[转]夜话军舰之浅谈舰载频扫三坐标雷达

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我们知道由于军舰面临的目标和环境的威胁不断升级和变化,空情密度也越来越高,作为舰载防空的预警和制导雷达,获取目标的高精度三坐标信息尤为重要。三坐标雷达在两坐标雷达基础上能够获得指定空域内所有目标的高度/仰角参数,能够提供更加准确的目标三维位置信息,而近20 年来各国推出的雷达主要以三坐标为主,所以本文的技术现状及发展趋势分析主要以三坐标雷达为主。从国际研制的舰用三坐标雷达使用的频段统计情况看,数字波束赋形、相扫和频扫三坐标雷达使用的频率主要集中在L/S/C四个频段; 相控阵体制的雷达使用的频段主要集中在S、X 频段。

早期传统的二坐标雷达,在俯仰方位上进行机械扫描,广泛运用的测量技术是点头式天线技术,这种天线技术控制真个天线进行上下摆动即“点头”。和传统雷达相比,三坐标雷达可以在俯仰方位上利用一个或者多个波束扫描来获得目标的俯仰角度信息,进而获得目标的高度信息,不再需要雷达做上下的“点头”来控制波束的上下摆动。          

       在三坐标雷达体系中可分为堆积多波束和电扫两种大类别,其中电扫描体制又分为频率扫描,相位扫描,相频扫描以及数字波束赋形这几类体制雷达。那频扫机制是如何实现波束角度移动的,可以参考下图中所示,只要改变管内频率也就改变了管内波长λ1,由此就会改变波束角度θ。

 

技术图片

 

        956现代级驱逐舰上的三坐标对空搜索及目标指示雷达,在其建造和改进过程先后经历了三种型号的更新发展。这三种型号分别是MP-710M“军舰鸟”( 北约代号Top Steer“顶舵“),MP-710M-1“军舰鸟-M”(北约代号Plate Steer“板舵”),以及MP-750“军舰鸟MA”( 北约代号Top Plate“顶板“)。虽然它们同是956现代级驱逐舰所装备的舰载多功能雷达,采用水平机械扫描,垂直频率扫描体制,可以实现360度覆盖,全天候对空监视及目标指示功能。但是从外观上却有着很大的区别,这和它们的系统组成方式有着密切的关系。这里我们有必要简单介绍一下三种前苏联著名的舰载搜索雷达,因为现代级上三坐标雷达的发展正是基于这三种雷达的技术演进以及系统组合发展而来的。这三种著名的舰载搜索雷达分别是MP-300“安加拉河”( 北约代号Head Net A “顶网A”)雷达,MP-600“日出”(北约代号Top Sail “顶帆”)雷达,以及MP-650“鳞皮牛肝菌”(北约代号Flat Screen “平网屏”)雷达。

MP-300“安加拉河”(北约代号Head Net A “顶网A”)雷达:该型属于二坐标对空对海搜索雷达,该型雷达工作在E/F频段属于分米和厘米波段(也有说法是G/H频段属于厘米波段),是一种采用机械扫描方式的传统雷达,双馈源和椭圆抛物反射面。完成对空搜索和监视任务,同时也可以为舰炮和导弹的火控雷达提供目标指示功能。该型雷达的典型安装方式体现在前苏联58型肯达级导弹巡洋舰。

 

安装在前苏联58型肯达级导弹巡洋舰的MP-300“安加拉河”雷达

安装在前苏联58型肯达级导弹巡洋舰的MP-300“安加拉河”雷达

 

MP-600“日出”(北约代号Top Sail “顶帆”)雷达:该型雷达属于三坐标对空搜索雷达。该型雷达工作在D波段属于分米波段,采用水平方向机械扫描,垂直方向频率扫描方式进行搜索。该型雷达虽然属于频扫雷达,但是在从外观上看天线仍然采用了传统的抛物面天线,只是馈源部分采用了线性馈源,馈源波导管盘绕在延期焦点运动的管子上,然后通过空馈方式在抛物面反射实现频扫。这种较为原始的频扫三坐标天线属于前苏联第一代频扫天线,与我们现在所熟知的平板阵列天线加上蛇形波导管的频扫天线有着外观上的极大的不同。该型雷达主要完成远程对空搜索和为防空导弹制导雷达提供目标指示。该型雷达的典型安装方式体现在前苏联1134B型喀拉级大型反潜舰。

 

安装在前苏联1134B型喀拉级大型反潜舰的MP-600“日出”雷达

安装在前苏联1134B型喀拉级大型反潜舰的MP-600“日出”雷达

 

MP-650“鳞皮牛肝菌”(北约代号Flat Screen “平网屏”)雷达:该型雷达属于三坐标对空警戒和目标探测的雷达,该型雷达通过频率控制的方式产生1~2个笔形波束,实现垂直方向的波束扫描,同时天线自身通过机械旋转实现方位扫描。与MP-600“日出”雷达的频扫方式和能力上相比先进了许多。MP-650“鳞皮牛肝菌”雷达也一致处于持续发展中,特别是到在采用平板阵列天线和蛇形波导管技术以后,该型雷达在目标识别和抗干扰能力上有了极大的提高。无论从外观还是性能都类似美国AN/SPS-48型三坐标雷达,属于较为先进的频扫雷达。该型雷达的典型安装方式体现在前苏联1134B型喀拉级大型反潜舰。虽然MP-650“鳞皮牛肝菌”雷达和956现代级驱逐舰的三坐标雷达并没有直接的关系,但是基于MP-650“鳞皮牛肝菌”雷达发展而来的“集会场”雷达,和所采用相同平板缝隙阵天线阵面和蛇形波导管馈源技术同期发展的“军舰鸟-M1”/“军舰鸟-M2”雷达,分别成为1164型光荣级巡洋舰和956型现代级驱逐舰的主要舰载三坐标雷达。

 

安装在前苏联1134B型喀拉级大型反潜舰的MP-650“鳞皮牛肝菌”雷达

安装在前苏联1134B型喀拉级大型反潜舰的MP-650“鳞皮牛肝菌”雷达

 

下表是对MP-300“安加拉河”,MP-600“日出”以及MP-650“鳞皮牛肝菌”这三种雷达性能的汇总和直观对比,因为在它们基础之上发展出956现代级驱逐舰的Fregat“弗列盖特”系列三坐标雷达系统。

 

前苏联三种著名舰载搜索雷达的主要参数

前苏联三种著名舰载搜索雷达的主要参数

 

有了上面这三种雷达的介绍,回过头来我们就容易理解956现代级驱逐舰上先后装备的三代三坐标雷达,它们在系统构成上的特点和不同之处。

MP-710M“军舰鸟”(北约代号Top Steer“顶舵“)雷达:该型安装在第一艘至第三艘956现代级驱逐舰上,事实上该型雷达可以理解为是由一套二坐标MP-300“安加拉河雷达”和一套缩小版本的三坐标MP-600“日出”雷达,背靠背组合而成的。很明显MP-710M“军舰鸟”雷达工作在D/E/F频段,即具备MP-300“安加拉河雷达”的对海对空的二坐标搜索和目标指示功能,也具备MP-600“日出”雷达的对空的三坐标搜索和目标指示。这里要说明一下MP-710M“军舰鸟”雷达中使用的缩小版的MP-600“日出”雷达,在机制上与MP-600“日出”雷达完全一致,只是线性馈源和反射面天线有所减小。MP-710M“军舰鸟”雷达继承了两套雷达的性能,对舰搜索距离约37km,对战斗机搜索距离约220km。

 

安装在前苏联956型现代级驱逐舰的MP-710M“军舰鸟”雷达

安装在前苏联956型现代级驱逐舰的MP-710M“军舰鸟”雷达

 

MP-710M-1“军舰鸟-M1”(北约代号Plate Steer“板舵”)雷达:该型雷达安装在第四艘和第五艘956现代级驱逐舰上,事实上该型雷达可以理解为是由一套二坐标MP-300“安加拉河”雷达和一套类似MP-650“鳞皮牛肝菌”的平板三坐标雷达,背靠背组合而成的。很明显MP-710M-1“军舰鸟-M1”雷达工作在B/C/D频段,其中MP-300“安加拉河”实现对海对空的二坐标搜索和目标指示,而平板三坐标雷达实现对空的三坐标搜索和目标指示。在MP-710M-1“军舰鸟-M1”雷达系统中的平板三坐标雷达采用了和MP-650“鳞皮牛肝菌”雷达类似的平板缝隙阵列天线和蛇形波导管馈电方式,性能和MP-600“日出”相比已经得到很大的提升。MP-710M-1“军舰鸟-M1”雷达继承了MP-300“安加拉河”雷达和平板三坐标雷达的性能特点,对舰搜索距离约37km,对战斗机搜索距离约200km。

 

安装在前苏联956型现代级驱逐舰的MP-710M-1“军舰鸟-M”

安装在前苏联956型现代级驱逐舰的MP-710M-1“军舰鸟-M”

 

MP-750“军舰鸟-M2”(北约代号Top Plate“顶板“)雷达:该型雷达从第六艘现代级驱逐舰开始安装。该型雷达可以理解为是由两套一套类似MP-650“鳞皮牛肝菌”的平板三坐标雷达背靠背组合而成的,并且相互倾斜呈一定夹角。很明显,在MP-750“军舰鸟-M2”雷达系统中,已经放弃之前MP-300“安加拉河”雷达所具备的对海搜索的能力,而进一步强化雷达系统对空中目标的搜索能力。所以从MP-750“军舰鸟-M2”雷达开始,956现代级的主桅上的三坐标雷达已经完全是一套三坐标对空搜索雷达。由于两块频扫雷达天线背靠背呈一定夹角安装,使得整套雷达系统对空中目标的刷新率成倍提高。MP-750“军舰鸟-M2”雷达工作在D/E频段,对战斗机等空中目标的搜索距离大于130km左右。

 

安装在前苏联956型现代级驱逐舰的MP-750“军舰鸟-MA”

安装在前苏联956型现代级驱逐舰的MP-750“军舰鸟-MA”

 

? ?    关于MP-750“军舰鸟-M2”雷达这种背靠背倾斜安装的方式,有着很多不同的分析和判断。其中有人认为这种背靠背倾斜安装的方式是为了获得垂直方向的目标数据,其实这是混淆了二坐标雷达和三坐标雷达。这种背靠背倾斜安装的方式最早在二坐标的MP-300“安加拉河雷达上使用过,其目的是当雷达水平方向旋转时可以在垂直方向上形成一个斜向波束以便于获得目标的高度信息,变相实现三坐标的功能。但是在MP-750“军舰鸟M2”雷达上,由于单块平板雷达已经可以通过频扫方式获得垂直方向的目标数据,所以显然这种背靠背倾斜安装的目的不是为了获得垂直方向的数据。其实这种安装的方式是为了使每块天线在目标区域内停留的时间更长而设计的。如下图所示,假设每块频扫雷达在单位时间内水平转速和垂直扫描速率不变,其在单位时间扫描过的面积是不变的。当雷达垂直安装时,在某一高度上扫描过的宽度A与扫描面积的宽度S一致;而当雷达倾斜一定角度安装时,在这一高度上扫描过的宽度A‘比扫描面积的宽度S要长。这也就是一些文献中所提到的在单位时间里,对目标空域的驻留时间有所增加的原因。这种倾斜安装的本质就是,在不改变雷达性能指标的基础上,通过牺牲一些垂直方向的扫面高度,换取了更大的水平方向上的扫面宽度。

 

MP-750“军舰鸟-MA”雷达垂直安装与倾斜安装时波束扫描区域示意图

MP-750“军舰鸟-MA”雷达垂直安装与倾斜安装时波束扫描区域示意图

 

 

安装在956型现代级驱逐舰上的三代三坐标雷达的系统特点和不同之处

安装在956型现代级驱逐舰上的三代三坐标雷达的系统特点和不同之处

 

       聊了这么多现代级上的三坐标雷达,我们稍微展开一点,关注一下我们目前海军大量装备的382型三坐标雷达。从外观上观察,382型雷达和MP-750“军舰鸟-M2”雷达非常类似,都属于平板频扫雷达。但是雷达阵面382远远大于MP-750,有闲(不对,是有心)的军迷可以数一数两者之间阵面波导管的数量。

 

MP-750“军舰鸟-M2”雷达和382型雷达对比

MP-750“军舰鸟-M2”雷达和382型雷达对比

 

该型雷达的工作原理基于平板缝隙阵天线阵面和蛇形波导管馈源技术。其实所谓频率扫描天线阵就是一个直线阵列,由波导管和其窄壁上的可变倾斜缝隙组成。波导管由做成蛇形波导管的功率分配器馈电。通过改变其工作频率,阵列各单元的相位关系也跟着变化,波瓣指向随之改变。波导管其实就是一种薄壁腔体结构,业内也习惯称为慢波线。其需要具备低损耗耐高功率的性能,通常是由铝合金材料制成。结构上带耦合孔的蛇形波导管系统通常是由直波导管加上180度弯波导连接。通过观察国产顶板的细节,我们可以清晰的看到,大的S波段阵面是由56根蛇形波导管组成,小的C波段阵面是由76根波导管组成。

        目前382型雷达除了作为对空/对海警戒雷达以外,还增加了气象通道提供气象信息。同时还可以作为航母及两栖攻击舰的着舰引导雷达或者叫空中管制雷达,空中管制雷达是舰载机起飞与着舰重要的引导设备和监测设备,它为舰载机进行着舰引导,对返航的舰载飞机建立空中管制,在一定距离上引导舰载机进入着舰点,为舰载机安全着舰做好准备。其他的就不多说了,大家记得下次有机会参观国产军舰时多多留意一下这款三坐标雷达吧。

 

382型三坐标雷达

382型三坐标雷达

 

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