有源相控陣與無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)

有源相控陣與無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)

歷史中有太多改變了人類世界的發(fā)明創(chuàng)造，從人類的第一項(xiàng)技術(shù)，火，到如今無(wú)數(shù)科學(xué)家正在全力攻克的可控核聚變。從古至今，無(wú)數(shù)的人們先撲后繼，努力按照人類的意愿改變這顆藍(lán)色的星球，有太多的故事要講，有無(wú)數(shù)的技術(shù)值得我們銘記。而我們今天要談?wù)摰募夹g(shù)，它的萌芽始于1842年，一位來(lái)自?shī)W地利的物理學(xué)家——多普勒。他發(fā)現(xiàn)物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移blue shift）；在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。這便是雷達(dá)測(cè)速的基礎(chǔ)原理——多普勒效應(yīng)。隨后，一代代的科學(xué)家在這個(gè)地基的基礎(chǔ)之上，有意或是無(wú)意的添磚加瓦，1917年，羅伯特·沃特森·瓦特（Robert Watson-Watt）成功設(shè)計(jì)雷暴定位裝置,它宣告了雷達(dá)的誕生。最終，在1940年的不列顛空戰(zhàn)之中，雷達(dá)證明了自己在軍事上的價(jià)值，悄然改變了人類歷史的軌跡。

多普勒效應(yīng)

雷達(dá)的工作原理十分簡(jiǎn)單，與我們平時(shí)接觸最多的聲波反射原理相當(dāng)接近。當(dāng)我們朝空曠的山洞中大喊一聲，我就會(huì)聽(tīng)到回聲被反射回來(lái)，我們知道聲音在空氣中的大概速度，就可以通過(guò)接收到回聲的時(shí)間差算出山洞中的石壁距離我們有多遠(yuǎn)。雷達(dá)的探測(cè)方式與上述原理大致一致，但是將探測(cè)的介質(zhì)由聲音換成了電磁波，雷達(dá)由發(fā)射機(jī)發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波在空中接觸到一些物體后，有一小部分會(huì)被反射，被雷達(dá)的接收機(jī)捕獲，在加上上文所說(shuō)的多普勒效應(yīng)，我們變相知道了物體相對(duì)于我們的速度，這便是雷達(dá)探測(cè)的基本原理。

雷達(dá)基礎(chǔ)原理圖

如今的雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，雷達(dá)的種類也已經(jīng)百花齊放。如果按照雷達(dá)信號(hào)形式分類有：脈沖雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)、脈部壓縮雷達(dá)和頻率捷變雷達(dá)等；按照雷達(dá)采用的技術(shù)和信號(hào)處理的方式有：相參積累和非相參積累、動(dòng)目標(biāo)顯示、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、脈沖多普勒雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)、邊掃描邊跟蹤雷達(dá)等；按雷達(dá)頻段分，可分為超視距雷達(dá)、微波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)以及激光雷達(dá)等。而今天筆者想和各位讀者聊一聊相控陣?yán)走_(dá)。

所謂相控陣?yán)走_(dá)就是“相位控制雷達(dá)”的簡(jiǎn)稱，它是用天線掃描方式不同來(lái)區(qū)別出的一類雷達(dá)，與其相對(duì)應(yīng)的是機(jī)械掃描雷達(dá)。顧名思義，相位控制就是通過(guò)控制電磁波的相位差，利用電磁波的干涉現(xiàn)象來(lái)控制電磁波的發(fā)射方向的一種技術(shù)，對(duì)比于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)，有著革命性的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)采用凹面鏡樣式的拋物面來(lái)收縮視角，因此想要提高雷達(dá)精度，就只能采用增大雷達(dá)天線面積的方法實(shí)現(xiàn)，而增大了雷達(dá)天線面積勢(shì)必導(dǎo)致雷達(dá)重量的增加，就會(huì)進(jìn)一步降低雷達(dá)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，掃描速度和掃描精度，在傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)上成了魚(yú)與熊掌的關(guān)系。而相控陣技術(shù)的出現(xiàn)，徹底解決了這個(gè)問(wèn)題。

傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)結(jié)構(gòu)

已知最早的相控陣?yán)走_(dá)出現(xiàn)于1937年，由納粹德國(guó)建造的“猛犸”雷達(dá)系統(tǒng)，而對(duì)于“猛犸”雷達(dá)的資料不多，甚至對(duì)于其采用的是有源相控陣還是無(wú)源相控陣技術(shù)還尚有爭(zhēng)議，筆者在這里先不做討論，這里就按照美國(guó)國(guó)家檔案和記錄管理局的結(jié)論，二戰(zhàn)德國(guó)設(shè)計(jì)制造的“猛犸”早期預(yù)警雷達(dá)是已知世界最早的相控陣?yán)走_(dá)。

電磁波干涉

對(duì)于有源相控陣和無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)從外表上看并沒(méi)有太大的區(qū)別，都是有很多小單元組成，每一個(gè)小單元的天線都能發(fā)射和接收信號(hào)，也都能通過(guò)上文提到的電磁干涉來(lái)控制電磁波束的方向，高速掃描目標(biāo)空域。而不同的是，無(wú)源相控陣上是由一個(gè)統(tǒng)一的放大器來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)小單元上的信號(hào)強(qiáng)度。其優(yōu)勢(shì)也顯而易見(jiàn)：在制造價(jià)格和制造難度都不高的前提下，

大幅提高了相對(duì)于機(jī)械雷達(dá)的掃描速度。而其劣勢(shì)也相對(duì)明顯，只有一個(gè)放大器裝置，相當(dāng)于把雞蛋都放在了一個(gè)籃子里，只要雷達(dá)有一部分遭到損壞，就有很大概率會(huì)讓整個(gè)雷達(dá)停止工作，而且由于每個(gè)單元的信號(hào)強(qiáng)度都是統(tǒng)一分配的，其功能和信號(hào)的靈活程度，也受到了很大的影響。而有源相控陣則是像蜻蜓的復(fù)眼，由無(wú)數(shù)相互獨(dú)立的收發(fā)單元組成，每個(gè)小單元擁有獨(dú)立的放大器，這些一組組的雷達(dá)模塊被稱為T/R模塊，每個(gè)T/R模塊接收到的電磁波信號(hào)都是弱信號(hào)，T/R模塊的天線根據(jù)自己的需要將電磁波信號(hào)放大到需要的程度。這樣每個(gè)T/R模塊都能獨(dú)立完成任務(wù)，一個(gè)雷達(dá)就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能，除了傳統(tǒng)的搜索跟蹤外，還可以進(jìn)行電子對(duì)抗干擾和遠(yuǎn)程通訊等等。

相控陣?yán)走_(dá)

所以，在技術(shù)層面上，有源相控陣要比無(wú)源相控陣更加先進(jìn)，無(wú)論是掃描精度，還是雷達(dá)的體積，無(wú)源相控陣都占不到優(yōu)勢(shì)。做一個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔?，有源相控陣和無(wú)源相控陣就像是智能手機(jī)與功能手機(jī)的區(qū)別。但是，有源相控陣它的制造難度和成本高，后期維護(hù)費(fèi)用更是遠(yuǎn)高于無(wú)源相控陣，所以就連當(dāng)今海軍實(shí)力最強(qiáng)的美國(guó)，也只在其最新服役的“宙斯盾”驅(qū)逐艦（阿利伯克級(jí) block IIA）中，只有部分裝備有源相控陣?yán)走_(dá)（AN/SPY-6(V)型 空中搜索雷達(dá)），其主要對(duì)空搜索雷達(dá)依然采用的是無(wú)源陣列；而我國(guó)海軍起步晚，后發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯，

AN/SPY-6(V)型 空中搜索雷達(dá)

從2014年入列的首艘052D型驅(qū)逐艦昆明艦開(kāi)始就使用了由南京電子技術(shù)研究所（14所）所研發(fā)的346A型有源相控陣?yán)走_(dá)，部分性能超過(guò)美軍的“宙斯盾”雷達(dá)系統(tǒng)。我國(guó)也成了世界上第一個(gè)在海軍主力海軍艦艇中全面使用有源相控陣技術(shù)的國(guó)家。

346A型 “海之星”有源相控陣?yán)走_(dá)

２０２２年６月１７日，我國(guó)首艘國(guó)產(chǎn)采用直通甲板，電磁彈射型航空母艦福建艦正式下水，八萬(wàn)余噸的排水量，打破了保持了８２年的歐亞大陸最大噸位戰(zhàn)艦紀(jì)錄（原紀(jì)錄保持者為舊日本海軍于１９４０年下水，滿載滿水量７２８１０噸的大和級(jí)戰(zhàn)列艦）。在全民為其三條中壓直流電磁彈射器歡呼的同時(shí)，有一些眼尖的軍迷發(fā)現(xiàn)了一些更讓人欣喜的“小細(xì)節(jié)”，那就是其兩座H/PJ-11型11管30毫米艦炮（以下簡(jiǎn)稱１１３０近防炮）全面換裝了新型相控陣?yán)走_(dá)，成為了世界上第一種采用了相控陣?yán)走_(dá)的近防炮系統(tǒng)，這無(wú)疑標(biāo)志著我國(guó)相控陣技術(shù)在小型化上走在了絕對(duì)的領(lǐng)先位置。

福建艦上換裝了新型相控陣?yán)走_(dá)的１１３０近防炮

１１３０近防炮是由我國(guó)自主研制的、目前世界上射速最高的艦防攔截武器系統(tǒng)，其采用了１１管３０毫米加特林炮設(shè)計(jì)，全自動(dòng)控制，擁有兩個(gè)彈倉(cāng)共１２８０發(fā)備彈，最高射速高達(dá)１１０００發(fā)／分，也就是說(shuō)，在最快射速下，每秒鐘將有１６６發(fā)鎢合金脫殼穿甲彈出膛，能迅速在艦船一側(cè)拉出一條鋼鐵之墻，能輕易撕碎兩公里內(nèi)任何敵空中目標(biāo)。

正在高速射擊的１１３０近防炮

但是，我國(guó)的１１３０近防系統(tǒng)系統(tǒng)之前一直采用傳統(tǒng)雷達(dá)、紅外、和光學(xué)傳感器追蹤目標(biāo)，在應(yīng)對(duì)以三馬赫（１０２０米／秒）以下的目標(biāo)時(shí)有著極高的攔截效率，但是隨著各種高超聲速的出現(xiàn)，這套雷達(dá)系統(tǒng)就有些捉襟見(jiàn)肘了。因此順應(yīng)武器的發(fā)展，福建艦上的近防系統(tǒng)也首次使用了相控陣?yán)走_(dá)，上文提到過(guò)，相控陣?yán)走_(dá)反應(yīng)迅速，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)空域展開(kāi)搜索，同時(shí)跟蹤更多的高速飛行單位，而且可靠性很高，就算是損失了１０％的T／Ｒ模塊對(duì)其影響依舊不大，甚至在３０％的T／Ｒ模塊都被擊毀的情況下，有源相控陣仍然可以工作，這對(duì)于軍艦最后的防御手段——近防炮，來(lái)說(shuō)可謂是至關(guān)重要，在未來(lái)的大海之上，

１１３０近防炮所發(fā)射的DEC１１５型３０ｍｍ鎢合金尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈

各種高超聲速武器的出現(xiàn)，戰(zhàn)局是真正的瞬息萬(wàn)變，以國(guó)產(chǎn)346A型 “海之星”有源相控陣?yán)走_(dá)為例，其最大發(fā)現(xiàn)距離為４５０公里，如果以現(xiàn)在最先進(jìn)的高超聲速反艦導(dǎo)彈鷹擊２１型

下掛鷹擊２１高超聲速反艦導(dǎo)彈的轟－６K

（很尬尷，這方面最先進(jìn)的盾和矛都是我國(guó)生產(chǎn)并裝備的）對(duì)其發(fā)起攻擊，如果導(dǎo)彈以８馬赫（２７２０米／ｓ）的突防速度進(jìn)行攻擊，在４５０公里的距離上，留給軍艦的反應(yīng)時(shí)間只有１６５秒左右，在如此緊急的時(shí)間內(nèi)，近防系統(tǒng)要完成開(kāi)機(jī)，索敵，抵抗海面復(fù)雜的雜波，最終鎖定目標(biāo)，在兩公里的距離上組織攻擊并將其擊毀這一系列操作，對(duì)于傳統(tǒng)近防雷達(dá)來(lái)說(shuō)，幾乎是不可能的任務(wù)。但是換裝了最新的有源相控陣?yán)走_(dá)，攔截高超聲速武器變成了可能（雖然筆者認(rèn)為成功概率也不會(huì)很高）。作為除了美國(guó)之外最強(qiáng)大的航空母艦福建艦，為其配備如此豪華的雷達(dá)系統(tǒng)是一定的。但是看我國(guó)以往的作風(fēng)，未來(lái)有源相控陣系統(tǒng)應(yīng)該會(huì)在我軍中推廣開(kāi)來(lái)，助力解放軍成為一支現(xiàn)代化的世界一流軍隊(duì)。

雖然相控陣技術(shù)最先應(yīng)用于軍事，但隨著近期軍民融合的趨勢(shì)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)相控陣技術(shù)很有可能進(jìn)入汽車電子領(lǐng)域，為普通老百姓服務(wù)。

作為無(wú)人駕駛領(lǐng)域的先驅(qū)者之一，2012年末，谷歌開(kāi)始公開(kāi)測(cè)試其無(wú)人駕駛汽車，而谷歌所采用的無(wú)人駕駛技術(shù)，是依靠機(jī)械掃描激光雷達(dá)對(duì)于周邊環(huán)境進(jìn)行精確建模，同時(shí)輔以攝像頭、毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)等手段達(dá)到觀察環(huán)境的目的。這種方案的優(yōu)勢(shì)十分明顯：激光雷達(dá)的探測(cè)精度高，而且對(duì)于芯片的圖像處理能力要求不高，節(jié)省下的算力可以用于其他地方，對(duì)于在惡劣天氣下激光雷達(dá)可靠性降低的情況，其定向毫米波雷達(dá)可以作為補(bǔ)充，保障行車安全。但是這種方法的劣勢(shì)也很明顯：由于使用了多種傳感器、雷達(dá)輔助其可靠性必然降低，而且，在大霧、沙塵等能見(jiàn)度低的惡劣天氣中，雖然毫米波雷達(dá)可以正常工作，但是毫米波雷達(dá)只能判斷前方有沒(méi)有物體，不能精確識(shí)別物體的形狀，對(duì)于城市道路上復(fù)雜的路況和各種信號(hào)燈來(lái)說(shuō)，顯然是杯水車薪，加上其高昂的成本想在市場(chǎng)上全面鋪開(kāi)基本上是不可能的。

谷歌Waymo自動(dòng)駕駛

而這一領(lǐng)域另一個(gè)大廠，特斯拉則采用了另一種方案。特斯拉致力于降低智能駕駛的使用成本，以便在市場(chǎng)上全面鋪開(kāi)，所以其選擇的是市場(chǎng)中已經(jīng)成熟的攝像頭技術(shù)，輔以強(qiáng)大的AI算力來(lái)達(dá)到自動(dòng)駕駛目的，降低成本的目的確實(shí)已經(jīng)達(dá)到了，但是其自動(dòng)駕駛實(shí)際的效果嘛，只能說(shuō)未來(lái)可期。

而今年來(lái)在軍事上大放異彩的有源相控陣技術(shù)，在筆者看來(lái)，很可能是未來(lái)自動(dòng)駕駛的出路之一。使用激光相控陣?yán)走_(dá)，由于沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)掃描結(jié)構(gòu)，在體積和成本都大幅下降的前提下，可以做到幾乎實(shí)時(shí)的掃描效率，在如今瞬息萬(wàn)變的復(fù)雜路況下，減少了對(duì)于環(huán)境反應(yīng)的延遲性問(wèn)題，大大提高了自動(dòng)駕駛的安全性；而且對(duì)比于傳統(tǒng)幾種傳感器，激光相控陣?yán)走_(dá)在全天候都有不錯(cuò)的可用性。但是，沒(méi)有十全十美的事物，相控陣?yán)走_(dá)做不到360°的視野，甚至其最大也只能有90°的掃描視野，因此只能靠增加雷達(dá)數(shù)量的方式來(lái)防止死角的出現(xiàn)。

總的來(lái)說(shuō)雷達(dá)的原理十分簡(jiǎn)單，但要實(shí)現(xiàn)高性能的雷達(dá)還有許許多多的技術(shù)壁壘，所以在如今在成為少數(shù)國(guó)家的專利。慶幸的是我國(guó)擁有非常成熟的雷達(dá)技術(shù)，相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)相控陣?yán)走_(dá)的技術(shù)將漸漸脫離軍事，來(lái)到萬(wàn)千尋常百姓的家中，為我們的生活增添更多的便利。

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