有源相控陣與無(wú)源相控陣雷達

有源相控陣與無(wú)源相控陣雷達

歷史中有太多改變了人類(lèi)世界的發(fā)明創(chuàng )造，從人類(lèi)的第一項技術(shù)，火，到如今無(wú)數科學(xué)家正在全力攻克的可控核聚變。從古至今，無(wú)數的人們先撲后繼，努力按照人類(lèi)的意愿改變這顆藍色的星球，有太多的故事要講，有無(wú)數的技術(shù)值得我們銘記。而我們今天要談?wù)摰募夹g(shù)，它的萌芽始于1842年，一位來(lái)自?shī)W地利的物理學(xué)家——多普勒。他發(fā)現物體輻射的波長(cháng)因為波源和觀(guān)測者的相對運動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(cháng)變得較短，頻率變得較高（藍移blue shift）；在運動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì )產(chǎn)生相反的效應。這便是雷達測速的基礎原理——多普勒效應。隨后，一代代的科學(xué)家在這個(gè)地基的基礎之上，有意或是無(wú)意的添磚加瓦，1917年，羅伯特·沃特森·瓦特（Robert Watson-Watt）成功設計雷暴定位裝置,它宣告了雷達的誕生。最終，在1940年的不列顛空戰之中，雷達證明了自己在軍事上的價(jià)值，悄然改變了人類(lèi)歷史的軌跡。

多普勒效應

雷達的工作原理十分簡(jiǎn)單，與我們平時(shí)接觸最多的聲波反射原理相當接近。當我們朝空曠的山洞中大喊一聲，我就會(huì )聽(tīng)到回聲被反射回來(lái)，我們知道聲音在空氣中的大概速度，就可以通過(guò)接收到回聲的時(shí)間差算出山洞中的石壁距離我們有多遠。雷達的探測方式與上述原理大致一致，但是將探測的介質(zhì)由聲音換成了電磁波，雷達由發(fā)射機發(fā)射電磁波，當電磁波在空中接觸到一些物體后，有一小部分會(huì )被反射，被雷達的接收機捕獲，在加上上文所說(shuō)的多普勒效應，我們變相知道了物體相對于我們的速度，這便是雷達探測的基本原理。

雷達基礎原理圖

如今的雷達技術(shù)已經(jīng)相當成熟，雷達的種類(lèi)也已經(jīng)百花齊放。如果按照雷達信號形式分類(lèi)有：脈沖雷達、連續波雷達、脈部壓縮雷達和頻率捷變雷達等；按照雷達采用的技術(shù)和信號處理的方式有：相參積累和非相參積累、動(dòng)目標顯示、動(dòng)目標檢測、脈沖多普勒雷達、合成孔徑雷達、邊掃描邊跟蹤雷達等；按雷達頻段分，可分為超視距雷達、微波雷達、毫米波雷達以及激光雷達等。而今天筆者想和各位讀者聊一聊相控陣雷達。

所謂相控陣雷達就是“相位控制雷達”的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是用天線(xiàn)掃描方式不同來(lái)區別出的一類(lèi)雷達，與其相對應的是機械掃描雷達。顧名思義，相位控制就是通過(guò)控制電磁波的相位差，利用電磁波的干涉現象來(lái)控制電磁波的發(fā)射方向的一種技術(shù)，對比于傳統的機械掃描雷達，有著(zhù)革命性的優(yōu)勢。傳統的機械掃描雷達采用凹面鏡樣式的拋物面來(lái)收縮視角，因此想要提高雷達精度，就只能采用增大雷達天線(xiàn)面積的方法實(shí)現，而增大了雷達天線(xiàn)面積勢必導致雷達重量的增加，就會(huì )進(jìn)一步降低雷達電機的旋轉速度，掃描速度和掃描精度，在傳統機械掃描雷達上成了魚(yú)與熊掌的關(guān)系。而相控陣技術(shù)的出現，徹底解決了這個(gè)問(wèn)題。

傳統機械掃描雷達結構

已知最早的相控陣雷達出現于1937年，由納粹德國建造的“猛犸”雷達系統，而對于“猛犸”雷達的資料不多，甚至對于其采用的是有源相控陣還是無(wú)源相控陣技術(shù)還尚有爭議，筆者在這里先不做討論，這里就按照美國國家檔案和記錄管理局的結論，二戰德國設計制造的“猛犸”早期預警雷達是已知世界最早的相控陣雷達。

電磁波干涉

對于有源相控陣和無(wú)源相控陣雷達從外表上看并沒(méi)有太大的區別，都是有很多小單元組成，每一個(gè)小單元的天線(xiàn)都能發(fā)射和接收信號，也都能通過(guò)上文提到的電磁干涉來(lái)控制電磁波束的方向，高速掃描目標空域。而不同的是，無(wú)源相控陣上是由一個(gè)統一的放大器來(lái)調節每個(gè)小單元上的信號強度。其優(yōu)勢也顯而易見(jiàn)：在制造價(jià)格和制造難度都不高的前提下，

大幅提高了相對于機械雷達的掃描速度。而其劣勢也相對明顯，只有一個(gè)放大器裝置，相當于把雞蛋都放在了一個(gè)籃子里，只要雷達有一部分遭到損壞，就有很大概率會(huì )讓整個(gè)雷達停止工作，而且由于每個(gè)單元的信號強度都是統一分配的，其功能和信號的靈活程度，也受到了很大的影響。而有源相控陣則是像蜻蜓的復眼，由無(wú)數相互獨立的收發(fā)單元組成，每個(gè)小單元擁有獨立的放大器，這些一組組的雷達模塊被稱(chēng)為T/R模塊，每個(gè)T/R模塊接收到的電磁波信號都是弱信號，T/R模塊的天線(xiàn)根據自己的需要將電磁波信號放大到需要的程度。這樣每個(gè)T/R模塊都能獨立完成任務(wù)，一個(gè)雷達就可以同時(shí)實(shí)現多種功能，除了傳統的搜索跟蹤外，還可以進(jìn)行電子對抗干擾和遠程通訊等等。

相控陣雷達

所以，在技術(shù)層面上，有源相控陣要比無(wú)源相控陣更加先進(jìn)，無(wú)論是掃描精度，還是雷達的體積，無(wú)源相控陣都占不到優(yōu)勢。做一個(gè)不恰當的比喻，有源相控陣和無(wú)源相控陣就像是智能手機與功能手機的區別。但是，有源相控陣它的制造難度和成本高，后期維護費用更是遠高于無(wú)源相控陣，所以就連當今海軍實(shí)力最強的美國，也只在其最新服役的“宙斯盾”驅逐艦（阿利伯克級 block IIA）中，只有部分裝備有源相控陣雷達（AN/SPY-6(V)型 空中搜索雷達），其主要對空搜索雷達依然采用的是無(wú)源陣列；而我國海軍起步晚，后發(fā)優(yōu)勢明顯，

AN/SPY-6(V)型 空中搜索雷達

從2014年入列的首艘052D型驅逐艦昆明艦開(kāi)始就使用了由南京電子技術(shù)研究所（14所）所研發(fā)的346A型有源相控陣雷達，部分性能超過(guò)美軍的“宙斯盾”雷達系統。我國也成了世界上第一個(gè)在海軍主力海軍艦艇中全面使用有源相控陣技術(shù)的國家。

346A型 “海之星”有源相控陣雷達

２０２２年６月１７日，我國首艘國產(chǎn)采用直通甲板，電磁彈射型航空母艦福建艦正式下水，八萬(wàn)余噸的排水量，打破了保持了８２年的歐亞大陸最大噸位戰艦紀錄（原紀錄保持者為舊日本海軍于１９４０年下水，滿(mǎn)載滿(mǎn)水量７２８１０噸的大和級戰列艦）。在全民為其三條中壓直流電磁彈射器歡呼的同時(shí)，有一些眼尖的軍迷發(fā)現了一些更讓人欣喜的“小細節”，那就是其兩座H/PJ-11型11管30毫米艦炮（以下簡(jiǎn)稱(chēng)１１３０近防炮）全面換裝了新型相控陣雷達，成為了世界上第一種采用了相控陣雷達的近防炮系統，這無(wú)疑標志著(zhù)我國相控陣技術(shù)在小型化上走在了絕對的領(lǐng)先位置。

福建艦上換裝了新型相控陣雷達的１１３０近防炮

１１３０近防炮是由我國自主研制的、目前世界上射速最高的艦防攔截武器系統，其采用了１１管３０毫米加特林炮設計，全自動(dòng)控制，擁有兩個(gè)彈倉共１２８０發(fā)備彈，最高射速高達１１０００發(fā)／分，也就是說(shuō)，在最快射速下，每秒鐘將有１６６發(fā)鎢合金脫殼穿甲彈出膛，能迅速在艦船一側拉出一條鋼鐵之墻，能輕易撕碎兩公里內任何敵空中目標。

正在高速射擊的１１３０近防炮

但是，我國的１１３０近防系統系統之前一直采用傳統雷達、紅外、和光學(xué)傳感器追蹤目標，在應對以三馬赫（１０２０米／秒）以下的目標時(shí)有著(zhù)極高的攔截效率，但是隨著(zhù)各種高超聲速的出現，這套雷達系統就有些捉襟見(jiàn)肘了。因此順應武器的發(fā)展，福建艦上的近防系統也首次使用了相控陣雷達，上文提到過(guò)，相控陣雷達反應迅速，可以同時(shí)對多個(gè)空域展開(kāi)搜索，同時(shí)跟蹤更多的高速飛行單位，而且可靠性很高，就算是損失了１０％的T／Ｒ模塊對其影響依舊不大，甚至在３０％的T／Ｒ模塊都被擊毀的情況下，有源相控陣仍然可以工作，這對于軍艦最后的防御手段——近防炮，來(lái)說(shuō)可謂是至關(guān)重要，在未來(lái)的大海之上，

１１３０近防炮所發(fā)射的DEC１１５型３０ｍｍ鎢合金尾翼穩定脫殼穿甲彈

各種高超聲速武器的出現，戰局是真正的瞬息萬(wàn)變，以國產(chǎn)346A型 “海之星”有源相控陣雷達為例，其最大發(fā)現距離為４５０公里，如果以現在最先進(jìn)的高超聲速反艦導彈鷹擊２１型

下掛鷹擊２１高超聲速反艦導彈的轟－６K

（很尬尷，這方面最先進(jìn)的盾和矛都是我國生產(chǎn)并裝備的）對其發(fā)起攻擊，如果導彈以８馬赫（２７２０米／ｓ）的突防速度進(jìn)行攻擊，在４５０公里的距離上，留給軍艦的反應時(shí)間只有１６５秒左右，在如此緊急的時(shí)間內，近防系統要完成開(kāi)機，索敵，抵抗海面復雜的雜波，最終鎖定目標，在兩公里的距離上組織攻擊并將其擊毀這一系列操作，對于傳統近防雷達來(lái)說(shuō)，幾乎是不可能的任務(wù)。但是換裝了最新的有源相控陣雷達，攔截高超聲速武器變成了可能（雖然筆者認為成功概率也不會(huì )很高）。作為除了美國之外最強大的航空母艦福建艦，為其配備如此豪華的雷達系統是一定的。但是看我國以往的作風(fēng)，未來(lái)有源相控陣系統應該會(huì )在我軍中推廣開(kāi)來(lái)，助力解放軍成為一支現代化的世界一流軍隊。

雖然相控陣技術(shù)最先應用于軍事，但隨著(zhù)近期軍民融合的趨勢，在不遠的未來(lái)相控陣技術(shù)很有可能進(jìn)入汽車(chē)電子領(lǐng)域，為普通老百姓服務(wù)。

作為無(wú)人駕駛領(lǐng)域的先驅者之一，2012年末，谷歌開(kāi)始公開(kāi)測試其無(wú)人駕駛汽車(chē)，而谷歌所采用的無(wú)人駕駛技術(shù)，是依靠機械掃描激光雷達對于周邊環(huán)境進(jìn)行精確建模，同時(shí)輔以攝像頭、毫米波雷達和超聲波雷達等手段達到觀(guān)察環(huán)境的目的。這種方案的優(yōu)勢十分明顯：激光雷達的探測精度高，而且對于芯片的圖像處理能力要求不高，節省下的算力可以用于其他地方，對于在惡劣天氣下激光雷達可靠性降低的情況，其定向毫米波雷達可以作為補充，保障行車(chē)安全。但是這種方法的劣勢也很明顯：由于使用了多種傳感器、雷達輔助其可靠性必然降低，而且，在大霧、沙塵等能見(jiàn)度低的惡劣天氣中，雖然毫米波雷達可以正常工作，但是毫米波雷達只能判斷前方有沒(méi)有物體，不能精確識別物體的形狀，對于城市道路上復雜的路況和各種信號燈來(lái)說(shuō)，顯然是杯水車(chē)薪，加上其高昂的成本想在市場(chǎng)上全面鋪開(kāi)基本上是不可能的。

谷歌Waymo自動(dòng)駕駛

而這一領(lǐng)域另一個(gè)大廠(chǎng)，特斯拉則采用了另一種方案。特斯拉致力于降低智能駕駛的使用成本，以便在市場(chǎng)上全面鋪開(kāi)，所以其選擇的是市場(chǎng)中已經(jīng)成熟的攝像頭技術(shù)，輔以強大的AI算力來(lái)達到自動(dòng)駕駛目的，降低成本的目的確實(shí)已經(jīng)達到了，但是其自動(dòng)駕駛實(shí)際的效果嘛，只能說(shuō)未來(lái)可期。

而今年來(lái)在軍事上大放異彩的有源相控陣技術(shù)，在筆者看來(lái)，很可能是未來(lái)自動(dòng)駕駛的出路之一。使用激光相控陣雷達，由于沒(méi)有機械轉動(dòng)掃描結構，在體積和成本都大幅下降的前提下，可以做到幾乎實(shí)時(shí)的掃描效率，在如今瞬息萬(wàn)變的復雜路況下，減少了對于環(huán)境反應的延遲性問(wèn)題，大大提高了自動(dòng)駕駛的安全性；而且對比于傳統幾種傳感器，激光相控陣雷達在全天候都有不錯的可用性。但是，沒(méi)有十全十美的事物，相控陣雷達做不到360°的視野，甚至其最大也只能有90°的掃描視野，因此只能靠增加雷達數量的方式來(lái)防止死角的出現。

總的來(lái)說(shuō)雷達的原理十分簡(jiǎn)單，但要實(shí)現高性能的雷達還有許許多多的技術(shù)壁壘，所以在如今在成為少數國家的專(zhuān)利。慶幸的是我國擁有非常成熟的雷達技術(shù)，相信在不遠的未來(lái)相控陣雷達的技術(shù)將漸漸脫離軍事，來(lái)到萬(wàn)千尋常百姓的家中，為我們的生活增添更多的便利。

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