们的生活增添更多的便利。

照片来自网络,侵删。

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