相控阵雷达基础知识.docx

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1、相控阵雷达基础知识相控阵雷达即相位控制电子扫描阵列雷达，其快速而精确转换波束的能力使雷达能够在Imin内完成全空域的扫描。所谓相控阵雷达是由大量相同的辐射单元组成的雷达面阵，每个辐射单元在相位和幅度上独立受波控和移相器控制，能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向。雷达工作时发射机通过馈线网络将功率分配到每个天线单元，通过大量独立的天线单元将能量辐射出去并在空间进行功率合成，形成需要的波束指向。目录1 .概念12 .发展历史23 .种类24 .特点34 .1.同时针对多个目标35 .2.功能的多样性机动性强36 .3.对干扰的抵抗能力强37 .现实应用38 .原理49 .分类610 发展趋势71

2、1 优点812 .安全性910.1.电气安全性1010.2.结构安全性1010.3.人机安全性101概念相控阵雷达(PAR),就是指通过相位控制电子对阵列雷达进行扫描，利用大量的个别控制的小型的天线进行单元排列，最终形成天线阵面，并且每一个天线单元都由各自独立的开关进行控制，形成不同的相位波束。相控阵的发射是以一种干涉原理形成一个将近于直的雷达主瓣，许多旁瓣的产生是因为进行组合的天线单元是不均匀的。2 .发展历史相控阵技术，早在20世纪30年代后期就已经出现。1937年，美国首先开始这项研究工作。但一直到20世纪50年代中期才研制出2部实用型舰载相控阵雷达。20世纪60年代，美国和前苏联相继研

3、制和装备了多部相控阵雷达，多用于弹道导弹防御系统，如美国的AN/FPS-46、AN/FPS-85、MAR、MSR,前苏联的“鸡笼”和“狗窝”等。这些都属于固定式大型相控阵雷达，其共同点：采用固定式平面阵天线，天线体积大、辐射功率高、作用距离远。其中美国的AN/FPS-85和前苏联的“狗窝”最为典型。20世纪70年代，相控阵雷达得到了迅速发展，除美苏两国外，又有很多国家研制和装备了相控阵雷达，如英、法、口、意、德、瑞典等。其中最为典型的有：美国的AN/TPN25、ANTPQ37和GE-592、英国的AR3D、法国的ANTPN-25日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S德国

4、的KR-75等。这一时期的相控阵雷达具有机动性高、天线小型化、天线扫描体制多样化、应用范围广等特点。20世纪80年代，相控阵雷达由于具有很多独特的优点，得到了更进一步的应用。在已装备和正在研制的新一代中、远程防空导弹武器系统中多采用多功能相控阵雷达，它已成为第三代中、远程防空导弹武器系统的一个重要标志。从而，大大提高了防空导弹武器系统的作战性能。在21世纪，相控阵雷达随着科技的不断发展和现代战争兵器的特点，其制造和研究将会更上一层楼。3 .种类相控阵雷达可以分成两个种类。第一，被动无源式，简称PESA,它是一种技术性能比较低的雷达，在上世纪80年代已经发展成熟，并且应用于舰艇和中小型的飞机上面

5、。第二种，是比第一种性能更加优异，发展前景也足够好，并且技术性能也更加的高的雷达技术，这种技术是到了90年代末才得以应用，开始应用于战机和舰载系统的，这种技术就是“主动有源式（AESA）o4 .特点相控阵雷达相比其他的雷达是具有强大生命力和灵活性，是由于它远胜于一般的、应用机械进行扫描的雷达，它的特点主要有如下几个方面。4.1.同时针对多个目标相控阵雷达是使用电子扫描的，它的波束指向具有灵活性，使得扫描可以快速进行，也可以实现多个目标的同时跟踪，并与计算机相互配合能对多个不同方向、不同高度的目标进行有效的发现、勘探以及进行跟踪，与此同时能够引导多枚导弹对众多个空中的目标进行攻击。因此相控阵雷达

6、多使用于目标众多、方向不同并且有不同层次的空袭中。4.2.功能的多样性机动性强相控阵雷达是一部可以代替多部专用雷达工作的系统，它可以同时形成多个波束并且对其进行独立的控制。这些波束可以进行搜索、勘探、识别、跟踪、对目标进行照射以及对导弹进行制导等。正因为如此，它可以很大程度的对武器系统设备进行减少，从而提升了系统的机动能力。4.3.对干扰的抵抗能力强相控阵雷达具有非常高的功率并且能对能量进行合理地管理，并对主瓣增益进行控制根据方向的不同分配不同的能量并进行发射，这样做更有益于对自适应旁瓣的抑制。也有益于进行各种干扰自适应的抵抗，可以快速的发现远距离目标以及小型雷达反射面的目标，与此同时还可以对

7、反辐射导弹的抵抗能力。相控阵雷达的发射系统由数十至上百块功率放大模块组成，通过相控阵天线采用集中式发射，集中向天线面阵馈电并通过移相控制波束方向，发射馈线损耗较大，同时放大模块故障率较高。相控阵发射机长时间工作后，经常出现个别功率放大模块和线缆老化情况，虽然不会使雷达整体停止工作，但辐射方向图和波束指向均会发生偏移，进而对雷达精度和探测范围产生影响，亟需低成本的有效、可靠方法实现发射机全部功率放大模块的有效实时监控，从而降低相控阵雷达检修维护的难度。5.现实应用相控阵雷达在现代战争中广泛地应用着电子定位技术，并且对其进行了深入的探索，在军事中，海空中进行远程的精准打击是很大的需求，这就要求定位

8、技术的更深层次的应用。靶场测量：靶场是常见的对武器装备进行实验以及鉴定的场所，还可以对航天器进行实验、发射。靶场的测量是在试验的基础上，为应用服务的。1 导弹靶场。导弹靶场分为两个部分，即上靶场和下靶场，上靶场也被称为发射区或者首区，下靶场也叫做再入区或者是落区、着弹区。导弹的上靶场是对导弹进行发射的场所。它的主要任务就是监视导弹的飞行轨道是否是预设轨道，是确认靶场安全的依据，并且对新型的导弹在飞行过程中出现的各种物理现象提供数据。导弹的下靶场，主要是对导弹目标的特性以及反导武器的系统进行测量和鉴定的场所。2 .航天靶场。战略导弹是航天运载火箭的基础，所以，早期的导弹靶场想在依旧是中孤傲的航天

9、器发射点。3 .常规靶场。常规靶场可以分为常规兵器靶场以及电子靶场。其中常规兵器靶场一向是各个国家要进行大力发展的重点。它具有威力大，精度高，多种功能，效能好以及费用低廉的特点。6 .原理在生物学中蜻蜓的眼睛是复眼，每只眼睛均由许多个小眼组成，且每个小眼都能完整的成像，这样就使得蜻蜓所看到的范围要比人眼大得多。与此类同，相控阵天线的辐射单元少则有几百，多则数千，甚至上万。每个阵元（或一组阵元）后接一个可控移相器，利用控制这些移相器相移量的大小来改变各阵元间的相对馈电相位，从而改变天线阵面上电磁波的相位分布，使得波束在空间按一定规律扫描。一般的雷达波束扫描是靠雷达天线的转动实现的，被称为机械扫描

10、。而相控阵雷达是用电的方式控制雷达波束的指向变动来进行扫描发现目标的。这种方式被称为电扫描。相控阵雷达虽然不能像其他雷达那样靠旋转天线来使电磁瓣转动，一个相位一个相位地进行搜索。但它自有自己的“绝招”，那就是使用“移相器”来实现电磁瓣转动。在相控阵雷达直径为几十米的圆形天线阵上，排列着上万个能发射电磁波的辐射器，每个辐射器配有一个“移相器”，每个“移相器”都由电子计算机控制。当雷达工作时，电子计算机就通过控制这些“移相器”，来改变每个辐射器向空中发射电磁波的“相位”，从而使电磁瓣能像转动的天线一样，一个相位一个相位地偏转，从而完成对空搜索使命。例如，美国装备的“铺路爪”相控阵预警雷达在固定不动

11、的圆形天线阵上，排列着15360个能发射电磁波的辐射器和2000个不发射电磁波的辐射器。这15360个辐射器分成96组，与其他不发射电磁波的辐射器搭配起来。这样，每组由各自的发射机供给电能，也由各自的接收机来接收自己的回波。所以，它实际上是部雷达的组合体。如果我们把通常的雷达称作“个体户”，那么相控阵雷达就相当于一个“合作社”To相控阵雷达使用1个不动的天线阵面，就可以对120。扇面内的目标进行探测，使用3个天线阵面，就能实现360无间断的目标探测和跟踪。“铺路爪”就有3个固定不动的大型天线面阵，可以对360范围内的目标进行探测，探测距离达5000公里。当相控阵雷达警戒、搜索远距离目标时，虽然

12、看不到天线转动，但上万个辐射器通过电子计算机控制集中向一个方向发射、偏转，即使是上万公里外来袭的洲际导弹和几万公里远的卫星，也逃不过它的“眼睛”。如果是对付较近的目标，这些辐射器又可以分工负责，有的搜索、有的跟踪、有的引导，同时工作。每个“移相器”可根据自己担负的任务，使电磁瓣在不同的方向上偏转，相当于无数个天线在转动，其速度之快非一般天线所能相比。正是由于这种雷达天线摒弃了一般雷达天线的工作原理，利用“移相器”来实现电磁瓣的转动，人们给它起了个与众不同的名字一一相控阵雷达，代表着“相位可以控制的天线阵”的含义。相同频率，不同相位的信号叠加后的效果如图。移相器的作用是将信号的相位移动一个角度，

13、相位和频率保持稳定的对应关系是移相器的一个特性。有了信号叠加的原理和移相器，相控阵雷达原理很简单了，其基本思想：通过改变每个辐射元件发射信号的相位，以提供相长/相消干涉，以便在期望的方向上形成波束，从而控制波束指向不需要通过机械运动来实现了。实际上，无源和有源相控阵雷达(ACtiVePhaSedArrayRadar。APAR)的天线阵基本相同，二者的主要区别在于发射/接收元素的多少。无源相控阵雷达只有一个发射机，多个天线单元。每个天线辐射源的波前是球面的，但它们在天线的前面组合（叠加），从而产生沿特定方向行进的平面波。通过计算机控制改变相移，从而改变波束的指向角度O。无源相控阵采用集中功率发射

14、，利用无源网络（如波导）来分配发射功率或利用透镜系统通过自由空间将功率分发至相位可控的辐射单元（与机械扫描雷达的区别仅在于阵列的每一个辐射单元上接入一个移相器）。无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射器，目标反射信号经接收机统一放大（这一点与普通雷达区别不大）。有源相控阵雷达是相控阵雷达的一种。有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件，每一个组件都能自己产生、接收电磁波，因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如此，也使得有源相控阵雷达的造价昂贵，工程化难度加大。但有源相控阵雷达在功能上有

15、独特优点，有可能取代无源相控阵雷达。无源相控阵雷达的技难度要小得多，它在功率、效率、波束控制及可靠性等方面虽不如有源相控阵雷达，但在功能上却明显优于传统机械扫描雷达，且开发成本低，不失为一种较优的折中方案。因此，在满足性能指标要求的前提下可选择无源相控阵雷达作为有源相控阵雷达的过渡方案。7 .分类相控阵雷达分为有源和无源两类。其实，有源和无源相控阵雷达的天线阵基本相同，二者的主要区别在于发射/接收单元的多少。无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射单元，目标反射信号经接收机统一放大（这一点与普通雷达区别不大）。有源相控阵雷达的每个天线

16、单元都配装有一个发射/接收组件，每一个组件都能自己产生、接收电磁波，因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如此，也使得有源相控阵雷达的造价昂贵，工程化难度加大。但有源相控阵雷达在功能上有独特优点，大有取代无源相控阵雷达的趋势。有源相控阵雷达最大的难点在于发射/接收单元的制造上，相对来说，无源相控阵雷达的技术难度要小得多。无源相控阵雷达在功率、效率、波束控制及可靠性等方面不如有源相控阵雷达，但是在功能上却明显优于普通机械扫描雷达，不失为一种较好的折中方案。因此在研制出实用的有源相控阵雷达之前，完全可以采用无源相控阵雷达作为过渡产品。而且，即使有源相控阵雷达研制成功以后，无源相控阵雷达作为相控阵雷达家族的一种低端产品，仍具有很大的实用价值。8 .发展趋势多功