艦載三坐標雷達發展趨勢分析

賈衛東，石春燕

(1.海軍駐北京地區電子設備軍事代表室，北京 100000;2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

現代艦艇受到的威脅主要來自空中和水下，其中反艦導彈更是艦艇的主要威脅。三坐標雷達因其能測量目標的三維位置參數(仰角/高度、方位、距離），對空中目標的探測有著明顯的優勢，且便于與武器系統配合對空中目標進行打擊，已成為艦載雷達的主流。三坐標雷達替代兩坐標雷達也成為艦載雷達發展的趨勢。目前，各海上強國都很重視艦載三坐標雷達的發展，艦載三坐標雷達技術已呈現出多功能、新體制、新技術、系列化的發展。

1 艦載三坐標雷達的主要技術特點

三坐標雷達在其發展過程中出現了堆積波束、頻掃、相掃、頻相掃結合、相控陣等多種體制。各種體制雷達的技術特點分析如下:

(1）堆積多波束 這是較早的一種三坐標體制，采用垂直方向上多個波束堆積以獲得目標的仰角或高度參數，方位采用機械掃描。該體制雷達技術較簡單，便于實現，但仰角測量精度難以提高，且設備量較大;

(2）頻掃 一般垂直方向上采用頻率控制波束掃描，方位機械掃描，可通過多頻點實現同時多波束，空域覆蓋較廣，可實現較高的數據率。該體制可實現較高的功率孔徑積，適用于中遠程的對空探測，但由于體制的限制，抗干擾手段和能力有限;

(3）相掃 一般垂直方向上采用相位掃描，方位機械掃描。隨著數字T/R技術的成熟，DBF技術的應用，現在一維相掃雷達可實現窄收，同時多波束，從而提高了數據率。相掃三坐標雷達具有頻域和空間等抗干擾手段，抗干擾能力強。

(4）相頻掃 兼有頻掃數據率高和相掃波束控制靈活的優點，抗干擾能力強，缺點是天線設計復雜，結構笨重且成本高。

(5）相控陣雷達 具有靈活的資源調度功能，便于實現多功能，抗干擾能力強，是高性能的艦載三坐標雷達的重要發展方向。

2 國外典型艦載三坐標雷達

目前，世界范圍內有代表性的艦載三坐標雷達主要有AN/SPS-48 系列雷達、Fregart(弗列蓋特）系列雷達、SMART 系列雷達、Herakles(大力士）雷達、TRS-3D雷達、海上長頸鹿AMB雷達等。

2.1 AN/SPS-48雷達

AN/SPS-48雷達為頻掃三坐標雷達，工作頻段為2.9～3.1GHz，是美國海軍大型水面艦艇大量裝備的三坐標遠程對空搜索雷達，主要負責提供空中目標三維數據并為武器控制系統提供目標指示。該雷達方位上360°機械掃描，仰角上采用頻率掃描，可以同時發射9個1.5°的疊加筆形波束。通過自動改變發射頻率，使之與船體的擺動呈函數關系，以獲得船體運動的波束穩定性。

圖1 AN/SPS-48 遠程對空搜索雷達

隨著功能使命的升級和技術水平的提高，AN/SPS-48雷達的發展已經經歷了A/B/C/D/E/F 等多個系列。特別是AN/SPS-48E 采用固態器件，提高了系統的可用性;提高了雜波環境下探測巡航導彈等小目標的能力，實現對來襲小目標的自動跟蹤和預警。該雷達裝備了美國的多數作戰艦艇。

2.2 Fregart(弗列蓋特）系列雷達

Fregart(弗列蓋特）系列雷達是種艦載多功能、三坐標頻掃、360°全覆蓋、全天候監視雷達，采用E、H波段背靠背形式天線，采用了筆形波束和復合波形，設計用于對海上和機載目標進行監視和探測，并向武器系統提供目標數據。在密集干擾和對抗環境下，Fregat雷達也可以有效工作，而且還可以與敵我識別器組合提供敵我識別信息。該系列雷達采用LRU(現場可更換單元）制造，可以很容易地排除故障。該系列雷達包括Fregat-M2EM、Fregat-MAE、Fregat-MAE-l、Fregat -MAE-2、Fregat-MAE-3和Fregat-MAE-4k。這些不同變型的區別主要體現在作用距離、通道數、工作頻率和重量上，以滿足裝備不同排量的艦船的需要。該系列雷達裝備了俄羅斯的多數作戰艦艇。

圖2 Fregat雷達

2.3 SMART雷達

SMART 系列雷達為一維相掃體制雷達，主要有SMART-L和SMART-S雷達，搜索采用DBF 寬發窄收同時多波束。

SMART-L雷達工作在L波段，發射功率大，最大作用距離可達400km，可以提供目標三維坐標信息。能自動探測和跟蹤空海目標不小于1000個，其中對海搜索由L波段對海監視通道完成，能自動探測和跟蹤100個海面目標航跡，距離達60km。對低空可觀測目標的探測距離為55km。該雷達專門用于預警和跟蹤超小型飛機和導彈，滿足對小型隱身空中目標的中程探測、常規飛機的遠程探測、視距內海面目標探測的要求，具有高的抗干擾性能。

SMART-L 主要裝備了4 艘荷蘭“DeZeven Provincien”級驅逐艦和3 艘德國“Sachsen”護衛艦。

圖3 SMART-L 立體搜索雷達

SMART-S雷達工作在S 頻段，作用距離達250km，能對付掠海飛行或從70°或大于70°到達小型高速反艦導彈，并可同時跟蹤160個空中目標和40個海面目標。該雷達被用作數據處理和武器系統控制的主傳感器，在嚴重雜波和電子干擾環境中具有極好的性能。

該雷達主要裝備了智利Karel Doonnan和Jacob Van Heemskerk 級護衛艦，德國Brandenburg 級導彈護衛艦(4 艘），以及荷蘭Jacob Van Heemskerck (2 艘）和KarelDoorman(8 艘）級導彈護衛艦。

圖4 SMART-S雷達

2.4 Herakles(武仙座）雷達

泰勒斯公司的Herakles(武仙座）雷達，為單面兩維旋轉相控陣雷達，工作于S波段。其戰術覆蓋空域250km，能實現目標跟蹤和識別，能夠為MBDA 公司的主動雷達尋Aster(紫苑）系列艦對空導彈提供中段制導。該雷達主要用于要求自衛和中遠程監視的護衛艦。

Herakles雷達的無源相控陣天線單元的圓形陣面裝有1761個移相器組件，能以電控方式控制雷達波束，如圖4所示。利用相控陣靈活的波束調度優勢，Herakles雷達可以同時完成監視和目標跟蹤。監視模式下，雷達基本上按多波束雷達工作，而對于目標跟蹤模式，雷達以筆形波束模式工作。轉速60r/min，整個天線的重量約3000kg。

該雷達裝備了法國的“Aquitaine”級護衛艦、摩洛哥的FREMM 護衛艦、新加坡的輕巧靈活的“可畏”級護衛艦。

圖5 Herakles雷達天線示意圖

2.5 TRS-3D

TRS-3D/16ES雷達可描述為一部G波段(4～6 GHz）全相干多模式筆形波束雷達，采用輕型電子穩定三坐標平面相控陣天線。該雷達具有近程至遠程(大于200 km，仰角55°）對空對海目標探測和武器分配功能，可以說是一部擅長探測小型高速低飛反艦導彈、無人駕駛空中飛行器和俯沖直升機的優化雷達。它的典型探測距離(取決于選定的模式）對戰斗機和無人駕駛空中飛行器為100 km，對水面艦艇約為90 km，對直升機大于80 km，對掠海飛行導彈大于30 km，對高空俯沖導彈大于20 km。一旦已選定一種模式，該雷達就能實施全自動的探測、跟蹤、反干擾和機內故障測試等功能。

該雷達裝備了美國“自由”號瀕海戰斗艦和德國K130 級輕型護衛艦。

圖6 TRS-3D雷達

2.6 SeaGiraffe AMB雷達

SeaGiraffe AMB“海上長頸鹿”雷達屬于最新一代“長頸鹿”雷達系統，是一部采用相控陣天線的G波段(5.4～5.9 GHz）全相干多模式艦載三坐標監視雷達，適用于從巡邏艇到護衛艦的艦艇。它同時具有對空監視與跟蹤(包括對干擾跟蹤）、對海監視與跟蹤、對武器系統的目標指示和炮擊支援(包括高分辨力校射）等功能。對該雷達的總體設計要求是能迅速而高可靠地探測到在惡劣的瀕海雜波環境下在任何高度飛行的小型高速運動目標。雷達對飛行高度為10 km的小型空中目標的典型探測距離在防空模式下大于60 km，在正常搜索模式下為80 km。據稱，為了適應目前和未來的復雜電子戰環境，該雷達還可提供反噪聲干擾、反欺騙干擾和反箔條干擾等增強的電子反干擾能力。該雷達集“功能強、成本低、質量小、全封閉、全相參”等特點于一身，是“最新一代”的多功能雷達。

Sea Giraffe AMB 主要裝備了瑞典“維斯比”級隱形護衛艦和美國“獨立”號瀕海戰斗艦。

圖7 “海上長頸鹿”AMB雷達

3 艦載三坐標雷達的發展趨勢

3.1 艦載雷達發展的驅動力

艦載三坐標雷達面臨的威脅和承擔的作戰任務是艦載三坐標雷達發展的主要驅動力。

艦載三坐標雷達面臨的威脅有:日益復雜的干擾態勢和電磁環境，隱身目標和隱身技術造成的威脅，低空、超低空目標的威脅，反輻射導彈帶來的威脅，飽和攻擊的壓力等。

隨著海上艦船遂行任務的發展和防御各種新型反艦武器的需求，艦載三坐標雷達承擔的任務也逐漸多樣化，需要同時承擔任務包括:

(1）警戒探測功能，在復雜自然環境和電磁環境下有效發現并跟蹤目標;

(2）目標指示、引導;

(3）武器系統控制(制導、武器系統指示）;

(4）對高速高機動、低速高機動小目標進行探測;

(5）目標識別探測等功能。

另外，電子技術飛速發展是艦載三坐標雷達發展的另一個驅動力。

3.2 艦載雷達的發展趨勢

綜合分析艦載三坐標雷達面臨的威脅和承擔的任務，艦載三坐標雷達的發展主要呈現在技術體制層面、功能層面、系列化和網絡化層面等多層面的多元化發展趨勢。

(1）技術體制層面

艦載三坐標雷達體制經歷了相掃和頻掃、頻掃為主流、頻相結合、有源相掃、兩維相控的發展歷程。當前，以有源相掃和兩維相控為主流，但中遠程三坐標雷達中頻掃體制仍在生產和使用。

頻掃三坐標雷達因其便于實現同時多波束掃描，掃描效率高;其基本采用無源天線，重量輕，適裝性強;發射機可采用電真空管，便于實現大功率，適用于中遠程探測。頻掃三坐標雷達作為艦載三坐標雷達的主要體制，在目前世界艦載三坐標雷達裝備中占有率最大，如AN/SPS-48 系列雷達、Fregart(弗列蓋特）系列雷達等。但由于體制的制約，頻掃三坐標雷達不具有頻域抗干擾手段，抗復雜干擾的能力有限。

早期的相掃三坐標雷達采用無源天線，以移相器控制波束指向，結合另一維的機械運動實現三維掃描。這種方式因其掃描效率低，數據率、探測精度和空域覆蓋范圍相互制約，難以滿足給武器系統目標指示要求，所以實際型號和裝備量較少。但是，隨著T/R組件和DBF技術的發展，以有源天線、寬發窄收、DBF技術為特征的新型相掃三坐標雷達正快速發展。新型相掃三坐標雷達克服了掃描效率低的缺點，且相掃體制具有頻域、時域、空間域、信號域等多種抗干擾的技術手段，抗干擾能力強。新型相掃三坐標雷達的天線線源數可根據安裝平臺和任務系列化配置，還具有適裝性、經濟性好的優點。當前，新型相掃三坐標已成為新研艦載三坐標雷達的主流，已出現多個有代表性的型號，已成為歐洲新型護衛艦的首選。

多面固定相控陣技術已在艦載雷達中成熟應用，但因其設備量龐大、造價高而影響了其使用，主要裝備于驅逐艦等大型艦船上，裝備數量有限。近年來艦載旋轉相控陣雷達已成為相控陣雷達發展的重要方向，如前文提到的Herakles雷達等。旋轉相控陣雷達因其經濟性好、適裝性強而適應于護衛艦級中型艦船安裝，已成為相控陣雷達發展的一個重要方向。另外，采用透鏡等技術的經濟型相控陣雷達技術受到廣泛關注，成為發展的熱點。

艦載三坐標雷達技術體制現在已呈現出相控陣雷達(含固定和旋轉陣）和新型相掃三坐標雷達高端和低端并存的發展趨勢。

(2）功能層面

早期艦載三坐標雷達主要功能是對空警戒探測、區分空海目標及提供目標指示。隨著艦船在海上威脅的變化和武器系統的發展，現代艦載三坐標雷達已向空海警戒探測、目標指示、武器控制、目標識別探測、氣象海態等環境探測等多功能發展。艦載雷達配置也由以前的按任務和武器系統匹配需求的多部雷達配置向以多功能三坐標雷達為核心的少量雷達配置變化。由于相控陣技術的廣泛應用，艦載三坐標雷達也由通過切換操作分時實現多功能向通過雷達自適應資源調度實現同時多功能發展。

(3）系列化和網絡化層面

現代艦載三坐標雷達多呈現系列化的發展態勢，如前文提到的AN/SPS-48 系列、Fregart(弗列蓋特）系列、SMART 系列等等，有些雷達為軍貿出口在系列中還有出口型。系列化的發展一是隨技術的進步出現的替代性的系列化發展，二是為適應多型艦船的不同功能、指標、頻段、適裝性、接口和經濟型等的要求而呈現的同時并存的系列化狀態。

現代艦船雷達系統面臨復雜電磁環境和日益發展的干擾技術的威脅，雷達所探測的目標也在不斷復雜化，高速高機動目標、隱身目標等低可觀測小目標、超低空目標、高仰角大俯沖目標、慢速小目標等已逐漸成為艦載雷達探測的主要對象和難點，靠單一雷達在復雜環境下完成上述任務有時已力不從心。因此，構建以傳感器綜合調度和信息綜合利用為核心的雷達網絡化系統已是艦載雷達發展的必然趨勢。雷達網絡化系統的發展一是構建雷達網絡的同時，雷達采用網絡技術實現方便的網絡接入;二是發展綜合信息處理、綜合數據處理技術，實現雷達信息的綜合利用，提升信息獲取能力和信息處理質量;三是發展雷達實時綜合調度技術和協同探測技術，實現單平臺和多平臺雷達的協同探測，提升雷達系統抗干擾能力和探測能力，提升雷達多任務實現能力。

4 結束語

艦載三坐標雷達已成為艦載雷達的主流，雷達面臨的威脅和承擔的任務是艦載雷達發展的主要驅動力。現代艦載三坐標雷達呈現相控陣技術和新型相掃三坐標技術高端和低端并行發展的態勢;多功能是艦載三坐標雷達發展的重要方向，自適應同時多功能是發展的趨勢;系列化發展和網絡化發展也是現代艦載三坐標雷達重要的的發展趨勢。

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