電視中經常提到的有源相控陣雷達和無源相控陣雷達有什麼區別?

精彩之時刻

相控陣雷達全稱相位控制掃描陣列雷達,其主要特徵是利用

成百上千甚至過萬的小型天線單元組成一個完整的天線陣列,每個天線單元都由獨立的移相開關控制,通過控制各天線單元發射的相位幅度,就能合成不同相位波束,進而來改變波束的指向。

(相控陣雷達的基本原理示意圖)


相比傳統的機械掃描雷達,相控陣雷達因為其波束指向的改變是通過相位的變化來完成的,它不需要像傳統機械掃描雷達一樣通過轉動天線的方式進行掃描。因此,相控陣的反應速度、波束靈活性、多目標跟蹤能力、分辨率、多功能性、電子對抗能力等都遠優於傳統雷達 。不過也具有著重量體積更大、功率需求與技術門檻以及造價成本更高這些缺點。

(F-35所裝備的APG-81相控陣火控雷達的掃描能力展示,可見其恐怖的效率。)


而相控陣這個概念又被分為“被動/無源相控陣”(PESA)與“主動/有源相控陣”(AESA)兩大類,其中,無源相控陣雷達因為其技術門檻較低的原因,早在上個世紀70、80年代就已經開始發展成熟並投入廣泛的運用,其中代表型號為“宙斯盾”系統的核心傳感器——SPY-1系列相控陣雷達。

而隨著集成電路與微電子技術的發展,突破了收發(T/R)單元的小型化與封裝工藝等關鍵技術後,有源相控陣雷達在本世紀末期迎來了大發展。並藉著其相比於無源相控陣在體積重量、可靠性等各項性能上的優勢,迅速替代了無源相控陣成為了雷達領域的熱門應用,當今世界上各類新銳武器所使用的雷達,基本上都能看見有源相控陣的身影,比如F-22與F-35隱身戰鬥機所使用的APG-77/81,以及我國052D型導彈驅逐艦上所使用的346A型相控陣雷達,都屬於先進的有源相控陣體制。

(我國海軍052D型驅逐艦所裝備的346A型即為先進的有源相控陣體制)


那麼,為什麼無源相控陣與有源相控陣會在性能上有著如此巨大的差距呢?兩者最主要的區別又是什麼?

其實從下面這張圖中就能很明顯看出,無源相控陣與有源相控陣直接最大的差異還是表現在整體結構上。

(有源相控陣(左)與無源相控陣(右)的結構對比)


如果所示,雖然兩者的雷達天線都是由多個小天線單元組成。但是最大的不同在於收發單元也就是俗稱的T/R單元的數量上有著很明顯的區別。有源相控陣是由多個收發單元組成,每個收發單元連接一個天線單元,每個收發單元都能獨立的發射與接收雷達信號,通俗的來講,有源相控陣更像是若干個可以獨立工作的小雷達所組成的一個雷達陣列。


而無源相控陣大多數情況下則只有一個的收發單元或者說一個集中式發射機(有些無源相控陣雖然只有一部發射機,但是在接收支路卻使用了多個接收機來增強性能,如蘇-35上所使用的雪豹-E型無源相控陣雷達。),集中式發射機所產生的射頻能量經由功率放大電路放大以後,通過波導管或饋線分配給天線單元,最後輻射到空間中。


從以上的所分析的區別我們很容易的就能看出,有源相控陣因為其多路收發單元這個優勢,在可靠性上,相比單一發射機的無源相控陣來說是優勢是非常巨大的,畢竟這麼多個“小雷達”,即使有些出現了故障,對其整體性能的影響還是比較小的。而無源相控陣因為只有一部集中式發射機,如果發射機出了問題,就意味著整部雷達將無法有效的工作。

另外,由於無源相控陣的射頻能量傳導主要是依靠導波管或者饋線完成,而這些結構複雜且冗長的導波管的存在,無疑會使其整體體積和重量難以控制,同時射頻能量從發射機到天線的傳遞過程過長,所要經過的各類饋電裝置過多,在這種情況下射頻能量的損耗和器件噪聲水平的上升(如下圖所示)也將影響無源相控陣的整體性能。

(典型的無源相控陣(左)與有源相控陣(右)的系統內信號路徑示意圖對比)


如此種種差距可以看出,這樣就是為什麼雖然無源相控陣在技術門檻相比有源相控陣低很多的情況下,依舊迅速被有源相控陣所取代的主要原因。


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簡單的來說是這樣的,我們首先要知道相控陣雷達是由幾百個到數萬個輻射單元和接收單元組成。這些最基本的元件經過排列組合形成了多個陣列天線,每個陣列天線相當於獨立的傳統雷達。多個陣列天線可以同時向不同方向搜索、追蹤目標。有了這個裝備,四代機、五代機,中華神盾艦什麼的才可以同時捕捉、追蹤、攻擊多個目標,戰鬥能力才能由點防禦變為區域防禦。

而無源相控陣雷達雖然有成百上千個信號接收元件,但卻是依靠一個放大器來被動的調整功率大小。相反,有源相控陣的每一個天線元件都有自身的放大器,那麼有源相控陣雷達的變化性、多功能性就更為厲害。無源相控陣的技術在上世紀80年代就已經成熟,主動有源相控陣直到90年代末才逐步的裝備在戰機、艦艇、地面雷達站上。通俗點可以這樣講,無源相控陣就相當於2000年的諾基亞,而有源相控陣就是蘋果7plus。


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我來談談我個人的看法,對於雷達我是門外漢,希望大家不吝賜教。

第一,有源與無源。對於雷達來講,主要說的是主動探測和被動探測。早期的雷達一般都是主動探測,波長一般是米波。米波的好處就是增益比較強,但是抗干擾能力差。尤其是現代隱身戰機的出現,米波損耗比較大,遇到戰機採用吸波能力比較強的材料,電波反饋能力急劇下降。即便在米波雷達可是範圍內,敵機放出鋁箔片就會造成花屏。毫米波好處是可以區分反射和漫反射,但是一但敵機外形經過特殊設計形成漫反射,會造成毫米波雷達形同虛設。

第二,相控雷達。單個雷達可以發現目標,但對於目標時時運動方位無法做出精確判斷。這時就需要多個雷達站共同協作,缺點是體積過於龐大,且針對性不強。相控雷達橫空出世,水平掃描,垂直掃描,水平掃描用米波,垂直用毫米波。立體掃描,立體掃描,就算敵機關閉發動機也無法隱身。這有點向電視機熒光屏的行掃描和列掃描,逐幀比對。

第三,無源相控雷達。這種雷達主要是以被動探測為主,包括聲光電於一體。這種雷達隱蔽性能比較好,機動性強。舉個例子,這種雷達可以通過空氣的震動,立刻知道敵機是螺旋槳式發動機還是噴氣式發動機,根據聲波的衰減程度,馬上判斷出敵機的運動速度和方位,從而計算出其運動軌跡。紅外雷達甚至可以通過敵機劃破空氣細微溫度變化,掃描出敵機的氣動外形。

綜上所述,有源無源也好,各有各的優勢,錯落有致才能做到互補。前沿陣地一般多采用無源相控雷達陣,後方多采用有源。


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相控陣雷達的共性,天線不轉動,通過電掃描移位來實現探測。它們都由成百上千個單元構成陣列,每個單元能獨立工作。無源相控陣雷達的陣列中,每個小單元都能接收電磁波,但小單元不能獨立發射的電磁波,只能彙集起來,通過一個總的窗口進行發射,功率消耗大。有源相控陣雷達的陣列中,每個小單元都能獨立發射和接收電磁波,功率大小可調可控,頻率傳換迅速敏捷,功率疊加效應明顯,探測距離更遠,目標更多,具備探測、識別、鎖定、攻擊多批次目標的能力。


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相同點:二者都是通過改變多個天線陣元的相位來控制整合雷達的指向。

不同點:無源陣的天線單元只負責移相,整個天線的發射機只有一部,跟老式雷達一樣,發射機壞了就熄火了;有源陣的天線單元不但負責移相,還負責產生功率,相當於有上千部小發射機,一部分壞了都還能用。

再科普一下相控陣與數字陣的區別。

主要是信號處理通道的數目不同。一般的相控陣只有一個信號處理通道,採集一路數據進行門限比較,判別有沒有目標。數字陣的每一個陣元都採集一路數據,可以靈活的應用自適應陣列信號處理技術。但數字陣需要處理的數據量也是傳統雷達的成百上千倍,老式的處理器和內存是絕對不夠的。


劉濤

老式雷達發射信號是靠雷達發射扇面上下左右轉動發射信號和接收信號的,效率不高。相控陣雷達不一樣,它有排成陣列的許多發射單元,每個單元可以先設定好電磁波發射方向,基本上雷達前方上下左右的物體,在雷達不改變方向的條件下都可以偵測到,而且是連續不斷的偵測到,效率和精度都大大的得到提高。每個發射單元可以單獨發射和單獨接收的相控陣雷達叫有源相控陣雷達,共用一個發射源和一個接收器的就叫無源相控陣雷達。


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相控陣,拆開來理解:相----相位(調整),通過調相改變雷達波束指向。控----調相控制。陣----陣列式排布。相控陣雷達,就是指通過調相改變雷達波束指向的雷達,俗稱“電掃”,對應的那種不停的轉的雷達叫機械掃描雷達。主動相控陣,簡單說就是t/r單元做在一起,被動相控陣,t/r是分開的。


豆腐乾好

全是外行。標準答案是:有源陣的射頻信號放大與接收都在天線上,其天線單元是有源的:而無源陣天線單元並不對信號放大,對發射和接收信號都只起到聚焦彙集作用,是無源的,相當於一個透鏡。這裡天線的有源和無源是對雷達信號而言的,這就是根本區別。


兩段三層

有源相控陣就好比每個士兵自己帶了所有裝備和補給,然後聽命令作戰,或協同或獨立或三五成群皆可。無源相控陣就好比士兵只帶武器,由後勤部同意配發補寄,發你什麼你就去幹什麼,或協同或獨立或三五成群。各有優缺點,但純粹從科技技術來看,有源比無源先進。但實際裝備和作戰效果看,要具體情況具體分析。


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