雷達(dá)是防空反導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵。 主要介紹約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（APL）對美國防空反導(dǎo)雷達(dá)研發(fā)的貢獻(xiàn),，APL在引領(lǐng)先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)或改進(jìn)方面有著悠久的歷史：從最初宙斯盾系統(tǒng)的多功能相控陣?yán)走_(dá)到固態(tài)相控陣?yán)走_(dá),、彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)，以及美國海軍最新的防空反導(dǎo)雷達(dá)(AMDR),。

約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory）,，簡稱APL，是一個非營利性的研究和開發(fā)中心，同時也是世界一流研究型大學(xué)——約翰·霍普金斯大學(xué)的一個下屬機構(gòu),。APL的主要研發(fā)領(lǐng)域包括：空間監(jiān)視與控制,，導(dǎo)彈防御以及國土安全等，也包括提供更多支持空間作戰(zhàn)部隊的導(dǎo)航,、通信,、監(jiān)視、偵察和定位技術(shù)產(chǎn)品等,。

宙斯盾多功能相控陣?yán)走_(dá)

20世紀(jì)50年代,，隨著空中威脅的不斷發(fā)展，艦載武器系統(tǒng)必須具備能夠在數(shù)微秒的時間內(nèi)重新編排波束來跟蹤越來越多的目標(biāo),。APL最初試圖通過一個名為Typhon的早期實驗系統(tǒng)來解決這一需求,。Typhon天線采用龍伯電磁透鏡技術(shù)，其外觀包括一個內(nèi)含龍伯電磁透鏡的圓柱狀結(jié)構(gòu),，以及一個位于頂部,、由數(shù)千個天線單元組成的球型發(fā)射天線陣列。龍伯電磁透鏡為球型,，表面裝有數(shù)千個喇叭狀波導(dǎo),，每個波導(dǎo)透過一個傳輸線與電子開關(guān)（switch）連接到一個行波管放大器（TWT），再由行波管一對一地連接到上方球型天線陣列的單元,。

APL研制的原理樣機

Typhon天線采用的龍伯電磁透鏡

1962年11月,，美國海軍在諾頓灣號上成功進(jìn)行了多目標(biāo)的搜索和跟蹤測試。但是,，該系統(tǒng)由于成本嚴(yán)重超支于1963年被終止,。

在Typhon項目的后期，APL開始進(jìn)行電子移相器技術(shù)的研發(fā),，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高增益相控陣天線,，并且波束可以通過控制孔徑輻射元件的相位實現(xiàn)波束指向的偏轉(zhuǎn)。1965年美國海軍確定了對具有聯(lián)合監(jiān)視,、跟蹤和導(dǎo)彈制導(dǎo)能力以及電子反對抗（ECCM）能力相控陣?yán)走_(dá)的要求,。 鑒于APL在相控陣技術(shù)和海軍防空方面的背景，海軍指示APL開始實施降低技術(shù)風(fēng)險并展示必要的相控陣?yán)走_(dá)性能的計劃,。該實驗開發(fā)項目被命名為高級多功能陣列雷達(dá)（AMFAR）,。

AMFAR到AN/SPY-1

AMFAR演示驗證樣機由APL于1964年至1969年進(jìn)行構(gòu)思,、設(shè)計,、研制和測試，這款雷達(dá)也就是后來大名鼎鼎的AN/SPY-1雷達(dá)的前身,。 它將雷達(dá)系統(tǒng)的所有元件組合在一起,，并通過計算機控制，驗證了自動檢測和跟蹤的可行性，并具有抗環(huán)境雜波的能力,。 AMFAR計劃涉及的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域包括管式發(fā)射機設(shè)計,、平面相控陣設(shè)計、電子反對抗研發(fā)以及自動檢測,。下圖左上角是相控陣天線（包括了移相器,、敏捷波束轉(zhuǎn)向裝置）。中間是交叉放大器（包括了相位移器和大功率發(fā)生器）,。右邊是高級信號處理器（包括了相位編碼,、脈沖壓縮、自動檢測-跟蹤目標(biāo),、頻率分集）,。

 AMFAR計劃涉及的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域包括管式發(fā)射機設(shè)計、平面相控陣設(shè)計,、電子反對抗研發(fā),、自動檢測和跟蹤，以及計算機控制,。主要的實驗子系統(tǒng)包括高功率發(fā)射器,、相控陣天線、信號處理器系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng),。 

APL在鐵氧體移相器開發(fā)方面取得了突破,，開發(fā)了一種新的陣列波束形成器，為角度估計提供了獨立的和差和單脈沖通道,。成功開發(fā)了相控陣,，陣列組件（下圖）證明了在高功率下所需的可靠性和性能。

SPY-1工程研制與持續(xù)升級

AMFAR項目驗證了用于戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)的關(guān)鍵子系統(tǒng)的技術(shù)成熟度,，以及滿足在電子對抗環(huán)境下監(jiān)視,、跟蹤和導(dǎo)彈制導(dǎo)的能力要求。這些創(chuàng)新為1969年宙斯盾項目的競標(biāo)掃清道路,。當(dāng)RCA公司（現(xiàn)在的洛克希德馬?。┶A得SPY-1A雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)合同，APL的角色轉(zhuǎn)變?yōu)楹＼娪媱澒芾淼募夹g(shù)顧問,。在這個角色中,，APL提供了滿足海軍技術(shù)要求的工業(yè)設(shè)計，識別和評估風(fēng)險,，提出替代方法,，并在適當(dāng)?shù)臅r候進(jìn)行關(guān)鍵性實驗，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為工業(yè),。例如,，APL提出了一種在保證性能的基礎(chǔ)上,，通過將高功率波導(dǎo)開關(guān)技術(shù)發(fā)展成允許單個發(fā)射器在兩個陣列之間共享時間資源的方法來減少發(fā)射器的數(shù)量。另外,，APL改進(jìn)了信號處理和控制的設(shè)計,，將兩者合并到一個集中處理單元中。

作為宙斯盾的技術(shù)顧問,，APL與海軍,、主承包商和其他工業(yè)代理商和政府團隊成員共同努力，通過提高性能或降低成本和重量的系統(tǒng)升級來保持項目與技術(shù)進(jìn)步同步,。隨著20世紀(jì)80年代SPY-1B雷達(dá)的出現(xiàn),，出現(xiàn)了一次重大的升級。SPY-1B利用固態(tài)電子技術(shù)來降低信號處理器的尺寸和成本,，同時提高處理的效率和增加新的電子防護(hù)能力,。同樣，陣列結(jié)構(gòu)的變化和制造容差和陣列校準(zhǔn)技術(shù)的進(jìn)步使得SPY-1B相控陣能夠?qū)崿F(xiàn)低旁瓣性能和改進(jìn)的電子防護(hù),。

從APL最初的概念原型和AMFAR的實驗驗證中出現(xiàn)的SPY-1雷達(dá)經(jīng)過多次改進(jìn)和升級,，已發(fā)展成為近40年來海軍宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的核心。 超過90艘艦船裝備了SPY-1雷達(dá),。

效能評估與環(huán)境特征

SPY-1發(fā)展的推動因素之一是解決低空反艦巡航導(dǎo)彈的威脅,，該威脅強調(diào)戰(zhàn)斗系統(tǒng)的參與時間基線，因為威脅來自地平線以下,，距船只相對距離近,。為了表征新雷達(dá)系統(tǒng)的性能，需要做兩件事：（i）雷達(dá)的高保真模擬,，包括快速確認(rèn)駐留時間安排和進(jìn)行蒙特卡羅統(tǒng)計分析的能力,，（ii）預(yù)測低空傳播和雜波對系統(tǒng)性能的影響能力。20世紀(jì)70年代后期,，APL開發(fā)了固定軌道仿真的第一個版本,，它提供了分析電掃相控陣?yán)走_(dá)特有的行為能力。 固定軌道仿真與SPY-1雷達(dá)系統(tǒng)及其擴展任務(wù)（開放式海洋防空,、彈道導(dǎo)彈防御以及綜合空中和導(dǎo)彈防御）,。 隨著第一代SPY-1雷達(dá)的艦載測試的開始，固定軌道仿真用于比較雷達(dá)性能預(yù)測與測試中觀察到的實際性能,。盡管仿真模型考慮了低空多徑和球形地球的地平線大氣折射,，固定軌道仿真性能達(dá)到與低緯度目標(biāo)的模擬預(yù)測一致，但與實際測試性能相差較大,。 顯然,，性能預(yù)測必須包括大氣折射對低海拔射頻傳播的影響，以便能夠分析雷達(dá)在該狀態(tài)下的性能,。

環(huán)境對雷達(dá)性能影響的建模

20世紀(jì)80年代初,，APL開發(fā)了電磁拋物方程（EMPE）模型來描述低層大氣中的電磁傳播,，宙斯盾項目于1982年開始支持這項工作,，到1985年,，EMPE與 固定軌道仿真一起使用，以預(yù)測低海拔傳播效應(yīng)下SPY-1的性能,。 經(jīng)過實驗驗證和多次保真改進(jìn)后,，該模型被重新命名為對流層拋物方程程序( TEMPER)。今天,，TEMPER能夠預(yù)測陸地和海洋上的電磁傳播,，并準(zhǔn)確地表示雷達(dá)和通信系統(tǒng)的模式。 TEMPER已多次獲得認(rèn)證,，支持許多海軍和導(dǎo)彈防御機構(gòu)（MDA）計劃,，并被海軍實驗室和行業(yè)合作伙伴廣泛使用。TEMPER計算證實雷達(dá)性能對大氣折射條件非常敏感,，而大氣折射條件又依賴于低層大氣中的溫度和濕度（水蒸氣）,。這些影響在一定程度上大大延伸了低空目標(biāo)的探測范圍。

大氣折射條件的表征

鑒于像TEMPER這樣的模型,，以及使用TEMPER的雜波模型,，下一個挑戰(zhàn)是如何準(zhǔn)確描述大氣折射率，為TEMPER提供準(zhǔn)確的輸入,。 作為用測量數(shù)據(jù)驗證TEMPER的努力的一部分,，開發(fā)了幾種有效的方法來收集所需數(shù)據(jù)，包括在船只,、飛機,，小型火箭和氣球上使用氣象傳感器。自動環(huán)境評估系統(tǒng)是一個便攜式METOC（氣象）站,，用于海軍艦艇和測試平臺,，用于收集近地表數(shù)據(jù)。在過去30年的許多海軍測試和傳播實驗中,，這些系統(tǒng)已被廣泛使用并取得了巨大成功,。

從20世紀(jì)80年代后期開始，使用固定軌道仿真,、TEMPER和上述METOC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為標(biāo)準(zhǔn)實踐,，用于用于海軍測試的性能評估。為了成功地解釋觀測到的雷達(dá)性能,，APL需要付出巨大的努力,，將METOC傳感器，TEMPER和固定軌道仿真的自動化版本評估為集成式戰(zhàn)術(shù)決策支持助,，稱為SEAWASP（船上環(huán)境評估和武器系統(tǒng)性能）,。盡管SEAWASP最終因資金原因未能安裝在宙斯盾艦船上,，但這項工作影響了其他戰(zhàn)術(shù)決策支持項目，包括宙斯盾SPY-1 Sliderule,。

固態(tài)雷達(dá)

 1987年,，美軍斯塔克號驅(qū)逐艦遭“飛魚”導(dǎo)彈重創(chuàng)表明，低空飛行的反艦巡航導(dǎo)彈的不斷發(fā)展和擴散對艦船的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅 ,，在這種需求的牽引下,，急需發(fā)展防御來自巡航導(dǎo)彈襲擊的艦船防御裝置。這需要改進(jìn)目前的傳感器,，便于在機動目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)威力區(qū)域時探測快速的機動目標(biāo),。隨著威脅對象能力越來越強、異常傳播條件以及越來越常見的沿海地區(qū)的雷達(dá)雜波的增強,，目標(biāo)檢測變得更加困難,。APL工程師參與了多項研究，以開發(fā)針對這些挑戰(zhàn)的傳感器和作戰(zhàn)系統(tǒng)解決方案,。 特別是,，APL領(lǐng)導(dǎo)了北約防空作戰(zhàn)系統(tǒng)（NAAWS）的研究，該研究于1991年完成,。從雷達(dá)的角度來看,，這些研究將固態(tài)雷達(dá)技術(shù)確定為提供增強靈敏度、快速更新速率以及在海上或陸地雜波中探測低空飛行反艦巡航導(dǎo)彈所需系統(tǒng)的手段,。

AESA技術(shù)開發(fā)

在20世紀(jì)70年代和80年代開發(fā)的雷達(dá)系統(tǒng)通常是無源陣列,，其RF功率通常集中在基于管式發(fā)射器上，通過波導(dǎo)傳送到陣列,，并使用發(fā)射波束形成器在陣列中分開,。 每個元件都使用高功率移相器來控制波束。發(fā)射器和輻射單元之間的功率損耗通常非常高,，導(dǎo)致發(fā)射功率降低和系統(tǒng)效率低,。在接收時，相移器和接收波束形成器用于將接收信號在相位上組合用于導(dǎo)向波束方向,，形成單脈沖和和差信道,，并將這些信號提供給集中接收器。對于海軍雷達(dá)應(yīng)用所需的高功率發(fā)射和低旁瓣接收陣列,，無源陣列的組合發(fā)射和接收損耗通常非常大,，并且限制了整個系統(tǒng)的靈敏度。宙斯盾相控陣?yán)走_(dá)是無源陣列的一個例子,。宙斯盾設(shè)計的一個進(jìn)步是在發(fā)射波束形成器中使用了一個子陣列,，允許組合數(shù)十個中等功率的管式發(fā)射器，以提高可靠性并防止在任何一個位置出現(xiàn)非常高的功率,。

該演化過程的下一步是在陣列的每個元件上放置基于固態(tài)晶體管的功率放大器,。這種陣列被稱為有源電子掃描陣列（AESA）,，并且使用AESA的雷達(dá)通常被稱為固態(tài)雷達(dá)。 AESA使用放置在陣列的每個元素處的T/R模塊,。雷達(dá)T/R模塊提供發(fā)射時的RF功率放大,、接收時的低噪聲放大、接收保護(hù)的限制器,、用于波束控制和校準(zhǔn)的移相器以及用于接收的可變衰減器,。與無源陣列相比,，AESA架構(gòu)最大限度地減少了傳輸和接收損耗,，并大大提高了系統(tǒng)靈敏度。 AESA架構(gòu)的優(yōu)勢還包括能夠以更高的占空比工作,、改善系統(tǒng)穩(wěn)定性以便在雜波中進(jìn)行目標(biāo)檢測,、改善天線方向圖的電子防護(hù)靈活性，支持更寬工作帶寬的能力,，以及提高系統(tǒng)可靠性,。

AESAs通過開發(fā)單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)得以實現(xiàn)，該技術(shù)允許以芯片級密度實現(xiàn)所需的微波電路,，并且由于其制造中使用的批處理技術(shù)而具有經(jīng)濟的大規(guī)模生產(chǎn),。砷化鎵MMIC技術(shù)在20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)，并在整個20世紀(jì)90年代通過大量國防部和商業(yè)投資的支持而持續(xù)成熟,。APL率先通過CEC計劃將AESA技術(shù)引入海軍水面系統(tǒng),。 1989年，AESA和T/R模塊技術(shù)的發(fā)展成為實現(xiàn)CEC機載終端開發(fā)所需的低重量和低功耗的必要條件,，APL開始開發(fā)機載AESA概念和相關(guān)的T/R模塊要求,。在APL的技術(shù)指導(dǎo)下，ITT開發(fā)并制造了560個T/R模塊,，并具有最先進(jìn)的功率附加效率性能,。這些模塊在1994年成功進(jìn)行飛行測試。從這一成功來看,，很明顯將無源CEC艦載陣列升級為AESA技術(shù)將帶來顯著的成本,、尺寸、重量和可靠性優(yōu)勢,。隨后,，APL為雷神公司在20世紀(jì)90年代后期開發(fā)的船用CEC AESA的開發(fā)和現(xiàn)場化提供了技術(shù)指導(dǎo)。這些努力證明了AESA技術(shù)在船上使用的整體功效和可靠性,，并為船舶雷達(dá)系統(tǒng)中技術(shù)的使用鋪平了道路,。隨著MMIC技術(shù)的不斷成熟和商品化，AESA架構(gòu)成為21世紀(jì)頭十年先進(jìn)雷達(dá)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn),。

未完,，待續(xù)

翻譯：電波之矛

原文：Kenneth W. O’Haver, Christopher K. Barker, G. Daniel Dockery,and James D. Huffaker Radar Development for Air and Missile Defense

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