賈衛(wèi)東,石春燕
(1.海軍駐北京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室,北京 100000;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 210003)
現(xiàn)代艦艇受到的威脅主要來(lái)自空中和水下,其中反艦導(dǎo)彈更是艦艇的主要威脅。三坐標(biāo)雷達(dá)因其能測(cè)量目標(biāo)的三維位置參數(shù)(仰角/高度、方位、距離),對(duì)空中目標(biāo)的探測(cè)有著明顯的優(yōu)勢(shì),且便于與武器系統(tǒng)配合對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行打擊,已成為艦載雷達(dá)的主流。三坐標(biāo)雷達(dá)替代兩坐標(biāo)雷達(dá)也成為艦載雷達(dá)發(fā)展的趨勢(shì)。目前,各海上強(qiáng)國(guó)都很重視艦載三坐標(biāo)雷達(dá)的發(fā)展,艦載三坐標(biāo)雷達(dá)技術(shù)已呈現(xiàn)出多功能、新體制、新技術(shù)、系列化的發(fā)展。
三坐標(biāo)雷達(dá)在其發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了堆積波束、頻掃、相掃、頻相掃結(jié)合、相控陣等多種體制。各種體制雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)分析如下:
(1)堆積多波束 這是較早的一種三坐標(biāo)體制,采用垂直方向上多個(gè)波束堆積以獲得目標(biāo)的仰角或高度參數(shù),方位采用機(jī)械掃描。該體制雷達(dá)技術(shù)較簡(jiǎn)單,便于實(shí)現(xiàn),但仰角測(cè)量精度難以提高,且設(shè)備量較大;
(2)頻掃 一般垂直方向上采用頻率控制波束掃描,方位機(jī)械掃描,可通過(guò)多頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同時(shí)多波束,空域覆蓋較廣,可實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)率。該體制可實(shí)現(xiàn)較高的功率孔徑積,適用于中遠(yuǎn)程的對(duì)空探測(cè),但由于體制的限制,抗干擾手段和能力有限;
(3)相掃 一般垂直方向上采用相位掃描,方位機(jī)械掃描。隨著數(shù)字T/R技術(shù)的成熟,DBF技術(shù)的應(yīng)用,現(xiàn)在一維相掃雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)窄收,同時(shí)多波束,從而提高了數(shù)據(jù)率。相掃三坐標(biāo)雷達(dá)具有頻域和空間等抗干擾手段,抗干擾能力強(qiáng)。
(4)相頻掃 兼有頻掃數(shù)據(jù)率高和相掃波束控制靈活的優(yōu)點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng),缺點(diǎn)是天線設(shè)計(jì)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)笨重且成本高。
(5)相控陣?yán)走_(dá) 具有靈活的資源調(diào)度功能,便于實(shí)現(xiàn)多功能,抗干擾能力強(qiáng),是高性能的艦載三坐標(biāo)雷達(dá)的重要發(fā)展方向。
目前,世界范圍內(nèi)有代表性的艦載三坐標(biāo)雷達(dá)主要有AN/SPS-48 系列雷達(dá)、Fregart(弗列蓋特)系列雷達(dá)、SMART 系列雷達(dá)、Herakles(大力士)雷達(dá)、TRS-3D雷達(dá)、海上長(zhǎng)頸鹿AMB雷達(dá)等。
AN/SPS-48雷達(dá)為頻掃三坐標(biāo)雷達(dá),工作頻段為2.9~3.1GHz,是美國(guó)海軍大型水面艦艇大量裝備的三坐標(biāo)遠(yuǎn)程對(duì)空搜索雷達(dá),主要負(fù)責(zé)提供空中目標(biāo)三維數(shù)據(jù)并為武器控制系統(tǒng)提供目標(biāo)指示。該雷達(dá)方位上360°機(jī)械掃描,仰角上采用頻率掃描,可以同時(shí)發(fā)射9個(gè)1.5°的疊加筆形波束。通過(guò)自動(dòng)改變發(fā)射頻率,使之與船體的擺動(dòng)呈函數(shù)關(guān)系,以獲得船體運(yùn)動(dòng)的波束穩(wěn)定性。
圖1 AN/SPS-48 遠(yuǎn)程對(duì)空搜索雷達(dá)
隨著功能使命的升級(jí)和技術(shù)水平的提高,AN/SPS-48雷達(dá)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了A/B/C/D/E/F 等多個(gè)系列。特別是AN/SPS-48E 采用固態(tài)器件,提高了系統(tǒng)的可用性;提高了雜波環(huán)境下探測(cè)巡航導(dǎo)彈等小目標(biāo)的能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)襲小目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤和預(yù)警。該雷達(dá)裝備了美國(guó)的多數(shù)作戰(zhàn)艦艇。
Fregart(弗列蓋特)系列雷達(dá)是種艦載多功能、三坐標(biāo)頻掃、360°全覆蓋、全天候監(jiān)視雷達(dá),采用E、H波段背靠背形式天線,采用了筆形波束和復(fù)合波形,設(shè)計(jì)用于對(duì)海上和機(jī)載目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和探測(cè),并向武器系統(tǒng)提供目標(biāo)數(shù)據(jù)。在密集干擾和對(duì)抗環(huán)境下,F(xiàn)regat雷達(dá)也可以有效工作,而且還可以與敵我識(shí)別器組合提供敵我識(shí)別信息。該系列雷達(dá)采用LRU(現(xiàn)場(chǎng)可更換單元)制造,可以很容易地排除故障。該系列雷達(dá)包括Fregat-M2EM、Fregat-MAE、Fregat-MAE-l、Fregat -MAE-2、Fregat-MAE-3和Fregat-MAE-4k。這些不同變型的區(qū)別主要體現(xiàn)在作用距離、通道數(shù)、工作頻率和重量上,以滿(mǎn)足裝備不同排量的艦船的需要。該系列雷達(dá)裝備了俄羅斯的多數(shù)作戰(zhàn)艦艇。
圖2 Fregat雷達(dá)
SMART 系列雷達(dá)為一維相掃體制雷達(dá),主要有SMART-L和SMART-S雷達(dá),搜索采用DBF 寬發(fā)窄收同時(shí)多波束。
SMART-L雷達(dá)工作在L波段,發(fā)射功率大,最大作用距離可達(dá)400km,可以提供目標(biāo)三維坐標(biāo)信息。能自動(dòng)探測(cè)和跟蹤空海目標(biāo)不小于1000個(gè),其中對(duì)海搜索由L波段對(duì)海監(jiān)視通道完成,能自動(dòng)探測(cè)和跟蹤100個(gè)海面目標(biāo)航跡,距離達(dá)60km。對(duì)低空可觀測(cè)目標(biāo)的探測(cè)距離為55km。該雷達(dá)專(zhuān)門(mén)用于預(yù)警和跟蹤超小型飛機(jī)和導(dǎo)彈,滿(mǎn)足對(duì)小型隱身空中目標(biāo)的中程探測(cè)、常規(guī)飛機(jī)的遠(yuǎn)程探測(cè)、視距內(nèi)海面目標(biāo)探測(cè)的要求,具有高的抗干擾性能。
SMART-L 主要裝備了4 艘荷蘭“DeZeven Provincien”級(jí)驅(qū)逐艦和3 艘德國(guó)“Sachsen”護(hù)衛(wèi)艦。
圖3 SMART-L 立體搜索雷達(dá)
SMART-S雷達(dá)工作在S 頻段,作用距離達(dá)250km,能對(duì)付掠海飛行或從70°或大于70°到達(dá)小型高速反艦導(dǎo)彈,并可同時(shí)跟蹤160個(gè)空中目標(biāo)和40個(gè)海面目標(biāo)。該雷達(dá)被用作數(shù)據(jù)處理和武器系統(tǒng)控制的主傳感器,在嚴(yán)重雜波和電子干擾環(huán)境中具有極好的性能。
該雷達(dá)主要裝備了智利Karel Doonnan和Jacob Van Heemskerk 級(jí)護(hù)衛(wèi)艦,德國(guó)Brandenburg 級(jí)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦(4 艘),以及荷蘭Jacob Van Heemskerck (2 艘)和KarelDoorman(8 艘)級(jí)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦。
圖4 SMART-S雷達(dá)
泰勒斯公司的Herakles(武仙座)雷達(dá),為單面兩維旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá),工作于S波段。其戰(zhàn)術(shù)覆蓋空域250km,能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤和識(shí)別,能夠?yàn)镸BDA 公司的主動(dòng)雷達(dá)尋Aster(紫苑)系列艦對(duì)空導(dǎo)彈提供中段制導(dǎo)。該雷達(dá)主要用于要求自衛(wèi)和中遠(yuǎn)程監(jiān)視的護(hù)衛(wèi)艦。
Herakles雷達(dá)的無(wú)源相控陣天線單元的圓形陣面裝有1761個(gè)移相器組件,能以電控方式控制雷達(dá)波束,如圖4所示。利用相控陣靈活的波束調(diào)度優(yōu)勢(shì),Herakles雷達(dá)可以同時(shí)完成監(jiān)視和目標(biāo)跟蹤。監(jiān)視模式下,雷達(dá)基本上按多波束雷達(dá)工作,而對(duì)于目標(biāo)跟蹤模式,雷達(dá)以筆形波束模式工作。轉(zhuǎn)速60r/min,整個(gè)天線的重量約3000kg。
該雷達(dá)裝備了法國(guó)的“Aquitaine”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦、摩洛哥的FREMM 護(hù)衛(wèi)艦、新加坡的輕巧靈活的“可畏”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦。
圖5 Herakles雷達(dá)天線示意圖
TRS-3D/16ES雷達(dá)可描述為一部G波段(4~6 GHz)全相干多模式筆形波束雷達(dá),采用輕型電子穩(wěn)定三坐標(biāo)平面相控陣天線。該雷達(dá)具有近程至遠(yuǎn)程(大于200 km,仰角55°)對(duì)空對(duì)海目標(biāo)探測(cè)和武器分配功能,可以說(shuō)是一部擅長(zhǎng)探測(cè)小型高速低飛反艦導(dǎo)彈、無(wú)人駕駛空中飛行器和俯沖直升機(jī)的優(yōu)化雷達(dá)。它的典型探測(cè)距離(取決于選定的模式)對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人駕駛空中飛行器為100 km,對(duì)水面艦艇約為90 km,對(duì)直升機(jī)大于80 km,對(duì)掠海飛行導(dǎo)彈大于30 km,對(duì)高空俯沖導(dǎo)彈大于20 km。一旦已選定一種模式,該雷達(dá)就能實(shí)施全自動(dòng)的探測(cè)、跟蹤、反干擾和機(jī)內(nèi)故障測(cè)試等功能。
該雷達(dá)裝備了美國(guó)“自由”號(hào)瀕海戰(zhàn)斗艦和德國(guó)K130 級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦。
圖6 TRS-3D雷達(dá)
SeaGiraffe AMB“海上長(zhǎng)頸鹿”雷達(dá)屬于最新一代“長(zhǎng)頸鹿”雷達(dá)系統(tǒng),是一部采用相控陣天線的G波段(5.4~5.9 GHz)全相干多模式艦載三坐標(biāo)監(jiān)視雷達(dá),適用于從巡邏艇到護(hù)衛(wèi)艦的艦艇。它同時(shí)具有對(duì)空監(jiān)視與跟蹤(包括對(duì)干擾跟蹤)、對(duì)海監(jiān)視與跟蹤、對(duì)武器系統(tǒng)的目標(biāo)指示和炮擊支援(包括高分辨力校射)等功能。對(duì)該雷達(dá)的總體設(shè)計(jì)要求是能迅速而高可靠地探測(cè)到在惡劣的瀕海雜波環(huán)境下在任何高度飛行的小型高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。雷達(dá)對(duì)飛行高度為10 km的小型空中目標(biāo)的典型探測(cè)距離在防空模式下大于60 km,在正常搜索模式下為80 km。據(jù)稱(chēng),為了適應(yīng)目前和未來(lái)的復(fù)雜電子戰(zhàn)環(huán)境,該雷達(dá)還可提供反噪聲干擾、反欺騙干擾和反箔條干擾等增強(qiáng)的電子反干擾能力。該雷達(dá)集“功能強(qiáng)、成本低、質(zhì)量小、全封閉、全相參”等特點(diǎn)于一身,是“最新一代”的多功能雷達(dá)。
Sea Giraffe AMB 主要裝備了瑞典“維斯比”級(jí)隱形護(hù)衛(wèi)艦和美國(guó)“獨(dú)立”號(hào)瀕海戰(zhàn)斗艦。
圖7 “海上長(zhǎng)頸鹿”AMB雷達(dá)
艦載三坐標(biāo)雷達(dá)面臨的威脅和承擔(dān)的作戰(zhàn)任務(wù)是艦載三坐標(biāo)雷達(dá)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。
艦載三坐標(biāo)雷達(dá)面臨的威脅有:日益復(fù)雜的干擾態(tài)勢(shì)和電磁環(huán)境,隱身目標(biāo)和隱身技術(shù)造成的威脅,低空、超低空目標(biāo)的威脅,反輻射導(dǎo)彈帶來(lái)的威脅,飽和攻擊的壓力等。
隨著海上艦船遂行任務(wù)的發(fā)展和防御各種新型反艦武器的需求,艦載三坐標(biāo)雷達(dá)承擔(dān)的任務(wù)也逐漸多樣化,需要同時(shí)承擔(dān)任務(wù)包括:
(1)警戒探測(cè)功能,在復(fù)雜自然環(huán)境和電磁環(huán)境下有效發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo);
(2)目標(biāo)指示、引導(dǎo);
(3)武器系統(tǒng)控制(制導(dǎo)、武器系統(tǒng)指示);
(4)對(duì)高速高機(jī)動(dòng)、低速高機(jī)動(dòng)小目標(biāo)進(jìn)行探測(cè);
(5)目標(biāo)識(shí)別探測(cè)等功能。
另外,電子技術(shù)飛速發(fā)展是艦載三坐標(biāo)雷達(dá)發(fā)展的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。
綜合分析艦載三坐標(biāo)雷達(dá)面臨的威脅和承擔(dān)的任務(wù),艦載三坐標(biāo)雷達(dá)的發(fā)展主要呈現(xiàn)在技術(shù)體制層面、功能層面、系列化和網(wǎng)絡(luò)化層面等多層面的多元化發(fā)展趨勢(shì)。
(1)技術(shù)體制層面
艦載三坐標(biāo)雷達(dá)體制經(jīng)歷了相掃和頻掃、頻掃為主流、頻相結(jié)合、有源相掃、兩維相控的發(fā)展歷程。當(dāng)前,以有源相掃和兩維相控為主流,但中遠(yuǎn)程三坐標(biāo)雷達(dá)中頻掃體制仍在生產(chǎn)和使用。
頻掃三坐標(biāo)雷達(dá)因其便于實(shí)現(xiàn)同時(shí)多波束掃描,掃描效率高;其基本采用無(wú)源天線,重量輕,適裝性強(qiáng);發(fā)射機(jī)可采用電真空管,便于實(shí)現(xiàn)大功率,適用于中遠(yuǎn)程探測(cè)。頻掃三坐標(biāo)雷達(dá)作為艦載三坐標(biāo)雷達(dá)的主要體制,在目前世界艦載三坐標(biāo)雷達(dá)裝備中占有率最大,如AN/SPS-48 系列雷達(dá)、Fregart(弗列蓋特)系列雷達(dá)等。但由于體制的制約,頻掃三坐標(biāo)雷達(dá)不具有頻域抗干擾手段,抗復(fù)雜干擾的能力有限。
早期的相掃三坐標(biāo)雷達(dá)采用無(wú)源天線,以移相器控制波束指向,結(jié)合另一維的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維掃描。這種方式因其掃描效率低,數(shù)據(jù)率、探測(cè)精度和空域覆蓋范圍相互制約,難以滿(mǎn)足給武器系統(tǒng)目標(biāo)指示要求,所以實(shí)際型號(hào)和裝備量較少。但是,隨著T/R組件和DBF技術(shù)的發(fā)展,以有源天線、寬發(fā)窄收、DBF技術(shù)為特征的新型相掃三坐標(biāo)雷達(dá)正快速發(fā)展。新型相掃三坐標(biāo)雷達(dá)克服了掃描效率低的缺點(diǎn),且相掃體制具有頻域、時(shí)域、空間域、信號(hào)域等多種抗干擾的技術(shù)手段,抗干擾能力強(qiáng)。新型相掃三坐標(biāo)雷達(dá)的天線線源數(shù)可根據(jù)安裝平臺(tái)和任務(wù)系列化配置,還具有適裝性、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前,新型相掃三坐標(biāo)已成為新研艦載三坐標(biāo)雷達(dá)的主流,已出現(xiàn)多個(gè)有代表性的型號(hào),已成為歐洲新型護(hù)衛(wèi)艦的首選。
多面固定相控陣技術(shù)已在艦載雷達(dá)中成熟應(yīng)用,但因其設(shè)備量龐大、造價(jià)高而影響了其使用,主要裝備于驅(qū)逐艦等大型艦船上,裝備數(shù)量有限。近年來(lái)艦載旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)已成為相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的重要方向,如前文提到的Herakles雷達(dá)等。旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)因其經(jīng)濟(jì)性好、適裝性強(qiáng)而適應(yīng)于護(hù)衛(wèi)艦級(jí)中型艦船安裝,已成為相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的一個(gè)重要方向。另外,采用透鏡等技術(shù)的經(jīng)濟(jì)型相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)受到廣泛關(guān)注,成為發(fā)展的熱點(diǎn)。
艦載三坐標(biāo)雷達(dá)技術(shù)體制現(xiàn)在已呈現(xiàn)出相控陣?yán)走_(dá)(含固定和旋轉(zhuǎn)陣)和新型相掃三坐標(biāo)雷達(dá)高端和低端并存的發(fā)展趨勢(shì)。
(2)功能層面
早期艦載三坐標(biāo)雷達(dá)主要功能是對(duì)空警戒探測(cè)、區(qū)分空海目標(biāo)及提供目標(biāo)指示。隨著艦船在海上威脅的變化和武器系統(tǒng)的發(fā)展,現(xiàn)代艦載三坐標(biāo)雷達(dá)已向空海警戒探測(cè)、目標(biāo)指示、武器控制、目標(biāo)識(shí)別探測(cè)、氣象海態(tài)等環(huán)境探測(cè)等多功能發(fā)展。艦載雷達(dá)配置也由以前的按任務(wù)和武器系統(tǒng)匹配需求的多部雷達(dá)配置向以多功能三坐標(biāo)雷達(dá)為核心的少量雷達(dá)配置變化。由于相控陣技術(shù)的廣泛應(yīng)用,艦載三坐標(biāo)雷達(dá)也由通過(guò)切換操作分時(shí)實(shí)現(xiàn)多功能向通過(guò)雷達(dá)自適應(yīng)資源調(diào)度實(shí)現(xiàn)同時(shí)多功能發(fā)展。
(3)系列化和網(wǎng)絡(luò)化層面
現(xiàn)代艦載三坐標(biāo)雷達(dá)多呈現(xiàn)系列化的發(fā)展態(tài)勢(shì),如前文提到的AN/SPS-48 系列、Fregart(弗列蓋特)系列、SMART 系列等等,有些雷達(dá)為軍貿(mào)出口在系列中還有出口型。系列化的發(fā)展一是隨技術(shù)的進(jìn)步出現(xiàn)的替代性的系列化發(fā)展,二是為適應(yīng)多型艦船的不同功能、指標(biāo)、頻段、適裝性、接口和經(jīng)濟(jì)型等的要求而呈現(xiàn)的同時(shí)并存的系列化狀態(tài)。
現(xiàn)代艦船雷達(dá)系統(tǒng)面臨復(fù)雜電磁環(huán)境和日益發(fā)展的干擾技術(shù)的威脅,雷達(dá)所探測(cè)的目標(biāo)也在不斷復(fù)雜化,高速高機(jī)動(dòng)目標(biāo)、隱身目標(biāo)等低可觀測(cè)小目標(biāo)、超低空目標(biāo)、高仰角大俯沖目標(biāo)、慢速小目標(biāo)等已逐漸成為艦載雷達(dá)探測(cè)的主要對(duì)象和難點(diǎn),靠單一雷達(dá)在復(fù)雜環(huán)境下完成上述任務(wù)有時(shí)已力不從心。因此,構(gòu)建以傳感器綜合調(diào)度和信息綜合利用為核心的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)已是艦載雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢(shì)。雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的發(fā)展一是構(gòu)建雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí),雷達(dá)采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方便的網(wǎng)絡(luò)接入;二是發(fā)展綜合信息處理、綜合數(shù)據(jù)處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信息的綜合利用,提升信息獲取能力和信息處理質(zhì)量;三是發(fā)展雷達(dá)實(shí)時(shí)綜合調(diào)度技術(shù)和協(xié)同探測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)單平臺(tái)和多平臺(tái)雷達(dá)的協(xié)同探測(cè),提升雷達(dá)系統(tǒng)抗干擾能力和探測(cè)能力,提升雷達(dá)多任務(wù)實(shí)現(xiàn)能力。
艦載三坐標(biāo)雷達(dá)已成為艦載雷達(dá)的主流,雷達(dá)面臨的威脅和承擔(dān)的任務(wù)是艦載雷達(dá)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力?,F(xiàn)代艦載三坐標(biāo)雷達(dá)呈現(xiàn)相控陣技術(shù)和新型相掃三坐標(biāo)技術(shù)高端和低端并行發(fā)展的態(tài)勢(shì);多功能是艦載三坐標(biāo)雷達(dá)發(fā)展的重要方向,自適應(yīng)同時(shí)多功能是發(fā)展的趨勢(shì);系列化發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展也是現(xiàn)代艦載三坐標(biāo)雷達(dá)重要的的發(fā)展趨勢(shì)。
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