国外新一代舰艇雷达系统（一）
雷达是现代舰艇防空作战系统的重要组成部分，也是舰艇的关键探测设备，舰载雷达性能的优劣，对现代海战的影响极大。自20世纪80年代以来，随着隐身兵器和高速掠海反舰导弹的迅速发展，使舰载雷达面临“四大威胁”：隐身目标、反辐射导弹(ARM)、低空和超低空智能目标突防以及先进的综合电子干扰。为迎接这“四大威胁”的挑战，各国海军和雷达研制厂商正在发展和开拓新的雷达体制及相关的新技术，全面提高雷达的战术和技术性能，降低雷达军事应用中的脆弱性，增强雷达的生存能力和作战能力。
由于“四大威胁”的不断升级，舰载雷达除应满足全天候、大威力、多功能、多目标、高精度、高灵敏度、高分辨率和高可靠性等常规性能的要求外，最突出的要求是抗摧毁、快速反应以及在各种干扰环境下，雷达工作的自适应性。为满足上述要求，作为21世纪的舰载雷达，应优先发展下列几种雷达新体制：多功能相控阵雷达、地波OTHR(超视距雷达)和微波OTHR(如主／被动超视距雷达)、扩谱雷达、双基地雷达、微波成像雷达以及毫米波雷达等。
发展中的舰载雷达新技术有：自适应技术、数字波束形成技术、雷达信号多维处理技术、固态化技术、低截获概率技术、雷达组网技术以及雷达融合技术等。
除此之外，在舰艇防空系统中，雷达与通信、导航、电子对抗(ECM)设备、指挥控制系统一体化以及雷达与可见光、激光、红外、毫米波、ESM等设备组成多传感器的综合一体化探测系统，也是提高整个舰艇防空作战系统的效率、可靠性、快速反应能力、生存能力、效费比的关键因素。
自80年代以来，各国海军相继研制和装备了一批具有先进水平的新型舰载雷达。其中具有代表性的两坐标雷达有：美国海军的AN／SPS-65、AN／SPS-67雷达；英国海军的AWS-4B(-4BH、-5B)雷达和AWS-6(“海豚”)雷达以及S1022雷达；法国海军的DRBV-15C(“海虎”)雷达和“海神”-S雷达；瑞典海军的“海上长颈鹿”-150HC雷达；加拿大海军的AN／SPS-503雷达等。荷兰海军今后将继续装备LW.08等两坐标雷达。上述这些雷达都具有不同程度的“四抗”能力。
国外舰载三坐标雷达经历了曲折的发展道路，自50年代以来，发展到今天的有源阵列相控阵雷达，这是雷达技术的突破性进展。当代新型舰载三坐标雷达，广泛采用了数字技术、低副瓣和超低副瓣天线技术、光电技术、诱饵技术以及频率捷变、脉冲压缩和数字动目标显示(DMTI)技术等。雷达天线向平面阵和相控阵的形式发展，发射机全固态化已作为微波功率源变革的主要方向之一。新型三坐标雷达具有体积小、重量轻、结构简单、造价低廉、体制灵活多样、维护方便以及数据率高、反应时间短等优点，适合于装备从航空母舰到驱逐舰的各级水面舰艇，正因为如此，目前世界主要海军国家的大中型水面舰艇普遍装备了中远程三坐标雷达。具有代表性的舰载三坐标雷达有：美国的AN／SPS48E(F)；英国的AWS-9(RN996雷达的出口改进型)和S1840；意大利的RAN-30S；荷兰的SMART系列和MW.08；前苏联的“顶对”、“顶舵”、“顶板”和“顶板”／“顶网”等。
随着先进的计算机技术、数字信号处理技术，特别是单片微波集成电路(MMIC)技术和光纤技术的迅速发展，以相控阵技术为基础的雷达新体制应运而生，给整个雷达领域注入了勃勃生机。高的辐射功率，宽的工作频带，灵活的频率捷变，多种工作模式以及对多目标的快速跟踪等性能一直为舰载雷达所追求的目标。显然，常规的舰载雷达难以满足这些要求，而现代相控阵技术却为人们开拓了舰载雷达发展的新领域。
相控阵技术经历了漫长的发展历程，其发展趋势是：大功率的集总式电真空管发射机向分布式固态发射机过渡；无源阵列向有源阵列过渡；空馈式曲面型天线向平板式甚至共形式轻型天线过渡；功能单一型向模块化多功能型过渡。也就是说，固态有源多功能自适应相控阵雷达代表着当今和未来一段时间内相控阵雷达的发展方向。
目前，国外海军研制成的相控阵雷达有：美国的AN／SPY-1(-A、-B、-C、-D)系列多功能相控阵雷达(4面阵)和SPQ-11(“朱迪眼镜蛇”)有源相控阵测量雷达(八角形单面阵)以及AAR有源孔径相控阵雷达；前苏联的“天空哨兵”相控阵雷达(4面阵)和CCB-501固态有源相控阵雷达(六角形5面阵)；法国的DRBJ-11b有源相控阵雷达(单面阵)和ARABEL相控阵导弹制导雷达(单面阵)；意大利的RAN-20S全固态有源相控阵雷达(单面阵)；意、英、法联合研制的EMPAR(欧洲多功能相控阵雷达) (单面阵，双面阵，4面阵)；瑞典的ELSA相控阵雷达(轻型-单面阵)等。正在研制中的相控阵雷达有：英国的MESAR及其派生型SAMPSON有源相控阵雷达(八角形，单面阵-实验型／4面阵?定型产品)和TRISAR固态有源相控阵雷达(八角形3面阵)以及TRIXSAR双波段有源相控阵雷达(3面阵)；荷兰与德国等国的APAR(其实验型为EXPAR)有源相控阵雷达(4面
阵)等。
舰载雷达经过半个多世纪的发展，不论在理论方面还是在技术方面都日臻完善，其技术性能和战术性能有了明显提高。特点是近几年来，随着MMIC、VLSIC、VHSIC的开发应用和各种高新技术的相继问世，进一步提高了舰载雷达的探测性能，增强了雷达对海战环境的自适应能力，改善了在电子对抗条件下对目标的跟踪性能，而先进的计算机技术和雷达的紧密结合，又使舰载雷达具备了自动目标检测、自动数据录取和自动故障诊断的能力，从而大大提高了舰载雷达的可靠性、抗摧毁性，使其更好地适应21世纪舰艇防空作战的需要。
一、美国AJV／SP，Y?1系列多功能相控阵雷达
(一)研制背景与计划
“宙斯盾”(Aegis)的原型可以追溯到1963年美国海军的水面导弹系统计划。“台风”(Typhon)系统的研制计划因故被取消后，由于海上防空的需要，美国海军作战部不得不为一种新型抗饱和攻击系统即先进水面导弹系统(ASMS)投资。当时美国海军要求水面导弹系统要有能探测、跟踪飞机、导弹和水面舰艇并对它们实施攻击的能力。后来，水面导弹系统发展成大型系统，用传统的旋转式雷达天线已无法实现美海军关于反应速度、反击能力和抗干扰性能的要求。因此，美海军研制一种新型雷达，它要能在需要时正确照射雷达波束，用一部雷达对空搜索目标，并能高精度地跟踪目标。能满足这些要求的只有相控阵雷达，因而推动了AN／SPY-1系列雷达的研制开发，继而于1969年12月将ASMS系统正式命名为“宙斯盾”武器系统。
AN／SPY-1雷达的研制计划开始于1969年末，其整个研制计划的时间表为：1969年与美国无线电公司(RCA)签订了“宙斯盾”样机合同；1972年，AN／SPY-1雷达开始试验；1973年完成陆地上测试；接着在美国诺顿海峡(Norton Sound)试验船上安装了AN／SPY-1样机，并进行了为期5年的海上鉴定试验；1980年初，在EC-135、EA-6B和ERA-3B飞机配合下进行了5天的电子对抗试验；试验全部结束后将其定型为AN／SPY-lA雷达；1983年装舰服役；1984年对AN／SPY-lA雷达继续进行改进工作，同年3月8日签订了生产AN／SPY-1A／B雷达的合同，同年5月29日签订了为AN／SPY-1B／D雷达生产行波管的合同；1985财年，美海军定购采用了改进的AN／SPY-1D轻型雷达的“宙斯盾”系统；1987年对AN／SPY-1B／D雷达进行鉴定试验；1989年1月美国海军接受了第一部AN／SPY-1D雷达；1990财年，继续研制和改进AN／SPY-1D的ECCM设备；1991年2月，美国第一艘“宙斯盾”DDG51驱逐舰交付使用；1993年3月，日本第一艘装备了轻型“宙斯盾”的“金刚”级驱逐舰编入现役；1995年3月，日本第二艘装备“宙斯盾”的“雾岛”(Kirishima)号驱逐舰编入现役。至1996年，AN／SPY-1A／B雷达的生产量将为27部，AN／SPY-1D雷达的生产量达到23部。
AN／SPY-1系列雷达研制计划的总承包商早期是美国无线电公司，现在是通用电气公司；分承包商有美国ALS电子公司(ALS Electronics)、计算机科学公司、利顿工业公司、美国雷声公司、特里达因公司(Teledyne Corp)、尤尼赛斯公司(Unisys Corp)等；主管单位是美国海军海上系统司令部。
AN／SPY-1系列雷达是“宙斯盾”战舰的主要探测系统。它完成全空域搜索、自动目标探测、多目标跟踪；为指挥决策系统提供探测到的目标数据；为武器控制系统提供目标和拦截导弹的跟踪数据，在武器控制系统控制下为导弹提供中段制导指令，并给末级照射雷达输送指向数据等。
AN／SPY-1系列雷达有AN／SPY-1A、AN／SPY-1B、AN／SPY-1C、AN／SPY-1D和AN／SPY-1E五种变型。其中AN／SPY-1为试验型，未装备；AN／SPY-lA为首批定型雷达，从1983年开始首装在美国“提康德罗加”(CG-47)级导弹巡洋舰上，共装12艘(CG47-58)；AN／SPY-lB是AN／SPY-lA的改进型，80年代末装备在CG59开始的“提康德罗加”级导弹巡洋舰上，约装15艘(CG59-73)；AN／SPY-1C原计划装备航空母舰，但因故至今尚未装备；AN／SPY-1D是AN／SPY-lB的改进型，从1991年开始首装于“阿利?伯克”级导弹驱逐舰(DDGSl)，至今装备了美国14艘(DDG51-64)，出口日本2艘(DDGl73-174)；AN／SPY-1E正在研制。另外，日本还打算在6艘6000吨级的驱逐舰上也装备AN／SPY-1D雷达。
据1993年报导，AN／SPY-lA雷达的单机价格为3400万美元。
(二)系统组成与介绍
AN／SPY-lA是一部固定式S波段电扫描相控阵雷达，它是整个“宙斯盾”武器系统的核心。
AN／SPY-lA雷达由天线组合、信号处理机组合、发射机组合和雷达控制器组合等构成(见图3．3?1)。在AN／UYK-7数字计算机的控制下，将射频脉冲经发射机高功率射频放大器放大后，送入选定的阵面，波控器将波束控制指令转换成天线阵的移相指令，使发射机射频输出通过天线阵面在空间形成所需要的波束，根据搜索、跟踪和制导的不同要求，可同时或用时分法产生具有不同功率、波束宽度、脉冲宽度和脉冲重复频率的多种波束。回波信号经天线阵进入接收机的和通道和两个差通道，在射频前置放大器内放大，再经变频并放大后送至信号处理机，进行恒虚警与脉冲压缩处理，最后得到目标的距离、角度及其他必要的信息。如果需要消除杂波干扰，在搜索和跟踪时可以采用动目标显示处理。
图3．3-1 AN／SPY-1A雷达系统组成示意图
1、天线组合
天线组合能传输、形成和控制高功率发射波束，也能接收和放大接收信号，并将其转换成中频信号。天线组合包括：
(1)天线
由4个八角形平面阵组成，能提供以载舰为中心的整个半球区覆盖。阵面采用“强迫馈电”方式，每个阵面有4480个分立的辐射元和移相器，移相器决定辐射能量的相位，以控制方位和仰角上的发射和接收波束图形。实际上，每个阵面有140个阵列组件(每个组件有32个辐射元)，其中128个用于发射和接收；8个只用于接收，主要用来控制副瓣；4个用于保密的电子对抗。
(2)波控器
波控器前、后共两台，利用来自信号处理机组的相移驱动信号，为相连的阵面产生所需的发射和接收移相指令。
(3)接收机
一前一后共两部接收机，处理由射频前置放大器送来的雷达回波，并将射频变换成中频。
2．信号处理机组合
集中式信号处理机组合为雷达发射机产生波形，处理来自接收机的回波信号，并将AN／SPY-1A的图像传送给舰上情报中心(CIC)。信号处理机组合包括：
①一个中频开关机柜；
②一个中频信息处理机柜；
③一个模／数(A／D)转换机柜；
④两个动目标显示处理机柜；
⑤一个脉冲压缩信息处理机柜；
⑥一个输入?输出缓冲同步机柜；
⑦一个波形发生器(WFG)机柜；
⑧两个辅助波形发生器(AWFG)机柜。
3．发射机组合
采用前后两部发射机，分别向两个相应的阵面馈送射频能量。两部发射机共用8个集中的高压电源。每部发射机包括：
①一台射频特性监视器(RFM)；
②三个驱动／预驱动机柜；
③两个末级功放机柜(共有32个正交场放大器)。
4．雷达控制组合
雷达控制组合包括：一台AN／UYK-7数字计算机和相应的计算机程序；一个输入?输出控制台和一个数字磁带单元。控制计算机程序具有下列功能：决定雷达的工作顺序，处理搜索和跟踪信息，与“标准”-FS2导弹进行通信，处理AN／SPY-1A雷达和战备状态检测系统的数据，报告新的跟踪情况，支援雷达控制显示工作。此外，它还提供AN／SPY-1A雷达与“宙斯盾”武器系统其他部分的接口程序。
AN／SPY-1D雷达与武器系统的连接见图3.3-2。
美国“阿利?伯克”级导弹驱逐舰上的“宙斯盾”(AEGIS)作战系统主要由AN／SPY-1D多功能相控阵雷达、指挥与决策系统(CDS)、MK2“宙斯盾”显示系统(ADS)、武器控制系统(WCS)、电子战系统(EWS)、导弹发射系统和声呐系统等组成。此外，该级舰还装有1部AN／SPS-67(V)2两坐标对海搜索和导航雷达；1部AN／SPS-64(V)9导航雷达；3部AN／SPG-62目标跟踪照射雷达。 ．
“宙斯盾”作战系统的工作是从受AN／UYK-43计算机控制的AN／SPY-1D多功能相控阵雷达开始的，该雷达是“宙斯盾”作战系统的核心。它能同时完成目标搜索、识别、捕获、跟踪、引导和制导等多种功能，尤其是能在严重的杂波和各种干扰环境中，通过雷达工作参数的迅速变换自适应地搜索、检测和跟踪空中、水面以及擦掠海面飞行的上百批目标，并能立即将目标信息传送给MK2指挥与决策系统。指挥与决策系统是“阿利?伯克”级舰的指挥控制中心，它不仅处理来自AN／SPY-1D雷达的目标信息，同时也接收来自舰载直升机、火控雷达、声呐系统、电子战系统、电子保密系统、数据链等渠道的目标信息。随时通过MK2“宙斯盾”显示系统以视觉方式显示出来，然后进行敌我识别、威胁估算、分配拦截武器，并将结果数据迅速输入MK8武器控制系统。武器控制系统从指挥与决策系统接收武器分配命令和特殊的威胁准则，从AN／SPY-1D雷达接收跟踪数据。这些输入经过处理从而决定对目标攻击的可能性，然后根据自动编制拦截程序，通过发射系统将数据送人导弹。
图3.3-2 “阿利?伯克”级舰“宙斯盾”作战系统组成方框图
MK8武器控制系统能对“阿利?伯克”级舰上的所有舰载武器(“标准”SM-2舰空导弹、“战斧”巡航导弹、“鱼叉”舰舰导弹、MK46反潜鱼雷、LAMPS“海鹰”直升机、“密集阵”近程武器系统、电子战系统等)进行分类管制。
AN／SPY-1D相控阵雷达与垂直发射的“标准”SM-2舰空导弹配合的机制是“标准”SM?2导弹发射后，先由武器控制系统通过AN／SPY-1D相控阵雷达给导弹发送修正指令，即进行指令制导，使导弹按一条节能的轨道接近目标，直到导弹飞近目标而进入末段(最后数秒)时，改由AN／SPG-62火控照射雷达进行末段制导，导弹寻的头根据照射雷达提供的目标反射能量自动寻的。这样，照射雷达就不必在导弹的整个飞行期间跟踪目标，从而使舰上的3部AN／SPG-62制导雷达可同时对付依次来袭的18个目标。
AN／SPY-1D相控阵雷达、MK2指挥与决策系统和MK8武器控制系统组成了“宙斯盾”系统的探测和控制回路。“宙斯盾”系统的作战方式是按事先编好的程序输入到计算机中，也就是说，如果作战态势符合预编程序的条件，系统便执行已规定了的相应的对付方法和程序，因此，从捕捉目标到攻击的操作都完全可以自动进行。在整个作战过程中，MK7战备(状态)检测系统不断地监视着全系统的工作情况，一旦发现故障，立即采取措施，确保系统具有很高的可靠性。
(三)主要技术性能参数
功能
搜索、跟踪、制导
体制
无源相控阵
工作波段
S(3.1~3.5GHz)
探测距离(km)
370
峰值功率(MW)
4~6
平均功率(kW)
58
尺寸(每个阵面)(m)
AN／SPY-1为3.9X3.7X1.29；AN／SPY-lA为3.65x3.65?X1.27；AN／SPY-1B／D为3.65 X 3.65 X 1.22(1995年DMS报道为3.5X3.5)
辐射单元数
AN／SPY-lA为4352个(每个子阵64个单元)；AN／SPY?1B／D为4350个(每个子阵2个单元)
重量(每个阵面)(t)
AN／SPY-1为7.77；AN／SPY-1A为5.44；AN／SPY-1B／D为3.63
(四)主要技术特点分析与评价
1．多功能性
AN／SPY-lA是一部多功能相控阵雷达。它能同时完成水平搜索，半球形搜索；多目标跟踪，多枚拦截导弹的跟踪；能制导导弹，为SM-2“标准”导弹提供中段制导指令，为照射雷达定向；还能进行杀伤估计等。
美国海军对AN／SPY-1A的改进型雷达在航空母舰上的应用研究表明，该雷达能同时承担搜索和检测、空中交通管制、目标跟踪、空中截击控制、反潜战控制、气象监视、点防御水面搜索、攻击控制等多种任务。一部AN／SPY-1改进型雷达能完全代替AN／SPS-43A(大功率远程搜索雷达)、AN／SPS-48(三坐标远程对空监视雷达)、AN／SPS-58(脉冲多普勒对空搜索和目标截获雷达)和AN／SPS-55(对海搜索和导航雷达)等多部雷达的功能。它通过相位控制进行电子扫描，把几部雷达的功能汇集成一个数字化的传感器系统，其规模之大在当今水面舰艇系统中是首屈一指的。
2．快速反应
AN／SPY-lA雷达电子扫描之快速及在这种扫描情况下对辐射能量的有效控制，是美国任何现有雷达系统所不能比拟的。该雷达可以瞬时自动探测和跟踪目标，并可与多架飞机、导弹进行连续作战。它能在1 min内对半径175n mile的半球形范围进行数次搜索。同时还可用单波束对快速出现在45n mile远的水平线上的目标进行水平搜索。一旦发现目标，通过计算机控制，1s内可对目标照射多次，在一般扫描式雷达的旋转天线转一圈的时间里，它顺利进入跟踪状态。这不仅缩短了搜索时间，提高了目标跟踪精度，而且由于雷达的配合，使整个“宙斯盾”武器系统可实现从探测到发射的快速反应。
3．波束控制灵活
AN／SPY-lA相控阵雷达的扫描波束是由计算机根据战术环境和威胁情况设计的。考虑到反舰导弹往往采用低空突防，不易发现，且速度快，所以AN／SPY-lA雷达在海面附近的低空区采用多波束高数据率搜索，对其他空域则采用适当的波束以足够的数据率搜索。必要时也可将波束集中在某个预估的扇形威胁区进行搜索。
此外，该雷达可迅速地全部关机，也可采用只在某些扇形区发射，而在其他区不发射的部分关机方式。接到关机指令后，能在零点几秒内停止工作，重新开机1 s后可进入跟踪状态，并继续搜索，可在18 s内搜索完80 km内的整个半球形空域；在20 s内可恢复全部图像，因此可对抗反辐射导弹的攻击。
4．强的电子对抗能力
AN／SPY-1A的改进型雷达能在复杂的电子对抗环境中有效地工作。它在计算机控制下，自适应地运行，自动鉴定电子对抗的环境，并利用先进的变频和动目标显示等技术，自动进行抗干扰。
AN／SPY-1B／D雷达的电子抗干扰性能可通过如下改进得到增强：
①降低天线旁瓣。
②减少信号处理机的处理损耗。
③采用一种双倍占空比调制器，以给出更高的发射机平均功率。
④提高电子干扰分析能力。
⑤修正计算机程序以适应改进后的性能等。
5．高的可靠性和可维修性
AN／SPY-1A及其改进型雷达的可靠性和可维修性极高因为其在设计时采取了许多有效措施。
其措施如下：
①采用负载均分法：把系统性能分成几个独立的信道，这样，若某一信道损毁或失灵，而系统仍能继续有效地工作。
②采用积木式：功能模块化，可使系统某一功能在两条线路上保持独立，这样，若某一线路损坏，不致于使整个系统失效。
③实现标准化：全机有100多万个电子元件，限制在2500个品种内，其中98％为标准件。
④雷达可在线维修而不关机，因此，它配有一个“工作准备情况测试装置”。其职能是自动检测故障，隔离故障元件等。
⑤AN／SPY-1B／D雷达采用数控磨制口径(AN／SPY-1A为组合子阵口径)，这样就可使整个阵面成平板结构，从而可提高雷达系统的生存能力。
6．不断改进雷达性能
为了充分利用最新技术，使“宙斯盾”系统满足未来海战的需要，美国制定了对AN／SPY-1A雷达的改进计划。新研制的AN／SPY-1B／D雷达的改进主要有：
(1)天线组合的改进
天线组合的改进主要是围绕着降低旁瓣进行的：①高锥度照射；②由10行波导功率合成变为7行带状线合成，使阵列布局近似圆形口径；③提高加工精度；④采用具有相位调整能力的新型近场测试设备ANFASTII(AN／SPY-1A采用的ANFASTI无相位调整能力)达到精确控制口径上的相位和幅度分布；⑤采用7位无补偿移相器(AN／SPY-1A为4位有补偿移相器)，以减少相位量化。
(2)信号处理机的改进
信号处理机的改进主要针对7个方面：①提高性能；②降低成本；③减少尺寸和重量；④将新技术与成熟的技术相结合，保证设备具有长期生存能力；⑤把故障隔离结合到信号处理机中，从而减少了战备状态检测系统计算机程序的数据量；⑥广泛采用大规模集成电路。
与AN／SPY-1A相比，AN／SPY-1B的信号处理机具有：通道化，处理损耗小(比AN／SPY-1A减少3dB)，单脉冲搜索，能探测反射截面积很小的目标，可靠性高，具有减轻战术计算机负荷的能力，能自动隔离故障点等特点。
(3)发射机组的改进
发射机组的改进主要为了提高射频脉冲的占空比(AN／SPY-1B／D比AN／SPY-lA提高倍)，为此，采用了改进型调制开关管(EIMACY633A)和正交场放大管(L4707或SFD-262)作为发射机的末级功放和驱动／预驱动器。另外设计一种固态开关管驱动器来取代AN／SPY?1A中的电子管型驱动器。AN／SPY-1D雷达采用单一集中式发射机，并用水冷式60Hz高压电源取代AN／SPY-1A／B中所用的400Hz高压电源，从而使功率重量比改善40％，且成本降低40％。
(4)控制器的改进
控制器的改进主要是AN／SPY-1D雷达控制器采用标准的AN／UYK-43计算机和AN／UYA-21型显控台(AN／SPY-1B的最新产品也采用了这种设备)，以取代AN／SPY-lA中使用的AN／UYK-7计算机和AN／UYA-4显示器，并且为适应集中式发射机与“阿利?伯克”级导弹驱逐舰的需要，修改了计算机程序。
综上所述，AN／SPY-1A及其改进型雷达是至今装备数量最多的舰载无源相控阵雷达，多年来，通过不断改进，在降低成本、减轻重量、缩小体积、提高可靠性和可用性以及抗干扰性能等方面都取得了显著成效，从而大大提高了雷达系统的技术性能和战术性能。该雷达不仅在美国国内具有较大的潜在市场，而且出口前景也较为乐观。
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