漫談宙斯盾系統(tǒng)核心“AN/SPY-1相控陣雷達”
美國艦載四面陣相控陣雷達AN/SPY-1是美國海軍艦載宙斯盾(AEGIS)區(qū)域防御武器系統(tǒng)的一個單元，故在論述AN/SPY-1雷達之前，先有必要對AEGIS系統(tǒng)作一簡要介紹。
1941年，日本偷襲珍珠港使美國海軍受到重創(chuàng)。自此以后，美國海軍投入了大量的人力、物力和財力，著手對導(dǎo)彈武器系統(tǒng)一體化概念進行探討和設(shè)計，這就是二戰(zhàn)后著手研制的宙斯盾(AEGIS)區(qū)域防御武器系統(tǒng)。AEGIS防御系統(tǒng)于1969年由國防部批準正式立項。立項的目的主要是用于對付80年代和90年代乃止2000年以后日益增長的空中威脅，這些威脅主要是自50年代以后出現(xiàn)了高速高空或高速低空和高載荷的新型戰(zhàn)機和高速空/面及面/面戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。這些導(dǎo)彈采用了欺騙性彈道，并增加了高功率和多用性電子對抗。
AEGIS系統(tǒng)于1970年10月完成系統(tǒng)設(shè)計評估，1971年轉(zhuǎn)入設(shè)計生產(chǎn)階段，1972年2月完成關(guān)鍵設(shè)計方案評估并著手制造與試驗，1972年年底完成元器件鑒定試驗，1973年交RCA公司陸軍試驗場作系統(tǒng)級測試，1974年安裝在諾頓灣試驗艦上作了長達32個月的海上試驗。
1974年把AN/APY-1安裝在諾頓灣試驗艦上，成功地自動探測并跟蹤了在太平洋上空飛行的20架飛機，用EA-6B干擾機對AN/APY-1進行滿功率干擾也無濟于事。美國空軍改用相當(dāng)于32架EA-6B的滿功率干擾機KC-135(配置了TREESHARK)仍不能完全干擾AN/SPY-1。在這兩種情況下，AN/SPY-1的雷達波束均能“燒穿”干擾機并摸擬發(fā)射防御導(dǎo)彈。
1975年，AEGIS在海上作了6天的“實戰(zhàn)”演習(xí)，演習(xí)重點是對無人駕駛飛機和導(dǎo)彈威脅實際發(fā)射了3枚SM-1型導(dǎo)彈均獲成功。
1976年3月，美國海軍在南加尼福尼亞海岸外組織了多國艦隊演習(xí)，共有5個國家41條軍艦、數(shù)百架飛機和18000人參加。這次演習(xí)“敵情”復(fù)雜，共持續(xù)了10天。諾頓灣試驗艦在全天候和電子對抗環(huán)境中成功地探測并攔截了作單批或多批襲擊的“敵機”和“敵艦”。1976年12月10日，一枚SM-2中程導(dǎo)彈在發(fā)射后很短的時間內(nèi)被AN/SPY-1截獲、跟蹤和控制，直到直接成功地命中無人駕駛目標。
綜上所述，AEGIS武器系統(tǒng)是一種具有快速響應(yīng)可把標準導(dǎo)彈發(fā)射到空中和地面目標的高性能防空作戰(zhàn)系統(tǒng)，也是美國海軍第一個對密集空中攻擊能作出全自動反應(yīng)的武器系統(tǒng)。它可提供80年代和90年代的寬域面/空和面/面防御。采用遠程面/面巡航導(dǎo)彈和增程面/空導(dǎo)彈時，可提供攻擊海面的反擊能力。
AEGIS計劃一開始，軍方就提出了五項最關(guān)鍵的技術(shù)要求，即反應(yīng)快、火力猛、生存能力強、可用性高和覆蓋范圍大。這五項要求是作為設(shè)計AEGIS的“基石”。
1.反應(yīng)快
當(dāng)高速低空或高角度攻擊導(dǎo)彈逼近目標時(在20km范圍內(nèi))，AEGIS必須在2分鐘之內(nèi)擊毀目標。
2.火力猛
要求以足夠強的火力準確地和以高殺傷率地同時對付多個目標的強烈攻擊。
3.生存能力強
要求能在強ECM、金屬箔片干擾及惡劣的氣候條件下有效地工作。
4.可用性高
要求能在海上特定的惡劣環(huán)境(水下沖擊、核沖擊、-20°F和70海里/小時的相對風(fēng)速下，在特定的時間里能連續(xù)工作，不能長時間關(guān)機修理。
5.覆蓋范圍大
必須對艦隊提供有效的區(qū)域防御，覆蓋360°的空間。
AN/SPY-1的組成和技術(shù)特點
AN/SPY-1是AEGIS系統(tǒng)的心臟，是AEGIS作戰(zhàn)系統(tǒng)的主要對空對海雷達，是一部對空中和海面目標進行自動搜索、檢測、跟蹤并對SM-2導(dǎo)彈進行中段制導(dǎo)的多功能雷達。
AN/SPY-1是一部工作在E/F頻段的四面陣，可提供方位360°，仰角90°的覆蓋范圍，作用距離超過250海里。
AN/SPY-1到目前為止共有四種型號：AN/SPY-1A、AN/SPY-1B、AN/SPY-1C和AN/SPY-1D。AN/SPY-1A用于裝備DDG-47型驅(qū)逐艦和CG-58型巡洋艦。
AN/SPY-1B用于裝備CG-59型巡洋艦。
AN/SPY-1C是利用飛機作載體提出的項目，因難于實現(xiàn)而被取消。
AN/SPY-1D用于裝備DDG-51型驅(qū)逐艦。
AN/SPY-1系列雷達結(jié)構(gòu)和特點基本相同，故本文只著重介紹AN/SPY-1A。其它型號的改進部分只略作介紹。
AN/SPY-1A由如下五個功能單元組成：天線單元、雷達發(fā)射機單元、信號處理單元、控制單元和輔助設(shè)備單元。這五個單元的組合支撐著AEGIS上述的五大關(guān)鍵性能。這“五大”關(guān)鍵性能也是AN/SPY-1系列雷達的五大顯著特點。
①天線單元形成和控制高功率發(fā)射波束并把它輻射入空間。它也可接收和放大被接收到的信號并把它轉(zhuǎn)換成中頻。
②發(fā)射單元把高功率射頻脈沖發(fā)送到相控陣天線。發(fā)射單元含有兩組各32個SFD-261型交叉場放大器作為終端放大器(SFD-261的設(shè)計規(guī)范為5000小時壽命，但到70年代中期已達規(guī)定壽命的2～4倍，每組放大器均可在軍艦的一端驅(qū)動電控陣列。
③信號處理機產(chǎn)生雷達發(fā)射機波形并根據(jù)雷達計算機組指定的接收機來處理所選擇的回波。它也可為AN/UYA-4型顯示單元產(chǎn)生并分配AN/SPY-1A雷達視頻信號。
④控制單元含有AN/SPY-1A雷達計算機組和顯示設(shè)備。
這些設(shè)備的工作是靠AN/SPY-1A型雷達計算機程序來調(diào)度和控制雷達系統(tǒng)功能。
⑤輔助設(shè)備單元提供特定的工作條件使AN/SPY/1A雷達
工作最佳化。該單元包括空氣冷卻和水冷卻、空氣脫水、水凈化和若干電源設(shè)備。
AN/SPY-1A雷達和可用率高是借助于機內(nèi)冗余技術(shù)和快速計算機控制的重組來確保的。雷達必需連續(xù)工作，只需少量操作維護人員。
AN/SPY-1A的操作程序
首先借助AN/UYK-7計算機組(控制單元)，由信號處理機產(chǎn)生合適的搜索射頻波形或跟蹤射頻波形。信號在發(fā)射機通道中被放大并被選擇陣面。通過天線位置程序器把波束指向指令轉(zhuǎn)換為陣列移相器指令，從而產(chǎn)生發(fā)射機輸出，這些輸出通過天線陣面在特定的空間角度形成波束。由陣列和通道(距離)和兩個差通道(仰角和方位)接收的信號首先在射頻前置放大器中被放大，在雷達接收機中作頻率轉(zhuǎn)換并被進一步放大。隨后這些信號被送到信號處理機。該信號處理機可完成對接收到的信號作恒虛警率和脈壓處理以及角度和距離估值。這些數(shù)據(jù)由AN/SPY-1A型計算機組用來起動雷達跟蹤。如果需要增加雜波抑制，則MTI處理可同時用于跟蹤和搜索兩種工作方式。
AN/SPY-1B采用新型移相器和波束成形技術(shù)，以降低天線旁瓣，從而降低了有源電子干擾的威脅。AN/SPY-1B還將采用分布式微處理器系統(tǒng)以實現(xiàn)快速信號處理，使得中央處理器的信號分析和融合中心的融合任務(wù)容易完成。
AN/SPY-1D雷達更新項目目前正在洛克希德·馬丁公司進行前期組裝聯(lián)試。雷達更新目的是提高在重雜波環(huán)境下(如沿海地區(qū)的城市、工業(yè)區(qū)、遷移鳥類和沙暴)對低空目標的快速截獲能力。
更新項目包括對發(fā)射機、信號處理機及計算機程序的修改。發(fā)射機的關(guān)鍵件換成新器件，以降低內(nèi)部噪聲，提高信號穩(wěn)定度。信號處理機改為先進的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)，微處理器的能力也得到加強，從而大大加快了信號處理速度。計算機程序采用新的處理方法，加強了對信號處理和發(fā)射機管理，提高了消除雜波和對欺騙性電磁干擾的抑制能力，從而確保了與當(dāng)前正在發(fā)展的威脅目標相同步。
結(jié)論
美國海軍裝備的AEGIS系統(tǒng)是一個成功的艦載區(qū)域防御武器系統(tǒng)，AN/SPY-1雷達是該艦核心，也是迄今為止的世界上第一部四面陣艦載相控陣雷達。AEGIS系統(tǒng)的研制從1969年立項算起，前后共花了30年時間，已經(jīng)耗費500億美元。每艘AEGIS軍艦價格為7.5～9億美元。
有源相控陣雷達與無源相控陣雷達相比，存在以下明顯的優(yōu)點：
由于有源相控陣雷達的發(fā)射機直接分布在陣面上，因此發(fā)射饋線損耗小，與無源相控陣雷達相比，減少4倍以上，則使雷達的探測距離明顯增大。
由于有源相控陣雷達的天線陣面上的每一個單元相當(dāng)于一部小發(fā)射機，只有當(dāng)20%以上的收發(fā)組件失效后才會嚴重影響雷達性能。當(dāng)僅有10%組件失效時，雷達的作用距離僅減少3%左右，影響甚小。相反，無源相控陣雷達是采用一部集中式發(fā)射機，當(dāng)發(fā)射機出現(xiàn)故障時，會導(dǎo)致整部雷達不能工作。由此可見，有源比無源相控陣雷達的任務(wù)可靠性有較大提高。
有源相控陣雷達可發(fā)射靈活易變的大占空比發(fā)射波形，使其發(fā)射的脈沖功率大大降低，不易被敵方偵察機截獲，具有良好的低截獲概率性能。而無源相控陣雷達因受大功率發(fā)射管的制約，雷達工作占空比受到限制，使其發(fā)射的脈沖功率較大，易被敵方偵察和截獲并受到干擾。
采用大量砷化鎵微波集成電路的有源相控陣雷達，可明顯減小雷達的體積、重量以及降低成本和提高可行性，更適于裝艦。
有源相控陣雷達更有利于采用先進的數(shù)字波束形成技術(shù)，實現(xiàn)天線波束自適應(yīng)控制，使其零點對準干擾方向，大大提高了抗干擾能力。
總之，有源相控陣雷達是集現(xiàn)代陣列理論、超大規(guī)模集成電路、高速計算機、先進固態(tài)器件及光電技術(shù)為一體的新技術(shù)產(chǎn)物，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代化科學(xué)的發(fā)展水平，它具有多功能、遠距離、高精度、高靈活性、高可靠性以及優(yōu)良的抗干擾能力等鮮明特征，為艦載雷達的發(fā)展開辟了新的里程。
海上千里眼：艦載雷達
艦載雷達（shipborne radar）是裝備在船舶上的各種雷達的總稱，它們可探測和跟蹤海面、空中目標，為武器系統(tǒng)提供目標數(shù)據(jù)，引導(dǎo)艦載機飛行和著艦，躲避海上障礙物，保障艦艇安全航行和戰(zhàn)術(shù)機動等。各種艦艇上裝備的雷達種類和數(shù)量，取決于艦艇的戰(zhàn)斗使命、武器裝備和噸位大小。通常小型戰(zhàn)斗艦艇裝1～2部；大、中型戰(zhàn)斗艦艇裝10多部，有的多達20余部。
1935年，德國在“貝雷”號試驗船上首次進行艦載雷達試驗，這是一種對海警戒雷達，當(dāng)時對海上艦船的探測距離僅9公里。世界上最早實用艦載雷達的是德國研制的“海上節(jié)拍”式對海警戒雷達。它在1936年夏首先裝備了“海軍上將施佩爾伯爵”號袖珍戰(zhàn)列艦等3艘大型軍艦。
1938年，美國海軍研究試驗室最早研制出頻率為195兆赫,對飛機探測距離達137公里,對水面艦艇探測距離大于20公里的XAF型艦載警戒雷達，安裝在“紐約”號戰(zhàn)列艦上。
第二次世界大戰(zhàn)期間，美、英、蘇、日等國海軍的部分艦艇,陸續(xù)裝備了對空、對海警戒雷達,主要用于及早發(fā)現(xiàn)敵方飛機和艦艇，以保障適時和有效的攻擊。如在1941年3月28日馬塔潘角海戰(zhàn)中,英國艦隊由于裝備了艦載雷達，得以在黑夜中探測到意大利艦隊的位置，爭取了主動，取得了擊沉意巡洋艦3艘、驅(qū)逐艦2艘的戰(zhàn)果。
大戰(zhàn)末期至20世紀50年代，各國海軍艦艇先后裝備了炮瞄雷達、魚雷攻擊雷達和導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達。60年代，有些艦艇裝備了三坐標雷達。這種雷達既能擔(dān)負警戒任務(wù)，又能為武器系統(tǒng)指示目標和對艦載機導(dǎo)航，成為艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的重要設(shè)備。
70年代，許多國家的海軍十分重視對電子干擾和掠海飛行反艦導(dǎo)彈的防御，應(yīng)用了頻率捷變、單脈沖跟蹤、脈沖壓縮、動目標顯示、脈沖多普勒、多目標跟蹤，數(shù)字技術(shù)和光電技術(shù)（電視、紅外、激光）等先進技術(shù)成果，先后研制并裝備了一些抗干擾性能比較好、具有探測低空飛機和掠海飛行反艦導(dǎo)彈能力的新型警戒雷達和跟蹤雷達。
發(fā)展趨勢：發(fā)展多功能雷達，以提高雷達效能，減少艦上雷達的數(shù)量；進一步提高抗干擾能力，抑制海浪雜波，克服低空多路徑效應(yīng)，改善低空探測和跟蹤性能等。
分類
按戰(zhàn)術(shù)用途分為：
警戒雷達：有對空警戒雷達和對海警戒雷達，用于發(fā)現(xiàn)和監(jiān)視海面、空中目標，與敵我識別系統(tǒng)相配合判定目標的敵我屬性，給導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達和炮瞄雷達提供目標指示等。
導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達：有艦艦導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達和艦空導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達，用于跟蹤海面和空中目標，為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的計算機或射擊指揮儀提供目標的坐標和運動數(shù)據(jù)。
炮瞄雷達：用于跟蹤海面和空中目標，為艦炮射擊指揮儀或火控計算機提供目標的坐標數(shù)據(jù)和炸點偏差數(shù)據(jù)。
魚雷攻擊雷達：裝在魚雷艇和潛艇上，用于搜索、跟蹤海面目標，為魚雷攻擊指揮儀提供目標的坐標和運動數(shù)據(jù)。
航海雷達：用于觀測島岸目標，以確定艦位，并根據(jù)航路情況，利用計算機進行避碰解算和顯示，引導(dǎo)艦船安全航行。
艦載機引導(dǎo)雷達：一般裝在航空母艦上，用于對艦載機進行指揮引導(dǎo)。
著艦雷達：一般裝在航空母艦上，用于在復(fù)雜氣象條件下引導(dǎo)艦載機安全著艦。
各種艦艇上裝備的雷達種類和數(shù)量，取決于艦艇的戰(zhàn)斗使命、武器裝備和噸位大小。通常小型戰(zhàn)斗艦艇裝1～2部；大、中型戰(zhàn)斗艦艇裝10多部，有的多達20余部。
發(fā)展
艦載相控陣雷達，shipborne phased array radar，裝備在艦上，天線采用相位控制的方法實現(xiàn)波束掃描的雷達。其工作原理是在發(fā)射時設(shè)法使各輻射器的電磁波信號到達目標時同相，疊加后信號最強，因而使天線波束的最大值方向指向目標；接收時各輻射器收到的回波信號同相合成。其特點是一遠、二快、三精、四高、五多。遠是指作用距離遠，快是指對目標的探測速度快，精是指測得的目標數(shù)據(jù)精確，高是指高可靠性和高自適應(yīng)能力，多是指同時捕獲的目標多。其組成與常規(guī)雷達基本一樣，包括接收裝置、發(fā)射裝置、天線、波控系統(tǒng)、中端設(shè)備等。這種雷達的出現(xiàn)是現(xiàn)代雷達技術(shù)發(fā)展的一項重大成就，由于能同時具有目標搜索、識別、捕獲，跟蹤引導(dǎo)和指導(dǎo)等多種功能，一步多功能相控陣雷達能替代多部分別完成不同任務(wù)的雷達，從而可以解決原先艦上各種功能的眾多雷達天線架設(shè)和信號相互干擾的矛盾。更重要的還在于采用多功能相控陣后，有利于信息顯示、數(shù)據(jù)處理與縮短反應(yīng)時間，從而能有效地對付高密度的飽和攻擊。同時，未來海上信息戰(zhàn)的發(fā)展，迫使艦載雷達不僅要用自適應(yīng)波束處理，而且還應(yīng)用自適應(yīng)波束形成技術(shù)，才能在復(fù)雜電子環(huán)境中完成各項任務(wù)。這是機械掃描雷達無法實現(xiàn)的，而多功能相控陣雷達，尤其是采用數(shù)字波束形成的多功能相控陣雷達，可通過將信號波形處理與天線波束的自適應(yīng)處理相結(jié)合起來，從根本上改進雷達的性能以適應(yīng)未來海上信息戰(zhàn)惡劣的電磁環(huán)境。此外，采用相控陣后，還可用電子穩(wěn)定系統(tǒng)來取代笨重的機械穩(wěn)定系統(tǒng)，這對艦載雷達來說也是十分重要的。因此，艦載相控陣雷達的發(fā)展十分迅速。正沿著有源陣列、高度自適應(yīng)、共性天線、智能蒙皮、綜合應(yīng)用高新技術(shù)等方向發(fā)展，有著廣闊的前景。不過也存在著整機過于龐大、復(fù)雜，因而造價高、維護費用大等缺點，并有下列關(guān)鍵問題需解決：研制廉價而高性能的固態(tài)收/發(fā)組件；數(shù)字波束形成和實時自適應(yīng)處理；縮小體積、減輕重量和降低成本；提高可靠性和可維修性等。
