艦載雷達設計考慮因素分析

郝金玉，左艷軍

(1.海軍駐426廠軍代表室，遼寧 大連 116005;2.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

下一代防空和反導要求艦船具備遠程探測和跟蹤低雷達截面積(RCS)目標的能力。掠海飛行反艦巡航導彈以及其他空中威脅對雷達提出了更高的要求。為此，美國海軍正在籌劃發展比目前裝備在“宙斯盾”艦上的SPY-1雷達更為強大的艦載雷達系統。這種雷達系統將耗費更多可用的艦載資源，其巨大陣面將占據大部分甲板區域，電源和冷卻設備體積需要占據更多的艙室空間。雷達系統對艦船發電系統、配電系統以及冷卻系統的需求將大幅度增加。下面將討論艦載雷達設計中對艦船設計的影響因素，以及將這些影響因素減到最小的方法。

1 艦載雷達系統

天線是最容易被人看到的雷達部分，通常也是雷達最為復雜的部分，如圖1所示。支撐天線的各種外圍設備與天線本身一樣對艦船的影響也很大。雷達供電設備必須將艦船配電系統中的交流(AC)電轉換為高質量的300 V直流(DC)電，輸入到陣列中的DC/DC變換器。轉換過程中，首先利用變壓器降低艦船電壓，同時為減少諧波失真，要將三相電輸入變換為多相電，通常為12或18相。然后，AC/DC整流器將交流轉換為直流。利用大型濾波器去除可能出現的電壓波紋。在陣列中或陣列附近使用附加濾波器去除300 V直流線路上任何的附加噪聲或波紋。300 V直流線路主要為雷達系統供電，但信號處理器、散熱器、抽水泵、冷卻系統以及控制電路也會消耗掉40%的電力。

圖1 艦載雷達系統組成Fig.1 Shipboard radar system

通常，雷達系統總功耗中只有不到20%從天線陣面輻射出去。剩余熱量必須靠艦船冷卻系統移除。為促進散熱，雷達陣面通常會含有流通冷卻水的通道。由于雷達陣列處于極端的環境溫度中，冷卻液熔點必須足夠低，通常是乙二醇和水的混合物(EGW)或丙二醇和水的混合物(PGW)。熱交換器將熱量從雷達系統冷卻液輸送到艦船冷卻系統。交換器中的冷卻液可以是艦船淡水、海水、冷水或由溫度控制器控制的上述液體混合物。

2 雷達系統設計考慮因素

2.1 冷卻液溫度

雷達冷卻液溫度是雷達系統設計中對艦船影響的首要考慮因素，因為艦船設計中必須考慮到雷達系統熱交換器需要的條件。若雷達系統使用冷卻水吸熱，冷卻水按7℃供應時，則進入雷達的冷卻液可以低至10℃。然而，多數雷達設計人員傾向于20℃的冷卻液溫度，以避免有害的冷凝。另一方面，海水溫度可高達37℃，以至于冷卻液溫度可能達到40℃。進一步講，冷卻水溫度基本恒定，但海水溫度卻隨著季節和位置的變化而變化。

可靠性工程師傾向于讓電子設備運行在可以達到的最低溫度中，因而會選擇冷卻水為雷達散熱。同時，由于發送功率和發射/接收模塊中的大功率放大器的效率隨著溫度的升高而降低，高溫環境會降低雷達輸出功率。雷達系統的噪聲系數也會隨溫度的升高而升高，進一步降低雷達性能。雷達性能每個dB都是以為陣面增加額外的輻射器和發射/接收模塊，或增加每個發射/接收模塊的功率為代價的。

由于發射/接收模塊之間以及與其他組件之間存在生產差異，雷達系統的制造商需對所生產的每個陣面進行校準。每個發射/接收模塊必須包含調整相位和幅度的方法。然而，這些調整會因溫度變化而不穩定，因此只有在溫度變化范圍非常小時才有效。所以，使用海水吸熱時，需要在最高預期溫度對雷達進行校準，并且雷達冷卻系統會在海水溫度變化時依然維持該溫度。工廠可能會提供幾個不同溫度范圍的校準數據供客戶選擇。因此，系統軟件將包含調整陣列校準值，以供在海水溫度變化時進行選擇性使用。雷達使用冷卻水吸熱時，與陣列校準相關和軟件開發的額外成本與附加的機械、功耗和艦船尺寸的成本此消彼長。

2.2 陣面個數和形狀

雷達本身設計的考慮因素是天線陣面數量的確定。單陣面雷達系統可以滿足某些應用，如單目標導彈跟蹤，但當需要覆蓋360°范圍時就需要3～4個陣面。如“宙斯盾”作戰系統需要同時跟蹤很多快速移動的目標，這對于單陣面雷達來說就是一個挑戰。雷達設計人員需要根據由雷達功能確定陣面數量。用于防空和導彈防御的艦載雷達即使陣面數量有多有少，但都要求輻射單元總數保持不變。對于3陣面雷達系統，由于需要從舷側掃描60°范圍，掃描損耗比只需掃描45°范圍的4陣面雷達更大。為補償這種損耗，3陣面雷達的每個陣面含有更多輻射單元。也就是說，3陣面雷達的直徑要比4陣面雷達直徑約大15%。

類似地，雷達陣面面積直接影響到甲板室尺寸，因此當甲板室寬度受限時，可采用4陣面雷達系統，如圖2所示。多數艦船配置中，除雷達之外的其他天線也會安裝在甲板室或上層建筑表面，從而增加了對甲板室表面區域的空間需求。這些配置中的甲板室表面尺寸需要做相應增加，以容納其他天線。在本文的后續分析中，假設雷達采用4陣面配置。

陣列形狀是雷達設計人員的另一個關注點，因為它決定了電磁輻射波束形狀。有些設計人員喜歡采用圓形或八邊形陣面，以便實現對稱的波束截面。但艦船結構多數是直角形的，圓形陣列會浪費直角結構的各角區域。方形陣列在甲板室表面區域利用方面比圓形陣列利用效率更高。

圖2 陣面數目Fig.2 Number of array faces(Left:3-face;right:4-face)

2.3 發射/接收模塊功率和有源陣面積

［1］指出，雷達敏感度正比于發射/接收模塊功率和陣面輻射單元總數乘積的立方:

敏感度∝P0×N，其中，P0為發射/接收模塊的輸出功率;N為陣列中輻射單元總數。由于每個輻射單元都有對應的面積，因此，敏感度也正比于有源陣面積的立方，或正比于單元直徑6次方。

1)電源

近年來，雷達設計概念中采用300 V直流電源對天線陣供電，并采用DC/DC變流器變換之后為發射/接收模塊供電。系統發射脈沖時的功耗比接收脈沖時大得多。在執行彈道導彈防御任務時，雷達需要比某些傳統雷達系統用更長的時間發射脈沖，其發射功率會很高。但系統是連續耗電的，其總功率是發射/接收模塊功耗的時間平均。根據立方關系，小型陣列必須要有更高功率的發射/接收模塊才能達到所需靈敏度。隨著陣面積增加和發射/接收模塊功率降低，接收功耗在總功耗中變得更加重要，并且總功耗降到最低。

2)冷卻

只有大約20%的雷達系統功耗由天線發射出去，艦船的散熱設施必須將剩余熱能去除。由于散熱負載與陣列尺寸幾乎無關，它對艦船的影響與電力有相同的趨勢。圖3給出了冷卻設備對艦船的潛在影響。

3)覆蓋區

雷達外圍設備所需的甲板區域主要由電力和冷卻設備占據。因此，它對艦船的影響趨勢與電力的相同。圖4給出了改變有源陣面積時，為維持雷達性能不變而對甲板空間造成的影響。圖中假設艦船集成系統擁有足夠的電力，且艦船無需為雷達功耗安排額外機組容量。否則，甲板對雷達系統的可變覆蓋區則需要大幅增加，因為燃氣渦輪需要穿越幾個甲板的大型進氣和排氣管道系統。

4)陣列重量

敏感度陣列重量隨著面積增大而非線性增加。隨著輻射單元數量增加，每個陣元功率會按前述的立方關系降低。為描述有源陣面積改變對陣列重量的影響，可以將陣列組件歸為2類。

類型1:重量與陣面積成正比的組件;

類型2:特征隨進到陣列的總能量變化而變化的組件。

類型1組件包括輻射單元自身、發射/接收模塊及其相關電路、一部分最難替換單元(LRU)結構和基礎設施、數字波束形成系統、天線屏蔽器、支持電子設備的天線結構以及安裝輻射單元的結構。

類型2組件包括一些陣列中的組件，如DC/DC變流器，能量存儲組件、電力濾波器和電子結構及基礎設施等。

5)系統總重量

陣列的大部分外圍設備都是電源和冷卻設備組件，陣面積在轉折點以下時，會引起重量的增加。另外，還有些設備，如處理器，重量決定于雷達類型及其任務，并且幾乎不論陣面積的大小，重量都一樣。

6)燃料消耗

從圖5可知，維持雷達系統正常運行5天，需要與雷達本身重量相等的燃料(該分析假設每千瓦時需要消耗0.7磅燃料)。圖5給出了典型艦船在維持靈敏度不變時，陣面積和燃料消耗的關系。

2.4 電源系統體系結構和占空比

雷達實際發射時間所占的比例，是雷達功率需求的主要決定因素。多數情況下，彈道導彈防御比防空作戰需要更大的脈沖寬度，因此占空比更大。但彈道導彈防御每次使用一個雷達陣面，而防空作戰使用所有可用的陣面。因此，一個好的配電管理系統能夠按需配電，可以為單一雷達陣面分配所需電量，或同時為所有雷達陣面分配相對較小的等額電量。為實現這種功能，雷達設計人員需要確保，采用4陣面雷達的防空作戰任務使用占空比是采用單一陣面雷達導彈防御任務所需占空比的1/4或更小。理論分析表明，雷達無法時分復用一個陣面同時充分完成彈道導彈防御任務和防空作戰任務。因此，有必要同時保證防空作戰和導彈防御雷達陣面能夠有效發射，進而增加雷達所需的總發射功率，影響艦船總體設計。

2.5 受約束的艦船

下一代艦載雷達系統可以安裝在新艦船上，也可以安裝在現有海軍平臺上。當將新型先進雷達系統集成到現有的艦船上時，就需對雷達系統設計嚴格限制，包括發電能力、冷卻能力、陣列尺寸、艦船穩定性和總排水量限制，以及可用的甲板室和機械空間。

現有艦船將限制新型雷達的設計對雷達系統產生重要影響。在受限制的艦船上，為實現最佳性能，雷達系統可能不得不選擇非最優設計，如在陣列尺寸受限時，可能需要增加電源模塊來滿足雷達性能需求，從而對電源、制冷和重量造成負面影響。

在艦載雷達設計中，需要從各種決策角度考慮艦船限制。為了在受限制的艦船上實現最優的雷達性能，就需要在雷達和艦船設計人員之間進行設計迭代。需要進行平衡研究，以在各種限制下實現雷達性能最優。因此，艦船和雷達設計之間需要進行緊密協作。

3 結語

雷達設計人員能夠減少大型先進雷達系統對艦船的影響。對于艦船的影響，4陣面雷達系統可能比3陣面雷達有一定的優勢。雷達設計人員應該考慮與艦船冷卻系統獨立的系統。雷達電力體系結構應該兼顧彈道導彈防御任務和防空作戰任務。總之，減少這些對艦船影響的工作對艦船設計大有裨益。下一代雷達系統將對艦船設計的諸多方面產生影響。為實現性能和成本的最優化，必須綜合考慮雷達和艦船設計。二者分別獨立的設計將無法實現最優雷達/艦船設計。雖然雷達和艦船設計人員之間的協作有困難需要克服，但這對海軍獲得整體最優的系統來講卻是至關重要的。

參考文獻:

［1］FRANK J，et al.Impact of T/R module power level on the attributes of active phased array radars［A］.Proceedings of the 50th Tri-Service Radar Symposium，Monterey，CA，June 2004.

［2］TRUNK G V.Optimal number of phased array faces and signal processors for horizon and volume surveillancerevisited［A］.2003 Tri-Service Radar Symposium，Boulder，Colorado 23 －27 June，2003.