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1.4 相控阵雷达技术的发展

相控阵雷达技术的发展与对雷达的需求和相关科学技术的发展密切相关。

由于上述相控阵天线的技术特点及其带来的相控阵雷达工作特点,使相控阵技术获得了持续的发展。

1.4.1 相控阵雷达的初期发展

20世纪60年代以来,相控阵雷达获得了很大发展,而在最初,它主要用于外空目标监视、观测卫星和洲际弹道导弹。

当时,要解决的紧迫问题是观测人造卫星及洲际导弹。与观察飞机的常规雷达相比,相控阵雷达作用距离要由数百千米提高到数千千米以上,要能够对多批高速运动的目标进行精密跟踪,为此要大大提高雷达的数据率,解决边搜索、边跟踪及合理使用雷达信号能量等的问题。这一需求导致了相控阵雷达初期的大发展。相控阵天线理论与实践的进展和数字计算机技术的进步,是当时相控阵雷达得以问世的主要技术基础。

为观测数千千米远的目标,要求雷达天线具有大的孔径尺寸,而增大雷达天线尺寸后,就会给天线的机械扫描带来极大的困难;即使能用足够的驱动功率让特大天线转动起来,天线转速也难以提升,难以满足观察外空目标要求的数据率;再退一步,即使数据率要求可以放宽,但在观察远距离目标时,还因从发射探测信号时刻至接收目标回波信号时刻之间存在时间差,在此时间差以内,接收天线波束的最大值指向已经不再指向目标回波,可能接收不到目标回波,这一情况如图1.10所示。

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图1.10 采用机械转动天线时远距离目标回波到达时间滞后示意图

令雷达为收/发共用天线,发射和接收波束具有相同指向,则当天线机械转动的角速度为 Ω ,目标最大作用距离为 R t ,从信号发射至目标回波到达接收天线这一时间间隔为Δ t t ,则在Δ t t 时间内,天线的转角Δ φ 可按下列公式求得,即

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(1.40)

式(1.40)中,Δ t t

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以表1.1中AN/FPS-85相控阵雷达的性能参数为例 [3] ,该雷达最大作用距离可达 R t =7500km,该雷达发射天线阵列尺寸为29.6m×29.6m,接收天线阵列宽度为60m,这种大孔径天线若是机械扫描(简称机扫)天线,哪怕要做到常规机扫雷达的天线的转速,如 Ω =6r/min,即 Ω =36°/s,也是极困难的,这时的数据率(只有0.1次/s)远不能满足观察外空目标的要求。按此计算,可得天线转角Δ φ =1.8°,而AN/FPS-85的发射与接收波束宽度从表1.1中可见,分别只有1.4°和0.8°,亦即Δ φ 大于天线半功率点宽度,即Δ φ ≥Δ ϕ 1/2 ,这表明,如果采用机扫天线,发射天线发射的信号经目标反射回来后,接收天线只能以其副瓣进行接收,故在观察外空目标时,不能采用机扫天线,而必须采用相控阵天线。

表1.1 空间监视与导弹预警相控阵雷达性能参数

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续表

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此外,在最初研制观察卫星与洲际弹道导弹的大型相控阵雷达时,面临的另一个问题是要求雷达具有抗核爆引起的冲击波能力。在这一要求促使下,远程相控阵雷达,无论美国或苏联,均将雷达天线设计成固定式的,天线阵面经过加固,使其具有抗冲击波的能力。

从上述所列的大型相控阵雷达的性能指标可以看出,这些雷达的特点是:作用距离远,具有对多批目标的边扫描、边跟踪能力,具有多功能和多种信号形式、高数据率、高分辨率与高测量精度等特点。发射机的总平均功率在数百千瓦以上,接近1MW,天线口径也较常规雷达大得多。

1.4.2 战术相控阵雷达的发展

20世纪70年代以来,采用一维相控阵扫描天线的各种战术相控阵雷达,由于简化了三坐标雷达的设计,提高了三坐标雷达的性能且相对地降低了雷达成本,因而逐渐在所有发达国家相继问世。后来,二维相位扫描的战术三坐标雷达逐渐增多。可以说相控阵雷达已成为两坐标与三坐标战术雷达发展的主流。其原因,除了军事需求的推动,数字集成电路、微波技术、信号处理技术方面的进步,是推动相控阵技术发展的重要因素。目前,功率微波器件、VHSIC、MMIC、光电子技术、新型电真空器件、超大规模专用集成电路(ASIC、FPGA)、专用数字信号处理芯片(DSP)及电子设计自动化(EDA)软件等的飞速进步,给相控阵雷达的发展注入了新的活力。相控阵天线技术已开始大范围地应用于通信、电子战(EW)与导航领域。这些基础技术的进步,使雷达研制人员获得了较过去大得多的机遇,在设计上更易于应对新一代雷达或先进相控阵雷达带来的挑战。

批量生产的战术相控阵雷达的品种很多,其中一些具有明显特点的相控阵雷达将在后面各章中作为例子加以介绍和分析。

近年来,人工智能(AI)技术有了很大进步,AI技术逐渐被引入相控阵雷达之中,这极大地改善与提高了相控阵雷达的检测、跟踪、信息提取、目标识别等性能。

1.4.3 主要相控阵雷达类型及其特点

相控阵雷达有许多类型,分别应用于不同实际系统。在表1.2中列出一些主要的相控阵雷达类型及它们的作用与特点。尽管该表中未列出民用为主的相控阵雷达与相控阵通信系统、电子战系统,但仍可从中看出相控阵雷达技术的广泛应用前景。

表1.2 主要相控阵雷达的类型、作用与特点

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续表

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虽然表1.2中只列入了一部分相控阵雷达,但从中也可以看出,相控阵雷达的发展前景是非常广阔的,要解决的技术问题也很多,相控阵技术的发展大有潜力,有许多问题需要创新。 kEDjcZPbnVT1BPLYW+Plg3Qpsj+mbnzh9CbtHHbkXSfHYNxapY5Bc40RFST8VokA

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