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全極化有源相控陣?yán)走_(dá)行業(yè)概況
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 納睿雷達(dá)    2023-11-25

民用領(lǐng)域的全極化有源相控陣?yán)走_(dá)主要源于美國(guó)提出的多功能有源相控陣?yán)走_(dá)研究計(jì)劃（MPAR），目前在美國(guó)正處于試驗(yàn)階段，在我國(guó)則基本處于研究試驗(yàn)的起步階段，國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)少數(shù)企業(yè)憑借較為領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)開始研制或量產(chǎn)應(yīng)用全極化有源相控陣技術(shù)的雷達(dá)，使得民用領(lǐng)域的全極化有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化得到較快發(fā)展。

全極化有源相控陣?yán)走_(dá)由極化技術(shù)與相控陣技術(shù)集成，涉及多個(gè)應(yīng)用特點(diǎn)，包括有源相控陣技術(shù)、全極化應(yīng)用技術(shù)、雷達(dá)多功能應(yīng)用等，較傳統(tǒng)多普勒機(jī)械雷達(dá)擁有多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1、有源相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用

傳統(tǒng)多普勒機(jī)械雷達(dá)由于采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)天線進(jìn)行平面掃描方式工作，體掃一周的完成時(shí)間較長(zhǎng)，因此造成雷達(dá)的探測(cè)周期較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)誤差大；其次，由于機(jī)械掃描方式的掃描角度等限制，相關(guān)雷達(dá)探測(cè)資料的時(shí)間分辨率較低。

傳統(tǒng)天氣雷達(dá)天線掃描時(shí)水平和垂直方向都采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)，掃描時(shí)按照 PPI 模式完成一個(gè)體掃大概需要 6 分鐘時(shí)間且俯仰方向上的數(shù)據(jù)存在不連續(xù)性，很難滿足對(duì)快速演變過程更為精細(xì)觀測(cè)的需要。同時(shí)相關(guān)觀測(cè)資料的時(shí)間分辨率低，必然影響相關(guān)氣象產(chǎn)品的質(zhì)量。目前正在業(yè)務(wù)應(yīng)用的相關(guān)氣象產(chǎn)品（包括冰雹識(shí)別、龍卷識(shí)別等）其分辨率都相對(duì)較低，影響了其業(yè)務(wù)實(shí)用性。

相控陣?yán)走_(dá)采用了基于電掃的靈活掃描方式，可以提高采集數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率。

同時(shí)，相控陣?yán)走_(dá)還分有源與無源，其區(qū)別主要在于 T/R 模組，有源相控陣?yán)走_(dá)每一個(gè) T/R 模組都可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收，從而使影響雷達(dá)整機(jī)工作的故 障率降低，同時(shí)性能也有所提升。

有源相控陣?yán)走_(dá)正取代無源相控陣?yán)走_(dá)，成為雷達(dá)的主要形式。根據(jù)《預(yù) 測(cè)國(guó)際》分析，有源相控陣?yán)走_(dá)占雷達(dá)總產(chǎn)值的比例將由 2010年的 20%增加至2019 年的 68%，而無源相控陣?yán)走_(dá)占比將由 2010 年的 49%下降到 2019 年的6%。新技術(shù)的發(fā)展為雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添加了動(dòng)力，以有源相控陣?yán)走_(dá)為代表的 高性能雷達(dá)將引領(lǐng)現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)。

2、全極化技術(shù)的應(yīng)用

極化（也稱偏振）作為電磁波的本質(zhì)屬性，是幅度、頻率、相位以外的重要基本參量，描述了電磁波的矢量特征，即電場(chǎng)方向在傳播截面上隨時(shí)間變化的軌跡特性，改變雷達(dá)發(fā)射天線的極化方向就可以改變電磁波的極化方式。

極化一般分為線極化、橢圓極化、圓極化，其中線極化又分為兩個(gè)方向的極化，即水平極化和垂直極化。全極化是前述各種極化方式的綜合。雷達(dá)天線極化方式不同，會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)反射回波的幅度和相位特性不同，進(jìn)而影響雷達(dá)的探測(cè)靈敏度。一般而言，對(duì)于不同功能需求、應(yīng)用背景和技術(shù)特點(diǎn)的雷達(dá)系統(tǒng)，會(huì)采用不同的極化測(cè)量體制。

雷達(dá)極化技術(shù)近年來受到較多關(guān)注和發(fā)展，為提高雷達(dá)的技術(shù)性能指標(biāo)創(chuàng)造了較大的空間。一方面，雷達(dá)對(duì)多個(gè)極化通道的回波信號(hào)進(jìn)行虛擬匹配或失配處理，可以提高雷達(dá)對(duì)信號(hào)環(huán)境、地物海雜波的感知和抑制能力，提高檢測(cè)性能；另一方面，通過目標(biāo)全極化測(cè)量技術(shù)，可以獲得目標(biāo)完整的極化散射矩陣，包括幅度特性和相位特性，進(jìn)而還可以提取反射率、差分反射率、差分相移、差分相移率等，這些信息的進(jìn)一步利用為目標(biāo)識(shí)別提供了更加全面、豐富的信息，有助于提升目標(biāo)的正確識(shí)別概率。

采用全極化設(shè)計(jì)的有源相控陣?yán)走_(dá)有助于提高相控陣?yán)走_(dá)對(duì)反射率弱的目標(biāo)和多樣化目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤，獲得更高的數(shù)據(jù)率和更多的目標(biāo)信息，適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)提高雷達(dá)目標(biāo)的探測(cè)和參數(shù)估計(jì)性能具有重要作用，在氣象觀測(cè)、對(duì)地遙感偵察和防空反導(dǎo)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在雷達(dá)氣象學(xué)的應(yīng)用研究中，由于不同極化特征在復(fù)雜云雨霧自然條件下的傳輸情況有不同，在某些氣象條件下，單極化（單偏振）氣象雷達(dá)已不適合于對(duì)環(huán)境復(fù)雜地區(qū)氣候的測(cè)量，采取全極化技術(shù)的雙極化（雙偏振）有源相控陣?yán)走_(dá)可以加強(qiáng)氣象雷達(dá)的精細(xì)化探測(cè)能力。

在氣象探測(cè)領(lǐng)域，單極化（單偏振）雷達(dá)的工作原理是：大尺寸的雨滴在下落過程中受到阻力使得雨滴形狀發(fā)生變形，形變后的雨滴呈現(xiàn)扁平，這使得水平極化電磁波的散射能力增強(qiáng)，雷達(dá)根據(jù)電磁波的后向散射截面大小計(jì)算降水強(qiáng)度。但對(duì)于實(shí)際情況的降水而言，除了純雨滴外還會(huì)存在冰雹、雪等其他固態(tài)降水粒子，單一極化的電磁波不易根據(jù)散射能力區(qū)分不同相態(tài)的降水粒子。

雙極化（雙偏振）雷達(dá)與目前常用的單極化（單偏振）雷達(dá)相比，能夠獲取降水粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向以及降水類型等更為詳細(xì)的信息，有助于提高預(yù)警的準(zhǔn)確性、定量估測(cè)降水的精度和雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)控能力。

3、雷達(dá)的多功能應(yīng)用

從軍事應(yīng)用角度看，多功能相控陣?yán)走_(dá)能同時(shí)完成搜索、識(shí)別、捕獲、跟蹤、引導(dǎo)和制導(dǎo)等多種功能，從而替代多部不同功能的雷達(dá)。更為重要的是雷達(dá)采用多功能相控陣體制之后，能有效地適應(yīng)高密度飽和攻擊等復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，這是其他雷達(dá)難以完成的，因此多功能相控陣?yán)走_(dá)的出現(xiàn)是現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的一項(xiàng)重大成就。

當(dāng)今世界各國(guó)都十分重視多功能相控陣?yán)走_(dá)的研制與發(fā)展，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，已研制出或裝備了一些性能先進(jìn)的多功能相控陣?yán)走_(dá)。如美國(guó)AN/SPY-1 和 AN/SPY-3 雷達(dá)、意大利 EMPAR 雷達(dá)、英國(guó) MESAR 雷達(dá)、法國(guó)ARABEL 雷達(dá)、荷蘭 APAR 雷達(dá)、日本 FCS-3 雷達(dá)等。這些雷達(dá)一般能跟蹤數(shù)百批目標(biāo)，攔截幾十批目標(biāo)，能有效地對(duì)付先進(jìn)的綜合性電子干擾。

從民用角度看，多功能相控陣?yán)走_(dá)的硬件結(jié)構(gòu)可同時(shí)搭載不同信號(hào)處理固件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，使其具備偵測(cè)不同目標(biāo)的功能，例如氣象目標(biāo)、低空目標(biāo)、海面目標(biāo)等。這種雷達(dá)的硬件平臺(tái)部分保持不變，通過不同信號(hào)處理算法在同一硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多功能性，包括兼具執(zhí)行氣象探測(cè)和空中交通監(jiān)視等多種任務(wù)的能力，可以同時(shí)服務(wù)于天氣監(jiān)測(cè)、空中交通管制等。