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什么是相控阵雷达?

十万个为什么 空空 2024-3-22 20:58:52 2次浏览

关于问题什么是相控阵雷达?一共有 2 位热心网友为你解答:

【1】、来自网友【航小北的日常科普】的最佳回答:

我对军事理解不是很深,就给大家讲解一下相控阵雷达跟传统雷达的区别。

传统的雷达是什么样子的?只要看下面这个动图就可以知道了,就是有一个东西在转,这叫做机械扫描雷达——因为雷达的照射方向是一定的,所以为了让雷达搜索到更加广阔的区域,就要让雷达转起来。

而我们看到的雷达搜索图中,那个不断扫描的线,就代表了正在旋转的雷达,扫到某一个方向,这个方向上的物体才会显现出来。

但是这样的机械雷达有很大的问题。第一个问题是,雷达的机械转速没有办法很高,所以说扫描速度一般不快,如果一个物体在飞快地移动,那么这种机械扫描雷达很可能跟不上这个物体地移动速度。第二个问题是,这种机械旋转式的雷达没有办法用到很大的雷达上,所以说传统的机械扫描式雷达没有办法做的很大。第三个问题是,这种旋转雷达很占体积,所以空间利用效率很低,比如说在飞机上使用就会比较浪费空间。

所以说就诞生了被称为“相控阵”的雷达系统,学名叫做“电子扫描阵列雷达”。这种雷达系统说起来也复杂,但是跟机械扫描雷达的最大不同,就是这种雷达没有原先的那种机械旋转结构了。那么这种雷达是怎么做到变换扫描方向的呢?很简单,通过多个“小雷达”发出波长一样,但是相位略有不同的波,从而让这些电磁信号彼此影响,最终形成某一个方向上的电磁波。

比如说,下面这幅图,就是从最下面的那个小雷达开始依次发出来电磁波,最后形成的效果就是整个雷达波是往某一个方向的。而这就是相控阵雷达的本质特征。

这种雷达几乎弥补了传统机械扫描雷达的全部缺点。

第一个,相控阵雷达控制方便、扫描迅速。因为这种雷达的指向方向是通过控制小雷达的发射电磁波的顺序实现的,所以说只是简单的控制指令,可以做到指哪儿打哪儿。

第二个,这种相控阵雷达因为机械结构是固定的,所以可以做的很大很大,而不要考虑旋转起来的复杂机械问题。比如说下面的这幅图就是非常有名的铺路爪相控阵雷达,其体积可以通过对比其脚下的汽车对比看出来。

第三个,同样因为是固定的机械结构,所以这种雷达也可以做到很小。比如说下面这个图就是飞机上搭载的相控阵雷达。

当然,这种雷达也不是没有缺点的。这种雷达造价昂贵、技术门槛高、功率消耗更大等等,但是相比其优越的性能,这些缺点几乎可以忽略不计了。

【2】、来自网友【水煮汗青】的最佳回答:

大家还记得小学语文学的《蝙蝠和雷达》吗?说的是科学家从蝙蝠发出的超声波辨别方向中得到启发,最后研究出雷达。其实蝙蝠的超声波研究和雷达的发明并没有直接关系,但是要解释相控阵雷达,我还是借用蝙蝠做个比喻:

普通雷达就像是一只蝙蝠对着天空发出超声波,如果发现天上有物体就会反射回来;相控阵雷达就像是一只拥有蜻蜓复眼般的蝙蝠,对天空进行网状式扫描,所有复眼都能发射超声波。

只是蝙蝠发出来的是超声波,而雷达发出来的是电磁波。电磁波与超声波的区别就是,电磁波是一种物质,可以在空气中传播,也可以在真空环境中传播;超声波只是一种波动形式,需要借助某种介质才可以形成,真空环境中不能形成超声波。

雷达的发明

我们从小学课文上看到蝙蝠与雷达的故事,大家就会觉得雷达是从蝙蝠身上得到的启发,实际上这则故事只是发现了超声波,而雷达的发明是在这个故事发生后的 100 多年后。

1793 年,意大利科学家斯帕拉捷在晚上散步的时候,发现蝙蝠在夜空中飞来飞去非常灵活,也不会撞到树上或者墙上。这个现象引起他的好奇,于是斯帕拉捷做了一个有趣的实验:

他抓了几只蝙蝠关在笼子里,先是把蝙蝠眼睛蒙起来试飞,发现“瞎眼”的蝙蝠飞起来一样灵敏。他再把蝙蝠的鼻子堵起来,结果蝙蝠也没有受到任何影响。接着斯帕拉捷把蝙蝠的耳朵堵住,这次蝙蝠就像是没头的苍蝇,在夜空中胡乱飞行,一会撞到树上,一会又撞到墙上。

斯帕拉捷的实验证明了蝙蝠靠听觉进行方向和障碍物的辨别,但是对于超声波的研究和应用,一直到 19 世纪末,20 世纪初才得到广泛应用,超声波被应用于医疗、工业、农业等领域,而且超声波还可以用来清洗,我们去眼镜店洗眼镜用的就是超声波。

雷达发射的是电磁波,这种物质于 1887 年被德国科学家赫兹证实,而且当时他也发现电磁波在传播的过程中,遇到金属物质会被反射回来,就像光照到镜子一样,但是当时的科学家并没有想到利用这个原理进行空中侦察。

1897 年夏天,俄国科学家波波夫在海上进行通信试验,他发现两艘船在通讯过程中,如果有第三艘船从中间驶过,通讯就会被中断。当时波波夫将这一现象写在工作日记中,并得出结论:障碍物会对电磁波的传播产生影响。遗憾的是,波波夫也没有利用电磁波这一特性进行更深层的研究。

一直到 1934 年,英国皇家无线电研究所所长沃特森·瓦特发现了电磁波反射的特性,当时英国正准备大力发展防空力量,为此英国空军甚至找了一批听觉灵敏的肓人利用耳朵搜寻敌机。瓦特认为,可以利用电磁波反射的原理进行空中侦察,只要发现敌机,电磁波就会反射回来,这样比人耳搜寻要准确得多,范围也更广。

于是,瓦特的建议得到认可,英国空军也因此获得了一笔新装备研发的拨款。1935 年,瓦特和英国电机工程师研制出第一台探测飞机的雷达。

所以从雷达发明的历史可以看出,雷达与蝙蝠之间的联系真的不大,超声波的反射、光的反射、电磁波的反射,都是经过单独的试验被发现,三者之前没有必然的联系!

什么是相控阵雷达

从第一台雷达发明以后,就被广泛应用于军事领域,这种雷达属于机械式的,只能以固定的转动方式对固定范围进行扫描,如果遇到高速飞行器,比如高速战斗机或者导弹,这种雷达的反应速度就跟不上了,于是相控阵雷达了随之产生。

相控阵雷达又叫电子扫描阵列雷达,是通过改变天线表面阵列所发出波束的合成方式,来改变波束扫描方向的雷达。相控阵雷达比传统雷达扫描的效率和速度更快,对目标讯号测量的精确度也更高,举个形象比喻就是,传统雷达就像是一颗 LED 灯射向天空,相控阵雷达就像是一整块装满 LED 灯的面板同时射向天空。

相控阵雷达分为有源和无源,无源相控阵雷达只有一个中央发射机和接收机,发射出来的高频能量由机算机分配给天线阵列中的各个辐射器,优点是成本低,技术要求低,缺点就是发射和接收环节要是出了问题,整个雷达都不能使用。

有源相控阵雷达则是每个辐射器都安装了发射和接收的组件,整个雷达可以拥有成千上万个这样的辐射器,就算其中有些辐射器坏了,也不会影响其他辐射器的正常运行,因为每个单元都是独立的。优点是可以进行三坐标扫描(水平方向和垂直方向),缺点是造价高,技术要求高。

相控阵雷达的有源与无源,其实就像是音箱的有源与无源。有源音箱里面安装了功放机,只要有声音输入就可以进行放大发音;无源音箱除了喇叭、分频器,里面就是空的,需要经过功放机对每个音箱进行信号放大。

无源音箱的功放机坏了,所有音箱都不会响,有源音箱的功放机坏了, 只有相应的那对不会响,其他音箱不影响。

结语

相控阵雷达比普通雷达需要更高的技术要求,首先需要有强大的电子技术作为基础,其次就是要具备强大的计算机系统,因为相控阵雷达会同时收到很多信息,计算机需要对这些信息进行分辨识别和处理,这就需要有足够强大的系统和精密的算法程序。

由于相控阵雷达需要整个工业体系的支持,因此并不是所有国家都有能力研制,目前这个领域还是美国领先,而中国随着近几十年的发展,在相控阵雷达方面也做得相当不错,与美国之间的差距也在逐渐缩小。

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