盾和弹之间的那点事（六）——综述篇（3）
三坐标雷达
有很多人搞不明白054A护卫舰上配备的“顶板”雷达是不是相控阵雷达，准确来说，“顶板”属于三坐标雷达，不是相控阵雷达。何为三坐标雷达？简单说，三坐标雷达就是在高低方向上实现了电子扫描，但在水平方向上仍是传统的机械扫描，因此充其量只能算半个相控阵雷达。三坐标雷达通常也采取平板阵天线，因此从外观上看并不太容易与相控阵雷达区别开来，但明显不同于其它类型的雷达（如抛物面式天线的雷达）。那么三坐标雷达是怎样工作的呢？引用前文的比喻，如果说相控阵雷达是由无数个LED小灯泡组成的一支大探照灯，那么三坐标雷达就是由多个日光灯管排成的一支大号探照灯，这些灯管左右移动不便，但可以快速上下转移光束，而左右方向上的覆盖则靠旋转来实现。如果你看到一种外观上由一堆“金属管”组成的平板雷达，那么它很可能就是三坐标雷达，比如美国AN/SPS-48三坐标雷达的天线阵就由73根波导管组成。显然，三坐标雷达的技术实现难度比相控阵雷达要低的多，它也是各类军舰上常见的一种舰载防空雷达。三坐标雷达的作用距离一般仅次于对空警戒雷达，可达300～400千米左右，其探测能力强、数据处理速度快、精度高、抗干扰能力强，一般用于对中远程目标的搜索与跟踪，可以作为大中型舰艇的主要防空雷达。但三坐标雷达无论是性能还是功能，与相控阵雷达相比则存在着明显的差距。相控阵雷达一般都具备更优秀的多功能性，可以做到搜索、跟踪、火控样样都精，而且相控阵雷达无论是探测精度、抗干扰能力、反隐身能力，还是多目标跟踪能力等指标都全面胜过三坐标雷达。但三坐标雷达也暂时不会被淘汰。它的优势在于体积小、重量轻、结构简单、造价较低，且技术上早已成熟可靠，作为舰载主防空雷达其最大探测距离不输于相控阵雷达，今后在远程搜索、跟踪等方面还有很大的发展前景。在造价昂贵的舰载相控阵雷达还难以全面普及之前，三坐标雷达仍然是一种性价比非常高的舰载防空雷达，世界各国也纷纷发展了新一代先进舰载三坐标雷达，比如SMART-S、“工匠”等型号，即使是美国海军最新的LCS濒海战斗舰也配备的是三坐标雷达，如“自由”级配备的是TRS-3D型C波段三坐标雷达，“独立”级则配备的是“海上长颈鹿”先进三坐标雷达。
与三坐标雷达对应的还有两坐标雷达，两者的区别在于两坐标雷达仅能提供目标的方位和距离信息，而三坐标雷达则多提供了一维高度信息，两者的代表型号分别为美国AN/SPS-49型两坐标雷达和AN/SPS-48型三坐标雷达。这两种雷达具备不同的性能特点，可以起到相互补充的作用，因此一些美国舰艇同时装备了这两型雷达，比如台湾从美国购入的“基德”级驱逐舰。由于两坐标雷达不能提供目标的高度信息，在防空作战中存在很大的局限性，已经越来越不适应现代战争的要求。目前两坐标雷达一般多用于对精度要求较低的远程警戒雷达，功能非常有限。随着时代的进步，老式两坐标雷达将会逐渐从舰载雷达领域淘汰，我国112、113号驱逐舰当年在舰体后部设置的一部518型远程警戒雷达就是两坐标雷达，经过升级改装后现已拆除。
旋转阵和三坐标
三坐标雷达和旋转阵又有什么区别呢？仅从外观和工作方式上看两者似乎区别不大，都是一部不停旋转的平板雷达，只不过旋转阵更加娇贵，往往要在外面套一个雷达罩。但实际上两者是有本质区别的，区别就如同前文所讲的，一个是由灯管组成的，一个是由灯泡组成的，显然后者在作战使用中要比前者具备了更好的灵活性。旋转阵虽然也靠旋转来实现水平方向的全向覆盖，但与三坐标雷达不同的是，旋转阵是有水平方向的电子扫描能力的。虽然旋转体制让这种水平电扫受到一定的限制（这也是旋转阵相比四面固定阵最大的劣势所在），但比三坐标雷达还是有优势的。简单说就是旋转阵即使停止旋转，其在水平方向上也有90～120度左右的扇面视场，水平方位视场要比三坐标雷达大的多，因此在同样转数下旋转阵的目标数据更新率比三坐标雷达更高。另外，由于旋转阵的雷达体制要优于三坐标雷达，其探测精度、抗干扰能力以及多目标跟踪能力等都要强于三坐标雷达。从功能上讲，旋转阵的功能也更有优势，举个例子，旋转阵可以暂时停止旋转，将天线阵面对准高威胁方向，称之为“凝视模式”，2艘配备了双面旋转阵的舰艇采取这种战术就能实现在高威胁环境下的全向覆盖，与四面固定阵的效果无异，这种功能三坐标雷达是绝无可能办到的。总结来说，旋转阵是一种比三坐标雷达更为先进的雷达体制，它的技术复杂度和造价远高于三坐标雷达，实际的防空性能也要远胜过三坐标雷达，这是因为两者的区别不只是雷达天线本身，还包括信号处理、数据传输、供电、计算乃至终端显示在内的整个后端系统，这才是旋转阵作为一种“神盾”的真正优势所在。未来在舰载雷达领域，旋转阵将继续走仅次于四面固定阵的高端路线，而三坐标雷达则会走高性价比路线，在中轻型舰艇以及二线舰艇上继续大放光彩，两者之间并不存在定位上的冲突，只是要看设计人员如何取舍了。
何为“盾”？
这个问题如果放在上世纪那么就只有一个答案——“宙斯盾”。不过，新世纪以来各国海军新下水的各类“神盾”舰可谓是层出不穷，因此有必要对“神盾”舰以及“神盾”作战系统下一个定义。首先，以三坐标雷达或两坐标雷达为主防空雷达的舰艇都不算“神盾”舰，比如我国054A型护卫舰、052B型驱逐舰、印度“什瓦利克”级护卫舰、韩国KDX-2型驱逐舰、台湾“基隆”级驱逐舰、美国“斯普鲁恩斯”级驱逐舰、俄罗斯“现代”级和“无畏”级驱逐舰以及“光荣”级巡洋舰等都不能算作“神盾”舰。虽然这些舰艇型号中有些已经配备了先进的垂发系统和远程舰空导弹，但却没有配备与之配套的先进相控阵雷达系统。那么有相控阵雷达的就一定是“神盾”舰吗？也不一定，必须是舰上的主防空雷达是相控阵雷达，其它补充性质的雷达系统（如对海搜索雷达或远程警戒雷达）即使采用了相控阵体制，也不能说明就是“神盾”舰。此外，有了相控阵雷达后还要与先进舰空导弹相结合，并形成有效的中远程区域防空能力，才能算作“神盾”舰。这方面的反面典型就是日本“高波”级和“村雨”级驱逐舰，虽然配备了OPS-24型有源相控阵雷达，但却只具备有限的近程点防空能力，因此一般也不会将它们看作是“神盾”舰。最后，也是最关键的一点在于，光有相控阵雷达还不够，整个舰上作战系统必须要具备射频管理、信号处理、数据传输、敌我识别、火力控制等一整套指挥控制能力，从而实现全舰最优的防空效能。也就是说“神盾”舰的真正精髓不在于“盾”本身，而在于整个“神盾”作战系统。从这一点来讲，一些出口型护卫舰虽然很多都配备了相控阵雷达，但在外观上看不见的软件上缩了水，空有“盾”的外表却没有“盾”的精华，也就不配称作“神盾”舰。综上所述，当前有资格称作“神盾”舰的只有五常国家、欧洲、韩日和印度等少数大国强国海军装备的相应的“大盾”舰、“小盾”舰型号。另外，还有一些防空舰可以看作是准“神盾”舰，如我国051C型驱逐舰、俄罗斯“彼得大帝”号巡洋舰等，这些准“神盾”舰虽然也具备了很强的单舰防空能力，但综合防空性能与其它“神盾”舰仍存在一定差距。
有源和无源
相控阵雷达可以分为无源相控阵雷达（PESA）和有源相控阵雷达（AESA），前者的技术门槛较低，早期舰艇上多部署的是无源相控阵雷达，而后者具备了更优异的性能，在新世纪以来有越来越多的水面舰艇开始配备新型有源相控阵雷达。那么，两者的区别在哪里呢？引用前文的比喻，传统的机械扫描雷达就是一个普通的探照灯，而相控阵雷达则是由成千上万个小灯泡（T/R组件或移相器）组成的一支超级探照灯，这无数个小灯泡可以听你指挥灵活地分配光束指向，从而实现比传统机械扫描雷达更强大的功能与性能。相控阵雷达的无数个小灯泡可以通过两种方法来实现光束的灵活控制。第一种方法是将这无数个小灯泡集体快速转移光束，利用电子扫描的优势在几乎一瞬间的时间内在多个目标之间来回照射，从而实现同时照亮多个方向上的不同目标的能力。这种能力实现的基础在于成千上万个小灯泡所组成的强大能量上。由于相控阵雷达具备强大的发射能量，所以在“同时”照射多个目标后仍能保证有充足的能量将目标照亮，从而实现照射能量在多个目标之间的分配。这种方法对应的是无源相控阵雷达，它的工作原理与传统雷达其实区别不大，只不过是利用电扫描的瞬间移动的特性，使一部雷达达到传统的多部雷达同时工作时的效果。第二种方法就是将这成千上万个小灯泡分成多组，一组小灯泡被分配用于照射一个目标，从而实现用多道光束同时照亮多个不同方向上的目标的能力。很显然，这种光束控制与能量分配的方法比前一种更加灵活，因为在这种情况下每个小灯泡都能单独作用，而不像前一种只能集体作用，因此可以灵活分配照射目标用的小灯泡的数量，比如在对付隐身目标、强干扰目标或进行反导作战时，可以把全部的小灯泡都集中用于照射同一个目标，而在对付威胁性较低的目标时，又可以把众多小灯泡分散能量用于照射多个不同目标，这种方法对应的就是有源相控阵雷达。
有源相控阵雷达采用数量众多的发射/接收模块，每一个辐射器都是一个发射/接收模块，每一个辐射器都自己产生和接收电波，因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。而无源相控阵雷达只有一个中央发射机和接收机，发射的能量由计算机分配到天线上的每一个辐射器。正因为如此，也使得有源相控阵雷达的造价昂贵，工程化的难度更大。由于有源相控阵雷达在进行波束控制与能量分配时具备更高的灵活性，因此比无源相控阵雷达更强大。比如前文提到的无数个小灯泡，既可以被分配用于对目标的照射上（即传统的雷达照射功能），也可以分出一部分用于发射干扰信号或通信信号，从而实现干扰和通信等其它射频功能，这种情况下有源相控阵雷达已不再局限于传统的雷达功能了。这种技术被称为“综合射频技术”，利用同一个射频系统进行实时控制与资源共享、资源管理、资源分配，从而通过一部雷达系统同时实现多种射频功能。比如美国海军原计划安装于DDG-1000驱逐舰上的DBR双波段雷达就采用了这种技术。DBR雷达系统可取代原来舰上5～10部雷达的功能，其中的AN/SPY-3型X波段有源相控阵雷达可以用于海面/低空搜索、潜望镜/水雷检测、数据链、电子战、目标跟踪和照射等功能。相控阵雷达的多功能一体化可以有效减少舰上天线的数量，这对水面战舰来说是非常重要的。
有源相控阵雷达无论在性能还是功能上都比无源相控阵雷达具有明显的优势，具体如下：一、有源相控阵雷达发射/接收信号时的射频损耗小，因此在同样条件下（比如同样的雷达孔径）的探测距离比无源相控阵雷达更远。二、有源相控阵雷达的可靠性比无源相控阵雷达更高，由于前者的信号发射和接收是由成百上千个独立的收/发单元组成，因此少数单元失效后对系统性能影响不大，雷达仍具备工作能力。而无源相控阵雷达的发射机组或波导管一旦出现故障或战损，就会导致整个雷达系统失效。三、有源相控阵雷达可以灵活变换波束，从而不易被敌方电子侦察系统截获，有利于提高雷达的电子对抗能力。四、有源相控阵雷达相比无源相控阵雷达而言，可以大幅缩小体积和重量，适于安装在中轻型舰艇上。五、有源相控阵雷达更有利于采用先进的数字波束形成技术和信号处理技术，从而有更强的抗干扰能力、反隐身能力和探测精度。
当然，有源相控阵雷达虽然在体制上有优势，但并不代表实际型号也有优势。从性能来看，有源相控阵雷达对无源相控阵雷达的优势并不是绝对的，比如在最大探测距离等具体的性能指标上，无源相控阵雷达也可以不输于有源相控阵雷达，甚至还更加强大。有源相控阵雷达相比无源相控阵雷达的真正优势还是体现在功能上，这才是其体制领先于后者一代的根本所在。而且，有源相控阵雷达发展和升级的潜力远不是无源相控阵雷达可以相提并论的。有源相控阵雷达最大的难点在于发射/接收组件的制造上，相对来说，无源相控阵雷达的技术难度要小得多，其虽然在功能和性能等方面不如有源相控阵雷达，但明显优于机械扫描雷达，不失为一种较好的折中方案。即使有源相控阵雷达研制成功以后，无源相控阵雷达作为相控阵雷达家族的一种低端产品，仍然具有很大的实用价值，具备了较为理想的性价比。因此我们可以看到美国“宙斯盾”系统历时长久仍然兴盛不衰，而各国的新一代高端、低端舰载相控阵雷达也有很多都采用了无源相控阵体制。
美国“宙斯盾”系统作为舰载“神盾”系统的开山之作，其配备的AN/SPY-1系列雷达虽然历经了多次升级与改良，但始终采用的是无源相控阵体制，与世界各国新一代舰载相控阵雷达有源化的发展趋势显得格格不入。这主要是因为“宙斯盾”系统在历经了几十年的不断发展与改进后，装备了包括美国海军以及盟国海军在内的大量水面舰艇，其技术状态已经非常成熟、可靠，因此非到不得已的时候，美国海军是不会轻易放弃这种早已成熟可靠的相控阵雷达系统的。其最新的改进型AN/SPY-1D（V），提高了对付低空目标的探测能力以及抗电磁干扰能力，该雷达已装备“伯克”2型各舰（DDG-78之后）。AN/SPY-1雷达不但在防空性能上有出色的表现，同时也具备了强大的反导探测能力，其反导探测能力在世界各国的“神盾”系统中都是独一无二的。“宙斯盾”系统为了强化反导能力，大幅强化了AN/SPY-1雷达本身的信号处理能力以及后端软件的运算能力，连带提升了“宙斯盾”系统的整体综合防空性能。
不过，作为一种无源相控阵雷达系统，AN/SPY-1雷达的升级潜力终究还是有限的，因此美国海军适时地开展了新一代舰载有源相控阵雷达的研制工作，其典型代表为DBR双波段雷达系统和AMDR有源相控阵雷达系统，前者已安装于“福特”号航母，而后者则将是“伯克”3型驱逐舰的标准配置。尤其是“伯克”3型驱逐舰配备的AMDR-S有源相控阵雷达，由于采用了新型氮化镓（GaN）半导体技术来制作T/R单元，所以在雷达天线尺寸与AN/SPY-1D相比变化不大的情况下，却实现了更高的发射功率，性能也有了惊人的增长。相比AN/SPY-1D，AMDR雷达有望在两倍的距离上探测到一半RCS大小的目标，同时跟踪的空中目标数量增加6倍左右，同时引导的舰空导弹数量增加3倍左右，在综合防空性能上有了质的提升。
我国也较早开展了舰载有源相控阵雷达的研究工作，研制并装备了346型和346A型有源相控阵雷达，这是我国真正自主创新研制的相控阵雷达系统，其技术已达到国际领先水平。作为“中华神盾”的重要组成部分，这两型雷达系统不但能探测和跟踪远程空中目标，还能对发射的远程舰空导弹进行跟踪和引导，其对空探测距离、同时处理的目标数量和导弹引导能力在世界上都处于先进行列。而最让人欣喜的是，我国不但赶上了舰载有源相控阵雷达的发展潮流，并且起点很高，而且随着我国陆基、空基相控阵体制雷达技术的进一步发展，我国在该领域的技术优势还将进一步扩大。
作者：涂林峰
来源：《兵器知识》2017年第11期
