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雷达是防空反导系统的关键。 主要介绍约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）对美国防空反导雷达研发的贡献，APL在引领先进雷达系统的开发或改进方面有着悠久的历史：从最初宙斯盾系统的多功能相控阵雷达到固态相控阵雷达、弹道导弹防御雷达，以及美国海军最新的防空反导雷达(AMDR)。 约翰霍普金斯大学应用物理实验室（The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory），简称APL，是一个非营利性的研究和开发中心，同时也是世界一流研究型大学——约翰·霍普金斯大学的一个下属机构。APL的主要研发领域包括：空间监视与控制，导弹防御以及国土安全等，也包括提供更多支持空间作战部队的导航、通信、监视、侦察和定位技术产品等。 宙斯盾多功能相控阵雷达 20世纪50年代，随着空中威胁的不断发展，舰载武器系统必须具备能够在数微秒的时间内重新编排波束来跟踪越来越多的目标。APL最初试图通过一个名为Typhon的早期实验系统来解决这一需求。Typhon天线采用龙伯电磁透镜技术，其外观包括一个内含龙伯电磁透镜的圆柱状结构，以及一个位于顶部、由数千个天线单元组成的球型发射天线阵列。龙伯电磁透镜为球型，表面装有数千个喇叭状波导，每个波导透过一个传输线与电子开关（switch）连接到一个行波管放大器（TWT），再由行波管一对一地连接到上方球型天线阵列的单元。 APL研制的原理样机 Typhon天线采用的龙伯电磁透镜 1962年11月，美国海军在诺顿湾号上成功进行了多目标的搜索和跟踪测试。但是，该系统由于成本严重超支于1963年被终止。 在Typhon项目的后期，APL开始进行电子移相器技术的研发，该技术能够实现高增益相控阵天线，并且波束可以通过控制孔径辐射元件的相位实现波束指向的偏转。1965年美国海军确定了对具有联合监视、跟踪和导弹制导能力以及电子反对抗（ECCM）能力相控阵雷达的要求。 鉴于APL在相控阵技术和海军防空方面的背景，海军指示APL开始实施降低技术风险并展示必要的相控阵雷达性能的计划。该实验开发项目被命名为高级多功能阵列雷达（AMFAR）。 AMFAR到AN/SPY-1 AMFAR演示验证样机由APL于1964年至1969年进行构思、设计、研制和测试，这款雷达也就是后来大名鼎鼎的AN/SPY-1雷达的前身。 它将雷达系统的所有元件组合在一起，并通过计算机控制，验证了自动检测和跟踪的可行性，并具有抗环境杂波的能力。 AMFAR计划涉及的关键技术领域包括管式发射机设计、平面相控阵设计、电子反对抗研发以及自动检测。下图左上角是相控阵天线（包括了移相器、敏捷波束转向装置）。中间是交叉放大器（包括了相位移器和大功率发生器）。右边是高级信号处理器（包括了相位编码、脉冲压缩、自动检测-跟踪目标、频率分集）。 AMFAR计划涉及的关键技术领域包括管式发射机设计、平面相控阵设计、电子反对抗研发、自动检测和跟踪，以及计算机控制。主要的实验子系统包括高功率发射器、相控阵天线、信号处理器系统和计算机控制系统。 APL在铁氧体移相器开发方面取得了突破，开发了一种新的阵列波束形成器，为角度估计提供了独立的和差和单脉冲通道。成功开发了相控阵，阵列组件（下图）证明了在高功率下所需的可靠性和性能。 SPY-1工程研制与持续升级 AMFAR项目验证了用于战术雷达的关键子系统的技术成熟度，以及满足在电子对抗环境下监视、跟踪和导弹制导的能力要求。这些创新为1969年宙斯盾项目的竞标扫清道路。当RCA公司（现在的洛克希德马丁）赢得SPY-1A雷达系统的开发合同，APL的角色转变为海军计划管理的技术顾问。在这个角色中，APL提供了满足海军技术要求的工业设计，识别和评估风险，提出替代方法，并在适当的时候进行关键性实验，并将结果转化为工业。例如，APL提出了一种在保证性能的基础上，通过将高功率波导开关技术发展成允许单个发射器在两个阵列之间共享时间资源的方法来减少发射器的数量。另外，APL改进了信号处理和控制的设计，将两者合并到一个集中处理单元中。 作为宙斯盾的技术顾问，APL与海军、主承包商和其他工业代理商和政府团队成员共同努力，通过提高性能或降低成本和重量的系统升级来保持项目与技术进步同步。随着20世纪80年代SPY-1B雷达的出现，出现了一次重大的升级。SPY-1B利用固态电子技术来降低信号处理器的尺寸和成本，同时提高处理的效率和增加新的电子防护能力。同样，阵列结构的变化和制造容差和阵列校准技术的进步使得SPY-1B相控阵能够实现低旁瓣性能和改进的电子防护。 从APL最初的概念原型和AMFAR的实验验证中出现的SPY-1雷达经过多次改进和升级，已发展成为近40年来海军宙斯盾作战系统的核心。 超过90艘舰船装备了SPY-1雷达。 效能评估与环境特征 SPY-1发展的推动因素之一是解决低空反舰巡航导弹的威胁，该威胁强调战斗系统的参与时间基线，因为威胁来自地平线以下，距船只相对距离近。为了表征新雷达系统的性能，需要做两件事：（i）雷达的高保真模拟，包括快速确认驻留时间安排和进行蒙特卡罗统计分析的能力，（ii）预测低空传播和杂波对系统性能的影响能力。20世纪70年代后期，APL开发了固定轨道仿真的第一个版本，它提供了分析电扫相控阵雷达特有的行为能力。 固定轨道仿真与SPY-1雷达系统及其扩展任务（开放式海洋防空、弹道导弹防御以及综合空中和导弹防御）。 随着第一代SPY-1雷达的舰载测试的开始，固定轨道仿真用于比较雷达性能预测与测试中观察到的实际性能。尽管仿真模型考虑了低空多径和球形地球的地平线大气折射，固定轨道仿真性能达到与低纬度目标的模拟预测一致，但与实际测试性能相差较大。 显然，性能预测必须包括大气折射对低海拔射频传播的影响，以便能够分析雷达在该状态下的性能。 环境对雷达性能影响的建模 20世纪80年代初，APL开发了电磁抛物方程（EMPE）模型来描述低层大气中的电磁传播，宙斯盾项目于1982年开始支持这项工作，到1985年，EMPE与 固定轨道仿真一起使用，以预测低海拔传播效应下SPY-1的性能。 经过实验验证和多次保真改进后，该模型被重新命名为对流层抛物方程程序( TEMPER)。今天，TEMPER能够预测陆地和海洋上的电磁传播，并准确地表示雷达和通信系统的模式。 TEMPER已多次获得认证，支持许多海军和导弹防御机构（MDA）计划，并被海军实验室和行业合作伙伴广泛使用。TEMPER计算证实雷达性能对大气折射条件非常敏感，而大气折射条件又依赖于低层大气中的温度和湿度（水蒸气）。这些影响在一定程度上大大延伸了低空目标的探测范围。 大气折射条件的表征 鉴于像TEMPER这样的模型，以及使用TEMPER的杂波模型，下一个挑战是如何准确描述大气折射率，为TEMPER提供准确的输入。 作为用测量数据验证TEMPER的努力的一部分，开发了几种有效的方法来收集所需数据，包括在船只、飞机，小型火箭和气球上使用气象传感器。自动环境评估系统是一个便携式METOC（气象）站，用于海军舰艇和测试平台，用于收集近地表数据。在过去30年的许多海军测试和传播实验中，这些系统已被广泛使用并取得了巨大成功。 从20世纪80年代后期开始，使用固定轨道仿真、TEMPER和上述METOC数据采集系统成为标准实践，用于用于海军测试的性能评估。为了成功地解释观测到的雷达性能，APL需要付出巨大的努力，将METOC传感器，TEMPER和固定轨道仿真的自动化版本评估为集成式战术决策支持助，称为SEAWASP（船上环境评估和武器系统性能）。尽管SEAWASP最终因资金原因未能安装在宙斯盾舰船上，但这项工作影响了其他战术决策支持项目，包括宙斯盾SPY-1 Sliderule。 固态雷达 1987年，美军斯塔克号驱逐舰遭“飞鱼”导弹重创表明，低空飞行的反舰巡航导弹的不断发展和扩散对舰船的安全构成严重威胁 ，在这种需求的牵引下，急需发展防御来自巡航导弹袭击的舰船防御装置。这需要改进目前的传感器，便于在机动目标进入雷达威力区域时探测快速的机动目标。随着威胁对象能力越来越强、异常传播条件以及越来越常见的沿海地区的雷达杂波的增强，目标检测变得更加困难。APL工程师参与了多项研究，以开发针对这些挑战的传感器和作战系统解决方案。 特别是，APL领导了北约防空作战系统（NAAWS）的研究，该研究于1991年完成。从雷达的角度来看，这些研究将固态雷达技术确定为提供增强灵敏度、快速更新速率以及在海上或陆地杂波中探测低空飞行反舰巡航导弹所需系统的手段。 AESA技术开发 在20世纪70年代和80年代开发的雷达系统通常是无源阵列，其RF功率通常集中在基于管式发射器上，通过波导传送到阵列，并使用发射波束形成器在阵列中分开。 每个元件都使用高功率移相器来控制波束。发射器和辐射单元之间的功率损耗通常非常高，导致发射功率降低和系统效率低。在接收时，相移器和接收波束形成器用于将接收信号在相位上组合用于导向波束方向，形成单脉冲和和差信道，并将这些信号提供给集中接收器。对于海军雷达应用所需的高功率发射和低旁瓣接收阵列，无源阵列的组合发射和接收损耗通常非常大，并且限制了整个系统的灵敏度。宙斯盾相控阵雷达是无源阵列的一个例子。宙斯盾设计的一个进步是在发射波束形成器中使用了一个子阵列，允许组合数十个中等功率的管式发射器，以提高可靠性并防止在任何一个位置出现非常高的功率。 该演化过程的下一步是在阵列的每个元件上放置基于固态晶体管的功率放大器。这种阵列被称为有源电子扫描阵列（AESA），并且使用AESA的雷达通常被称为固态雷达。 AESA使用放置在阵列的每个元素处的T/R模块。雷达T/R模块提供发射时的RF功率放大、接收时的低噪声放大、接收保护的限制器、用于波束控制和校准的移相器以及用于接收的可变衰减器。与无源阵列相比，AESA架构最大限度地减少了传输和接收损耗，并大大提高了系统灵敏度。 AESA架构的优势还包括能够以更高的占空比工作、改善系统稳定性以便在杂波中进行目标检测、改善天线方向图的电子防护灵活性，支持更宽工作带宽的能力，以及提高系统可靠性。 AESAs通过开发单片微波集成电路（MMIC）技术得以实现，该技术允许以芯片级密度实现所需的微波电路，并且由于其制造中使用的批处理技术而具有经济的大规模生产。砷化镓MMIC技术在20世纪80年代后期出现，并在整个20世纪90年代通过大量国防部和商业投资的支持而持续成熟。APL率先通过CEC计划将AESA技术引入海军水面系统。 1989年，AESA和T/R模块技术的发展成为实现CEC机载终端开发所需的低重量和低功耗的必要条件，APL开始开发机载AESA概念和相关的T/R模块要求。在APL的技术指导下，ITT开发并制造了560个T/R模块，并具有最先进的功率附加效率性能。这些模块在1994年成功进行飞行测试。从这一成功来看，很明显将无源CEC舰载阵列升级为AESA技术将带来显着的成本、尺寸、重量和可靠性优势。随后，APL为雷神公司在20世纪90年代后期开发的船用CEC AESA的开发和现场化提供了技术指导。这些努力证明了AESA技术在船上使用的整体功效和可靠性，并为船舶雷达系统中技术的使用铺平了道路。随着MMIC技术的不断成熟和商品化，AESA架构成为21世纪头十年先进雷达发展的标准。 未完，待续 翻译：电波之矛 原文：Kenneth W. O’Haver, Christopher K. Barker, G. Daniel Dockery,and James D. Huffaker Radar Development for Air and Missile Defense 欢迎您的关注！转载请标明出处！ |
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