【原】调皮连续波 | 什么是相控阵雷达？

相控阵（Phased Array Radar,PAR），顾名思义，即相位被控制的阵列，记住：这里其实是被动语态，相位是被控制，应该写成“相位被控的阵列”，但是为了简化我们习惯于称其为相控阵，由相控阵组成的雷达被称为相控阵雷达。

相控阵雷达

上述图片均为二维相控阵雷达阵列，其实还有三维相控阵雷达，如下图所示：

美利坚海军的神盾：AN/SPY-1 3D相控阵雷达

大家都知道，相位被控制就会产生波束不同的指向，其原理是：

利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相器，通过控制各个天线单元发射信号的相位，就能合成不同相位波束，相控阵各天线单元发射的电磁波以干涉原理合成一个接近笔直的雷达主瓣，而旁瓣则是各个天线单元的不均匀性造成的。

为了能够彻底理解什么是相控阵，而不是只是在表面理解，我们继续往下讨论。

上面的论述使得我们大多数人都明白，通过控制各个天线单元的发射信号相位就能够获得不同方向的扫描波束，但是为什么我们改变相位就能够实现波束的不同指向呢？

其中道理何在？让我们一起分析分析。

首先我们需要了解一个物理概念叫做：电磁波干涉。

电磁波干涉是指两列或两列以上的电磁波在空间中重叠时发生叠加，从而形成新波形的现象。

我们暂且先学习什么是干涉？然后再统一带入到电磁波的理论模型中去。

在物理学中，干涉（interference）是两列或两列以上的波在空间中相遇时发生叠加或抵消从而形成新的波形的现象。

例如，采用分束器将一束单色光束分成两束后，再让它们在空间中的某个区域内重叠，将会发现在重叠区域内的光强并不是均匀分布的：其明暗程度随其在空间中位置的不同而变化，最亮的地方超过了原先两束光的光强之和，而最暗的地方光强有可能为零，这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。

在历史上，干涉现象及其相关实验是证明光的波动性的重要依据，但光的这种干涉性质直到十九世纪初才逐渐被人们发现，主要原因是相干光源的不易获得。

现在人们知道，两束电磁波的干涉是彼此振动的电场强度矢量叠加的结果，而由于光的波粒二象性，光的干涉也是光子自身的几率幅叠加的结果。

单色光波干涉模型

水波的干涉

一维相控阵干涉图

由上图可知，干涉在其物理模型中，最关键的就是叠加或抵消作用！因此我们需要明白，正是这种作用使得我们的干涉能够产生不同指向的可能，而这个可能就是调整发射信号的相位，让各个信号在产生叠加或者抵消作用的时候能够按照我们需要的指向进行扫描。

相控阵叠加与相消模型

理解这个，才是对相控阵真正的理解，感觉如果只是理解通过改变相位来控制指向的话不能够彻底明白，不知道我说清楚了没有。

相控阵扫描模型

相控阵被分为有源相阵和无源相控阵，具体的区别如下所示：

（1）结构上

有源相控阵雷达的天线采用的是一种称为T/R模组的接受与发射装置，每一块T/R模组都能产生电磁波而无源相控阵雷达则是使用统一的发射机和接受器，外加具有相位控制能力的相控阵天线组成，天线本身不能产生雷达波。

（2）性能上

有源相控阵雷达的收发装置只有T/R模组，所以重量较轻，故障率较低，即使几个T/R模组损坏了，也不会影响到整台机器的使用，而无源相控阵雷达就不具有这种优势。

（3）造价上

有源相控阵雷达的发射与接收组件在制造上有很多难点，因此有源相控阵雷达的造价昂贵。而无源相控阵雷达的技术难度要小得多，造假也相对便宜。

（4）应用上

当今国内外研制的舰载雷达、机载雷达、弹道导弹防御雷达以及星载雷达均采用有源相控阵雷达天线，无源相控阵雷达作为有源相控阵雷达普及以前的过渡产品。

末尾彩蛋！

干涉这个概念在以后的雷达中用的特别多，称为干涉雷达，比如采用干涉测量技术的合成孔径雷达（InSAR），也称为双天线SAR或相干SAR。

InSAR是新近发展起来的空间对地观测技术，是传统的SAR遥感技术与射电天文干涉技术相结合的产物。它利用雷达向目标区域发射微波，然后接收目标反射的回波，得到同一目标区域成像的SAR复图像对，若复图像对之间存在相干条件，SAR复图像对共轭相乘可以得到干涉图，根据干涉图的相位值，得出两次成像中微波的路程差，从而计算出目标地区的地形、地貌以及表面的微小变化，可用于数字高程模型建立、地壳形变探测等。

InSAR成像几何结构