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来自 军事详情 2020-05-02 04:17 的文章
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机载雷达的时间简史

我们看到一部雷达时,又高又大的部分就是雷达的天线,它也是雷达用来发现飞机的最直接的设备。由于天线是其在外观上最突出的特征,所以从天线看雷达,也常常能够看出些大大小小的门道。
  
  锅、蜘蛛网、平板和鱼骨
  
  雷达的天线有很多种,用得最多的就是抛物面天线、平面阵列天线和八木天线。
  抛物面天线在早期或机械扫描(也就是天线需要旋转)的雷达中被广泛应用。20世纪80年代后,由于相控阵雷达(外观上看,雷达天线在工作时不需要旋转)的流行,逐渐更多地采用平面阵列天线。
  抛物面天线有很多形式,有的像一口锅,是一个比较完整的“实心”曲面,有的不是“实心”的,而是像蜘蛛网一样的网状结构。抛物面天线的基本原理是,在抛物面的焦点上放置一个辐射电磁波的源,馈源向抛物面上辐射电磁波,经抛物面反射后平行而不是分散射出,从而汇聚了能量,使电磁波传播得更远。它的最大优点是简单易于实现,最大缺点是副瓣不容易做低。因此,当雷达需要从上往下看、探测低空飞行的飞机时(例如预警机上的雷达),为反地杂波要求天线的副瓣必须很低,所以不会使用抛物面天线。因此,现代的机载预警雷达都不使用抛物面天线。
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  为提高雷达的机动性,抛物面就有了蜘蛛网结构,使更多的空气从网缝中流过,减少了雷达天线架设后的空气阻力,这样支撑雷达天线底部结构的重量就轻了。结构也简单,更方便移动、虽然蜘蛛网结构可以减少空气阻力,但为了不影响电波的传播性能,特别是为了降低副瓣,网格大小在宽度和高度上一般不能超过波长的1/8。对于工作在较低频段(如超短波)的雷达,把实心的锅划分为网状结构可行,因为超短波对应的工作波长为几十厘米量级。但对于工作在较高频段的雷达而言,网格的尺寸必须很小,缝隙会很密,以至于网格对改善空气阻力没有好处,所以就不这样做了。
  蜘蛛网似的天线在雷达和通信中都得到了广泛应用。国庆大阅兵中参阅的通信装备虽然采用的天线与其类似,但对应的是通信车,而不是雷达方舱。这可以从两个地方看出来。一是雷达要求探测距离较远,所以要使用大天线,而它们的天线都太小。二是从天线下部的舱体也可以看出差异。阅兵通信车的舱体都是密封结构,而雷达载车的下部舱体是敞开的,以便个头较大的雷达天线收放或折叠,随载车机动。
  平面阵列天线从外观上看,像是一个大平板,不像抛物面那样是一个曲面。波导缝隙(又称“裂缝”)阵列天线是用得最多的平面阵列天线顾名思义,“波导缝隙阵列”就是把波导一根根排列起来组成阵列,并在阵列上开出缝隙。波导是电磁波从发射机输送到天线以及从天线输送到接收机的通道。波导中传输的电磁波在“缝隙”处向空间辐射出去,也接收空间中的电磁波,接收到的最强能量的方向就是回波到达的方向。从天线上辐射出去的总能量是每个辐射单元辐射出的能量在空间叠加的结果,有些方向上,叠加的结果比较大,就会聚集较多的能量,其区域就是“主瓣”:其它方向上,叠加的结果比较小,聚集的能量较少,这样的区域就是“副瓣”。
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  天线上各个缝隙之间到底间隔多大距离排布,有一个简单重要的规律,就是高度或水平方向上必须相隔半个波长。如果间距太大,各个缝隙射出的能量在合成时极易抵消很多能量,造成主瓣较低而副瓣较高;如果间距太小。各个缝隙射出的电磁波又互相干扰。
  正是这个规律和天线缝隙的数量,决定了天线个头的大小。比如,某一个天线工作在S波段(2~4CHz),如果以3GHz的中心频率计算,则波长为10厘米(波长和频率换算有一个简单经验公式,即波长等于30除以单位为GHz的频率,计算出的波长单位为厘米)。如果这个天线在水平方向上有100个缝隙(即由天线缝隙组成的阵列的每一行),则天线在水平方向上的尺寸就有10米:如果这个天线在竖直方向上有50个缝隙(即由天线缝隙组成的阵列的每一列),则其在竖直方向上的尺寸就有5米。由于缝隙是在波导上开的,所以,波导是竖直(或水平)方向上一根根排列的,水平(或竖直)方向上的两个间隙问的距离,也就是波导之间的距离,即半个波长。
  平面阵列天线的最大优点之一是,副瓣可以做得较低。因为对于平面阵列天线而言,主瓣和副瓣是众多缝隙所射出的电磁波的合成,所以,人们通过控制众多的缝隙射出的电磁场幅度和相位,把主瓣和副瓣设计成想要的形状。因此,这种天线在机械扫描雷达和相控阵扫描雷达上都得到了广泛应用。相比之下,抛物面天线因馈源集中,不能调整辐射单元的相位,无法应用到相控阵。
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  八木天线从外观上看,就像早期架在住宅楼顶部的电视天线,南方叫鱼骨天线。看到这种天线,就知道该雷达工作在较低频段,最有可能是超短波频段(30M~1000M)。雷达工作在低频段时,用八木天线是比较好的选择。因为平面阵列天线缝隙间的距离为半波长,天线必须很大,这对地面雷达和机载雷达而言,在很多情况下是不允许的。而八木天线没有缝隙,是以一根根的“棍子”(金属管)作为最基本的辐射单元,在尺寸上的限制要更松一些。
  超短波在空间传播时,大气所引起的衰减较小,更适合于远距离传播雷达的探测距离如果要求很远,就会选择工作在超短波或更低频段。所以采用八木天线的雷达,其作用距离会比较远,一般在500千米以上。
  八木天线的缺点是副瓣也不容易做低。美国E-2C预警机上的雷达使用的就是超短波频段和八木天线,雷达探测距离较远,但是在陆地上空的下视能力不太理想。
  总的来说,如果我们看到抛物面型的雷达天线,就知道它不是相控阵的。看到平板型的雷达天线,有可能是相控阵,也有可能是机械扫描。看到八木天线,就知道它工作在较低频段,雷达探测距离较远。这三种天线中,平板型的天线最有可能用于相控阵或要求天线副瓣较低的机载场合。
  
  天线个头隐藏的奥秘
  
  对于雷达来说,选定工作频段以后,天线尺寸越大,波束就越窄,分辨力越好,测量精度就越高,对目标的方位或高度也就能够测得越准。
  雷达对目标位置的测量,包含三种信息——距离、方位和高度,同时测得这三种信息的雷达称为三坐标雷达只能获得距离、方位或距离、高度两种信息的称为两坐标雷达。在绝大多数场合,两坐标雷达指的是不能获得目标高度信息的雷达。要测高,雷达必须在高度方向上的分辨能力强或波束必须足够窄,这就要求雷达天线在高度方向上足够大。
  因此,当我们看到一部雷达的天线在高度方向上尺寸较大,甚至超过水平方向尺寸,那么这个雷达几乎可以肯定是三坐标的,如美国的TPS59雷达。如果天线在高度方向上的尺寸小于水平方向上的尺寸,这个雷达有可能是两坐标的,如我国的360两坐标雷达,也有可能是三坐标的,如JY-8雷达。在后一种情况

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原标题:机载雷达的时间简史

集中式发射机由于工作在高压,很容易发生打火现象,由于发射机只有1个,一旦打火失效,整部雷达也就失效了。实际上,自成功地将雷达搬上飞机以来,可靠性低一直妨碍着机载雷达的应用。在第三代战斗机F-14刚刚服役时,AWG-9火控雷达的平均故障间隔时间(MTBF)只有几小时,使之难以形成有效的战斗力;经过了几十年的努力,第三代战斗机雷达的可靠性也只有100小时左右,相对于其他电子设备的数千小时仍有1至2个数量级的差距。究其原因,一是极端恶劣环境下机载雷达高功率电子器件的可靠性低;二是高速运动的机械雷达天线成为大量故障的诱因。无源相控阵解决了机械旋转天线的问题,并使得波束旋转不再需要克服巨大的机械惯性而具有更大的灵活性,但对于高功率集中式发射机的可靠性问题,仍然无能为力。

与此类似,当雷达向空中发射一定频率的电磁波,如遇到运动目标,一般情况下该目标会存在与雷达的接近或远离的运动(称为径向运动),因此从运动目标反射回雷达的电磁波频率与雷达发射出去的电磁波的频率相比会发生变化,二者的差值称为多普勒频率,它与2倍的目标径向速度(注意不是目标的真实速度,径向速度只是真实速度的一个分量)成正比,与雷达波长成反比;如果目标是接近雷达的,则多普勒频率是正的,反之是负的。

相控阵技术,相位里的大学问

擦亮飞机上的神眼

蝙蝠,虽然像人一样拥有双眼,但它看起东西来,用到的却不是眼睛。蝙蝠从鼻子里发出的超声波在传输过程中遇到物体后会立刻反弹,根据声波发射和回波接收之间的时间差,蝙蝠就可以轻易地判断出物体的位置。这一工作原理与人类发明的雷达如出一辙。

天线上的各个缝隙之间到底间隔多大的距离排布,有一个简单而重要的规律,那就是必须相隔半个波长,无论是高度方向上还是水平方向上,都服从这个规律。如果间距太大,各个缝隙射出的电波能量在空间合成时不容易汇聚到一起,因此,各个缝隙需要“紧密团结”;可如果各个缝隙太“亲近”,也就是间距太小,各个缝隙射出的电磁波又容易互相干扰、互相打架,正所谓“距离产生美”,因此,间距半波长为宜。

无心插柳的空海监视雷达

雷达的首要功能是测距,通过测量发射电波和接收回波之间的时间差,并将其除以2后再乘上电波传输速度(光速),就得到目标距雷达的距离。大部分雷达采用脉冲方式工作,也就是雷达发射一段时间的电磁波(通常为数毫秒以内),然后歇一会儿(通常为几百毫秒以内),然后再发射,如此往复。雷达停止发射的时间段内,就在接收回波。由于从发射机送出的功率极大(地面雷达的功率可达兆瓦以上),而进入接收机的雷达回波通常非常微弱(最多为发射机送出的功率的几百亿分之一),为接收到微弱的回波,接收机要求非常灵敏。在电子收发开关没有发明之前,为使发射机的能量不至于进入接收机并烧坏接收机,只能把收发天线以及相应收发通道分开。有了电子开关之后,在用一个天线既做发射又做接收的情况下,发射时用于保证巨大的雷达电波能量仅仅送入天线而不送往接收机;接收时则保证可以让微弱的雷达电波能量送入接收机而不是送往发射机,使接收到的能量不至于被发射机送出的能量所淹没。

1939年,二战爆发。英德之间的不列颠空战成为雷达大显身手的舞台。本土链雷达网多次探测到德军的空袭,并为己方拦截机提供引导信息。也许,德国人并没有真正理解本土链的威力,因此自始至终都没有对那一个个看来莫名其妙的高塔进行轰炸或干扰。

在相控阵技术中,波束指向的变化是由每一个天线单元的相位变化来实现的。相控阵雷达在每一个天线单元(如缝隙)后面,都会安装一个移相器,用来改变它的相位。而我们知道,从天线射出的波束是每一个天线单元辐射出的电磁波在功率和相位两个方面进行相加的结果。那么,每一个天线单元的功率如何决定呢?早期的相控阵雷达,有一个工作在很高的电压(高达上万伏)上的发射机,产生很大的功率,通过功率分配网络把功率分配到这些天线单元中,每一个天线单元自身辐射功率就是集中式发射机分配得到的,天线单元自身并不能自主地辐射功率,因此称为无源相控阵雷达。

平面阵列天线诞生于20世纪60年代,相比之前的锅形天线,又将天线增益提高了一到两个数量级,这有利于扩展机载雷达的探测距离。通过提高天线汇聚能量的能力来使雷达看得更远,而又不会明显增加雷达的体积和重量。

21世纪的机载雷达,将在不断完善自身的同时,逐渐与飞机上的其他航电系统融为一体。美国空军在上世纪80年代初提出了“数字航空电子综合系统”、“宝石柱”和“宝石台”计划,数航系统已在上世纪80年代设计的雷达型号上实现;2005年的F-22服役,则标志着“宝石柱”计划已在新世纪得以推行。在第一阶段,雷达失去了自己的显示器,与飞机上的其他仪表系统集成在一起;在第二阶段,随着计算机技术的发展,雷达又失去了信号处理和数据处理分系统,只剩下发射、接收和天线三个分系统。通用信号处理器(CIP)将雷达同F-22飞机上的光电、红外、无源和电子战系统的信息一起处理。同时,飞机航电系统的数据开始在光纤传输上传输,传输速率可达10吉比特/秒以上,而传统的1553总线传输速率只有1兆比特/秒。各种航电系统挂在基于光纤传输的总线上集成起来,并且多达60余种本应由硬件实现的功能都已经由软件实现。

雷达对角度的测量,则要复杂一些。由于雷达的波束有一定宽度,为了覆盖全方位,雷达波束就需要旋转起来,正像人的眼睛有一定的视角范围,为了看清身体两侧和身后的物体,就必须转身一样。

平面阵列天线从外观上看,象是一块平板,而不象抛物面那样是一个曲面。波导缝隙(又称“裂缝”)阵列天线就是用得最多的平面阵列天线。顾名思义,“波导缝隙阵列”就是把波导——根根排列起来组成阵列,并且在阵列上开出缝隙。波导是电磁波从发射机输送到天线以及从天线输送到接收机的通道。波导中以电流或电磁场形式传输的电磁波,在“缝隙”处辐射出去并在空间进行合成,以在某个方向上形成窄波束;而在接收时,则在雷达发射电波的方向上收集返回的大部分雷达能量,当然,每个缝隙所接收到的电磁波也要合成,以便形成接收波束。

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脉冲压缩技术就是在发射脉冲时,脉冲宽度很宽,在接收时,则把它压窄。脉冲压窄意味着频率变高,而频率越高,通过接收机的速度就越快。脉冲的接收过程相当于把宽脉冲分成很多段,如果不作脉冲压缩,那么这些段是先后依次通过接收机。如果作脉冲压缩,就是在第一段通过的同时,让第二段赶上第一段,第二段和第一段就同时通过了。然后让第三段赶上第二段,第四段赶上第三段……,所有的回波段就全赶在同一个时间段通过接收机了。因为要让后面的段赶上前面的段,所以,后面段的信号频率就要依次增高,越靠后面的段频率越快。

那么,如何使得机载雷达具有明察秋毫的下视能力,使得它能够把弱小的目标回波从强大的地面反射回波中区分提取出来呢?在没解决杂波剔除问题之前,机载雷达基本上只能在海面上空工作,经过自上世纪30年代后期至60年代的发展,机载雷达无论是发现海面上的舰船,还是看海面上空的飞机,都已经具备了差强人意的能力。但直到70年代初脉冲多普勒(PD)技术的成熟,才使得机载雷达真正具备全空域工作的能力,能够在陆地上空较好地发挥作用。

1935年初,瓦特开发出一部能够接收电磁波的设备。当年6月,瓦特领导的团队赶制出了世界上的第一部雷达。多座高塔是这部雷达的最显著特征,高塔之间挂列着平行放置的发射天线,而接收天线则放置在另外的高塔上。7月,这部雷达探测到海上的飞机。1936年5月,英国空军决定在本土大规模部署这种雷达,称为“本土链”(Chain Home),到1937年4月,本土链雷达工作状态趋于稳定,能够探测到160千米以外的飞机;到了8月,已经有3个本土链雷达站部署完毕。而到了1939年初,投入使用的雷达站增加到20个,形成贯通英国南北的无线电波防线。

普通的平板天线中的每一个缝隙,其辐射出的电磁波相位在出厂时就是固定好、不能调整的,此时,从天线平面中心辐射出的具有一定形状的波束一定始终垂直于平板的方向。所以,如果要想使天线波束能够覆盖全方位空域,就只能让平板天线旋转起来。

因为电磁波的传播速度是一定的(光速),测距就是测时间,或者说,时间就是距离。雷达所能测量的时间越短,则雷达距离的测量也就越准。在雷达里,能够测量的最短时间就是每次发射电波的持续时间,即脉冲宽度。因此,减少雷达发射能量的持续时间,对提高距离测量的精度有好处。

而有源相控阵较无源相控阵又有很多优势。首先,有源相控阵易于产生更大的功率,因为天线辐射出去的总功率是每一个收发单元的合成,所以,要增加总的辐射功率,在每个收发单元的功率一定的情况下,增加收发单元的数量即可。而无源相控阵或者是机械扫描的雷达,由于只有1个发射机,在它的功率已经很高的情况下,再提高就非常困难;其次,有源相控阵的可靠性更高,一是因为在有源相控阵的收发组件中采用半导体放大器件(即“固态”器件)对功率进行放大,工作电压低,功率较小,每个收发组件的功率一般为数十瓦至数百瓦,且有很高的集成度,总功率是若干个收发组件功率的合成,不需要象无源相控阵那样有一个集中产生大功率能量的发射机,从而避免了集中式雷达发射机必须使用高压所带来的打火故障。二是由于有源相控阵雷达收发组件数量较多,如果出现一小撮“非战斗减员”,对雷达正常工作也无大碍。有源相控阵出现以后,将传统机载雷达最多200小时的MTBF提高到2 000小时。

从蝙蝠的生存技能来理解雷达,无疑是一个很有意思的捷径。不过把雷达的发明说成是仿生学的结果,却是一种牵强附会。如果时间倒退到七十多年前,英国的雷达先驱者们听到这种说法,也一定会笑着解释说,“不,不,是轰炸机让我们发明了雷达,而不是蝙蝠。”

人们常常把有源相控阵比作昆虫的眼睛,这有一定道理。昆虫的每只眼睛内部几乎都是由成千上万只六边形的小眼睛紧密排列组合而成,每只小眼睛又都自成体系。这种奇特的小眼睛,动物学上叫做“复眼”。而有源相控阵拥有成千上万个收发组件,每一个收发组件都是一个小的雷达。昆虫有的复眼可以朝某个方向看,而另外的复眼则可以朝向另外的方向。与此类似,有源相控阵容易实现雷达的多功能,众多收发组件和天线单元,可以分组使用,各忙各的,有的看这个方向,有的看那个方向,有的用来看空中目标,有的用来对地成像。因此,昆虫之眼的比喻,很好地说明了有源相控阵最重要的特征和优点。不过,至于有源相控阵的发明,是不是受到了昆虫的启发?有源相控阵雷达,是不是仿生学的杰作?这都无从考证了。也许,这只是又一个颇具吸引力的附会而已。

缝隙除了开在波导上以外,也可以开在微带传输线上。微带传输线和波导一样,都是传送电流或电磁场的通道,一根根的微带传输线也可以象波导一样排成阵列。所以,很多时候,人们将波导缝隙或微带缝隙天线统称平面缝隙阵列天线。

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相位在雷达中的作用,有如此理。以平板缝隙天线为例,每一个缝隙就是一个小的天线单元。从平板天线发射出来的有一定宽度的波束,实际上是每个缝隙所辐射出来的具有一定幅度(功率或能量,相当于每个桨手的力量)和一定相位(相当于桨手划桨的方向和时机)的电波的叠加,而不仅仅是幅度的叠加。在主瓣方向上,所有的天线单元辐射出的能量相加能够达到最大,而在其他方向上,所有天线单元辐射出的能量则远远小于最大值,这就是因为在其他方向相加时,各个天线单元辐射出的能量不是同相位相加的。因此,在雷达天线里,相位是用来衡量各个天线单元相互配合程度的。

在电子技术中,特别是雷达技术中,“相位”是一个极其重要的概念。为了理解相位,我们可以用多人多桨的划艇比赛做例子。要想艇划得快,所有划艇的人必须高度配合,一是说,所有的人都必须使出最大的力量;二是说,所有的人使出最大力量的时机,或者说桨每次入水的方向和相对于船体的位置,都必须一致。如果不一致,就得不到最大的前进速度。也就是说,驱动艇前进的总力量,就是各个桨手的力量的合成,但并不是各个桨手的力量简单地相加,在相加时还要考虑到桨手用力的方向,以及使出最大力量的时机。

平板缝隙天线,团结与距离

雷达通过发射机产生一定振荡频率的电流,送至天线后通过电磁感应现象把电能变成电磁波辐射到空间;电磁波碰到物体后会向各个方向反射,其中一部分会返回雷达(称为后向散射),被天线接收并送至雷达接收机,在显示器上显示。如果我们能够提高发射机产生的功率,并且使得从天线辐射出去的电波能量在空间尽量集中,就能使得电波能够在更远的距离上触及目标。这正像我们在说话时,如果需要离自己很远的人也能听见,可以做两件事,要么扯起嗓子喊,要么拿一个喇叭。雷达提高探测距离的这两个基本办法,在专业上称为提高“功率孔径积”。

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由于相位在雷达能量合成的过程中有些类似于矢量相加过程中的矢量方向角的作用(矢量相加遵循平行四边形法则),所以,相位一般用角度来表示。反过来说,为了形成具有一定宽度的波束,在设计天线时,必须使得组成天线的各个辐射单元所辐射出的电磁波在空间的某些方向上同相位或接近同相位相加,这样就能获得较大值,这些方向上分布的能量就会较多,这些方向就是主瓣区域;而在空间的某些方向上反相位或者接近反相位相加,这样就能在其它方向上获得较小值,这些方向上的能量分布较少,就是副瓣区域。

此时人们想到,能否把整个发射机分散到各个天线单元后面去,变成若干多个小的发射机,每一个小的发射机只需要工作在很低的电压上,而从天线射出的波束,是每一个小发射机输出功率之和。这样,即使一个小发射机坏了,也不会影响别的发射机,对整个射出的功率也不会产生多大影响。由于原来各个天线单元后面还要有移相器,那就要把移相器和发射机集成到一起。而又由于在集中式发射机情况下,收发通道是共用的,现在发射机被分散到天线单元后面去了,接收通道也可以一起挪过去,这样,发射机、移相器和接收机全部做到一起,这就是收发组件,实际上相当于一个个小的雷达。有多少个天线单元,就得有多少个收发组件。由于这样的相控阵雷达其天线单元具备独立发射功率的能力,也就是天线单元是有源的,因此称为有源相控阵。

雷达在战争中展露头角,使得英国人也想把雷达装上飞机。在空战中,如果在晴朗的白天,飞行员一般都能比较顺利地发现敌机,但如果天气不好或者是在夜晚,发现目标就会变得困难。把雷达装上飞机就能帮助飞行员穿透迷雾和黑夜进行空中拦截作战——空中截击雷达(AI雷达)的概念就出现了。然而,以当时的技术水平,哪个工程师要是被军方派去开发AI雷达,绝对是一种不幸。先不说本土链雷达的巨大天线,仅仅是巨大的耗电量就是个难以解决的事儿了。那么,怎么样才能把雷达做得足够“迷你”够“环保”却又看得足够远呢?

如果要增大天线,飞机上的空间不允许;如果要提高电波频率和发射功率,器件水平又不允许,而且,早期的电子技术,无法直接在一个较高的频率上产生电流振荡,如果要让雷达工作频率提高,就只能采用一级一级的电路逐级提高工作频率,这无疑又会增加设备的数量、重量和体积。因此,早期的机载雷达发展面临严重的困难。

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